“實踐”視角下中學物理模擬科學探究的課堂教學研究

李文玉 安加敏

【摘要】國際上科學探究向科學實踐的轉變已成為科學教育的發展趨勢，國內科學教育也在逐漸“順應”此發展趨勢.中學物理中，部分科學探究活動由于受到時間、空間以及物質條件等因素的限制，并不具備直接對研究對象進行實際實驗的條件，但利用現代信息技術對科學探究的部分活動進行模擬仿真可以有效地解決這個問題.本文基于“實踐”視角，融合模擬仿真手段，提出如何設計與實施科學探究教學的相關建議.

【關鍵詞】高中物理；科學實踐；模擬仿真

1 引言

2011年，美國國家研究理事會 （NRC）正式發布的新版K—12科學教育框架——《K—12科學教育框架：實踐、交叉概念和核心概念》，《K—12框架》中將首位關鍵詞從“探究”變成了“實踐”[1].2013年，美國頒布的《美國新一代科學教育標準》也著重突出了科學探究向科學實踐的轉變.我國普通高中學科課程標準將課程實施中的科學實踐作為課程理念，2022年新發布的《義務教育課程標準》更是將學科實踐和跨學科實踐明確列入內容要求.由此可見，國際上科學探究向科學實踐的轉變已成為科學教育的發展趨勢，國內科學教育也正在逐漸“順應”此發展趨勢.

2 “實踐”視角下的模擬科學探究教學

在教學中，運用現代信息技術與多媒體對探究過程中的某些實踐活動進行模擬仿真，可突破時空、排除物質條件等因素的影響，從而更有利于提高科學探究課堂的實際效果、發展學生的核心素養、推進教育公平，以及促進科學探究的“實踐”轉向.

2.1 模擬科學探究

“科學探究”最早由美國芝加哥教授施瓦布在《作為探究的科學》中提出.2000年，NRC發布的《科學探究與國家科學教育標準——教與學的指南》，其中給出了“科學探究”的最新界定：科學探究是學生需要發展的設計和實施科學實驗研究的能力，以及應獲得的對于科學探究本質的理解[2].“模擬科學探究”就是教師通過仿真模擬的方式，組織和引導學生通過獨立的探究活動主動獲取知識、培養能力的教學實踐活動.即以模擬的形式來展開科學探究的一系列實踐活動.

《普通高中物理課程標準》指出：“利用現代信息技術，引導學生理解物理學的本質，整體認識自然界”[3]，即強調教師應注重將現代信息技術融合到高中物理教學中.例如，2019人教版高中物理必修二第七章“萬有引力與宇宙航行”中，教材引入了不少物理學史的相關內容，但學生的直觀感性認識卻并不能得到滿足.那么，在這種情況下，教師應該適當應用現代信息技術進行仿真模擬，為學生創設科學探究的學習情境，呈現完整的科學探究過程，可以幫助學生發現物理規律和更加深刻地理解其內涵.

2.2 教學現狀與困境分析

以“模擬科學探究”“模擬實驗”為主題詞在知網上進行檢索，發現目前模擬科學探究的教學現狀與困境主要表現為以下幾個方面.

（1）概念詮釋的弱化.探究過程本就充滿了復雜性和多因性，模擬的方式無法完全還原真實的世界，因此可能會造成對某些概念詮釋的弱化.

（2）忽視師生情感交流.在設計方面，部分模擬軟件偏向于功能開發，而對師生情感交流方面的考慮較少.這樣的探究過程，僅將科學探究視為一種手段，從而導致科學探究難逃“灌輸”的困境.

（3）缺乏嚴謹性和規范性.沒有充分重視模擬軟件的開發與應用方面，如過分強調真實、僅把模擬視為一種替代、籠統地將模擬視為易于控制的環境，導致應用模擬軟件開展科學探究在一定程度上缺乏嚴謹性和規范性.

（4）探究過程和結果過于理想化.模擬探究過程中，干擾因素難以進行仿真，從而缺少現實中普遍存在的誤差，學生下意識地不會意識到誤差的存在，這并不利于培養學生嚴謹求實的科學態度.

由此可見，模擬科學探究教學存在許多有待解決的問題.

3 利用Stellarium軟件探究“開普勒第一定律”

3.1 創設情境，提出問題

教師活動

操作演示 利用Stellarium軟件向學生進行操作演示.

（1）展現太陽系各行星運動軌跡（如圖1所示）.

（2）加快時間流速，展現太陽系各行星繞太陽運行的過程.

啟發提問 （1）行星繞太陽的運動軌跡是一個標準的圓周嗎？

（2）那么行星的運動軌跡又應該是什么形狀呢？

（3）太陽是否處于橢圓的幾何中心呢？

學生活動

觀察思考，提出猜想 太陽系各行星的運動軌跡不是一個標準的圓，而是一個橢圓，太陽也并非處于橢圓的幾何中心.

實踐視角下的設計意圖 利用Stellarium軟件構建真實物理情境，將真實的問題作為課堂的中心，引導學生“動腦”思考.

3.2 模型建構，設計方案

教師活動

組織活動 學生進行“做一做：繪制橢圓”活動.

引導思路 引導學生猜測太陽是否正好處于行星運行橢圓軌道的一個焦點上.

啟發提問 如何證明太陽，位于各行星橢圓運行軌道的一個焦點上？

提示 水星、木星、火星以及土星的軌道半長軸和半短軸的長度如下表1所示，可以利用公式c=a2－b2計算出橢圓的焦距，行星近日點和遠日點的距離如下表1所示.

小組活動 通過書上“做一做：繪制橢圓”活動，認識什么是橢圓、什么是橢圓的焦點.

提出猜想 太陽處于行星運行橢圓軌道的一個焦點上.

設計方案 用遠日點距離減去近日點距離（d=dmax－dmin）計算二者差值，若半長軸減去最短距離等于（誤差允許范圍內）橢圓焦距（d=2c），則可得證太陽位于火星橢圓軌道的一個焦點上.（關系如圖2所示）

實踐視角下的設計意圖 通過模型建構和方案設計，向學生滲透利用實踐探究的方法去解決實際問題的科學思想，培養學生的科學思維能力.

3.3 數據處理，整理表格

教師活動 指導學生設計并繪制表格和利用計算機進行數據計算.

學生活動 根據需要，設計表格.

根據公式c=a2－b2，計算出各行星橢圓運行軌跡的半焦距c.

根據公式d=dmax－dmin，計算出各行星的遠日點和近日點的差值d.

將計算結果，填入表格.（如表2所示）

實踐視角下的設計意圖 通過表格的設計、繪制以及填寫表格，促進學生以“動腦”驅動“動筆”去創作和記錄.

3.4 論證評估，交流信息

教師活動 引導學生觀察、分析表格數據，幫助學生得出結論.

總結 所有行星繞太陽運動的軌道都是橢圓，太陽處在橢圓的一個焦點上，這就是開普勒第一定律的內容.

學生活動 通過觀察分析表格，得出結論：在誤差允許的范圍內，太陽處在行星運行橢圓軌道的一個焦點上.

實踐視角下的設計意圖 ?通過開展探究，學生依據事實證據對科學性問題作出回答，突出了學生的主體獨立性，讓學生真正成為探究課堂的主體，同時也培養學生根據事實證據形成解釋的科學精神.

4 總結與反思

科學的本質是“實踐”，科學知識來源于科學實踐，只有在物理科學探究教學中凸顯科學知識的實踐本質才能真正推動物理科學探究的“實踐”轉向.因此，非常有必要以科學實踐的視角去審視模擬科學探究教學的設計與實施策略，讓物理科學探究真正回歸科學實踐本質.為此，給出一些設計與實施科學探究教學的相關建議：

（1）以理論性探究活動為主導，加強概念的詮釋與理解.

（2）以真實的問題或具體的任務為中心，克服探究過程和結果的過理想化.

（3）“動手”“動嘴”“動腦”相結合，重視師生情感交流.

（4）科學探究方法與科學知識的相融合，提升探究的嚴謹性與規范性.

【基金項目：本文由山西省研究生科研實踐創新項目資助，課題名稱：基于實踐視角的物理科學探究課堂設計與實施研究，項目編號：2023SJ177】

參考文獻：

[1]National Research Council. A Framework for K-12 Science Education：Practices，Crosscutting Concepts，and Core Ideas ［M］. Washington，DC：The National Academies Press，2012.30、42-44、44、45.

[2]（美）國家研究理事會.科學探究與國家科學教育標準[S].羅星凱等譯.北京：科學普及出版社，2004.

[3]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020.