基于核心素养理念下培养学生科学思维的教学研究

陈金贵 林炳煌 郑卫峰

关键词：课堂教学;科学思维;能力培养;超重与失重

《普通高中物理课程标准（2017版）》中指出：“科学思维”是物理核心素养的一个方面[ 1 ]。“科学思维”是从物理学视角对客观事物的本质属性、内在规律及相互联系的认识方式;是基于经验事实建构物理模型的抽象概括过程;是分析综合、推理论证等方法在科学领域的具体运用;是基于事实证据和科学推理对不同观点和结论提出质疑和批判，进行检验和修正，进而提出创造性见解的能力与品格[ 2 ]。主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素[ 1 ]。笔者以物理鲁科版“超重与失重”一节的教学研究为例，探讨基于问题解决促进物理核心素养的达成，阐述如何在物理课堂教学活动中培养学生科学思维能力。

1  在教学过程中实践学生“科学思维”发展的达成

1.1  问题情境

（1）体验性实验

教师：（展示实验器材）在一个细细的纸带上悬挂了两个钩码，纸带没断。如果我取走一个钩码，不用剪刀只用一只手，能不能让钩码在竖直方向上运动将纸带撕断呢？

学生：两两一组开始实验探究。

（2）视频播放

教师：在一个电梯里，放有两个测力计：台秤和弹簧测力计，将重物静止放在（悬挂）在测力计上。此时台秤和弹簧测力计的示数反映了物体的重力。那么，当电梯开始运行的时候，示数会发生什么样的变化呢？由于台秤便于观察，当我们在播放录像时，大家注意观察台秤示数的变化并加以记录。（播放视频）

学生：认真观察并进行现象描述。

此教学环节，呈现了超重和失重现象，引导学生回顾已有的牛顿运动定律知识，明确视重概念，定义超重与失重现象。

1.2  探索规律

教师：在电梯上升的过程中我们看到了超重现象，也看到了失重现象;在电梯下降的过程中我们同样也看到了超重现象和失重现象。那么到底在什么情况下会发生超重和失重呢？

活动1   学生利用一个传感器，用它勾住钩码，然后上下移动（这相当于电梯的上下移动）。学生借助DIS实验，直观得到弹力随时间变化图象，如表1填写表格的前两列内容。综合分析弹力随时间的变化图象，进而进行猜想，分析出超重（失重）对应的运动过程。

为了避免只观看视频及教师讲授，学生缺乏探究体验获取知识，本设计借助DIS学生实验，突出了教学重点（知道超重与失重现象）。学生科学思维得以发展，达成了学习的第一层要求（目标为知道超重与失重现象），同时为第二层要求（目标为理解超重与失重现象產生的条件）的学习提供了归纳、猜想的依据。

活动2    教师制作了一个模拟升降机，在升降机里放着两个传感器，一个力传感器，下面悬挂一个重物，在运行之后可以记录弹力随时间的变化图象。另一个是位移传感器，它可以帮助我们记录下位移随时间的变化图象，通过计算机处理转变成速度与时间的变化图象。也就是通过教师演示DIS实验，同时获得F-t图像和v-t的图象，验证学生的猜想，帮助学生归纳得出超重（失重）的条件。

本活动设计是为了突出了教学重点，突破教学难点——探究超重与失重现象产生的条件。通过获得F-t图象和v-t的图象，引导学生将这两图建立联系，实验验证学生的猜想，并从中探究超重和失重。科学思维这一学科核心素养得以体现。

1.3  理论分析

教师：我们用DIS模拟实验的方法找到了产生超重与失重现象的条件。发现物体在向上加速，向下减速的过程中都出现了超重。那么这两个超重现象有什么共同特点呢？

活动3    引导学生运用牛顿运动定律通过理论上进一步探究出现超重与失重现象的原因，填写表1的后两列。

以电梯里的重物为研究对象，进行受力分析。根据牛顿运动定律，有

Ⅰ.当电梯静止或做匀速运动时，F_N=G=mg;

Ⅱ.当电梯向上加速或向下减速时，F_N+（-G） =ma，则F_N=m（g +a）>mg，超重;

Ⅲ.当电梯向下加速或向上减速时，G+（-F_N）=ma，则F_N=m（g-a）

总结：在超重和失重现象中，重力没变，变的是弹力。

本活动是为了落实教学目标：会用牛顿运动定律解释超重和失重现象。结合理论推导，采用理论与实际联系相结合，学习掌握运用牛顿运动定律分析问题的方法，归纳出了结论。通过理论分析探究，科学思维这一学科核心素养又得以展现。

教师：在失重状态时，如果当a=g，那么FN应该等于多少啊？

学生：F_N=0。

教师：要让物体加速度等于重力加速度，怎么做才可以？

学生：让物体做自由落体运动！

活动4    教师操作DIS软件，通过演示实验验证完全失重现象。

本活动是为了落实教学目标：知道完全失重状态的特征和条件。从感知和理性两方面加深学生对完全失重概念的认知。

1.4   应用巩固

（1）解释上课伊始的小实验，教师演示，学生观察：第一次缓慢提升纸带，纸带没断，第二次快速提升纸带，纸带断了，第三次向下做减速运动，纸带断了。引导学生发现：加速度方向都是竖直向上的，都处于超重状态。学生回答抓住问题的关键点——加速度的方向。判断超重和失重现象就看在竖直方向上加速度方向，与物体运动方向无关。

（2）将两本书交叠在一起，叫两位同学对拉，无法拉而分开。教师把这两本书抛起，轻松地把这两本书分开。依据是什么？完全失重。

（3）将一只装满水的瓶子，在其瓶底钻了很多小孔，将瓶盖拧开可以观察到水从瓶底漏出。将其自由下落，观察到水不洒出来。（教师演示，录像并慢镜头播放）

（4）学生展示：宇航员的超重和失重现象。

教师点评：航天员为了国家的发展，都需要奉献精神。

此部分是本课的应用拓展环节，通过对实际问题中超重和失重现象的解释，通过设计小实验观察失重，巩固对概念的认识与学习。达到第三层目标要求：能根据加速度的方向，判别物体的超重或失重[ 3 ]。

2  教学反思与总结

科学思维的培养特别依赖于问题情境的创设，用真实的物理情境联系物理概念规律，运用问题导向驱动学生思维，通过问题解决展开学习探究，灵活运用多种教学手段，发展学生科学思维。本节课的教学设计就遵循着这些原则，有效创设实验情境，通过问题解决展开科学探究活动，培养思维能力以达成核心素养，从多个维度来构思和实现教学目标。具体体现在以下几个方面。

2.1  概念教学环节清晰

超重失重作为重要的物理概念，本教学设计在概念教学各环节非常流畅，认识概念、形成概念、建立概念、理解概念、应用概念，层层递进，这种清晰的逻辑有助于学生对概念的理解和掌握。

2.2  概念建立科学有效

本课在概念建立的阶段，给出多个情境，让学生感知其存在，以及大致悟出一些共性的东西。在原因分析的阶段，将学生的视线集中收缩在某一简单的情境之上（再看录像），建立物理模型，具体分析。此后再对其余的各个现象、情境作类似的分析（应用阶段）。老师的这种做法非常符合由情境抽象出物理问题，得到规律性的东西，再应用到实际的思路，思维得以发展，容易帮助学生建立新的物理概念。

2.3  突出科学方法教育

在这节课的教学中，自始至终从大量的事实和实验现象出发，用归纳的方法，指导学生认识超重和失重现象，总结出产生超重和失重的条件。在此基础上，结合牛顿运动定律分析并找到产生超重和失重的原因。最后应用超重和失重的知识分析相关实验现象，理论联系实际。在学生获取新知识的过程中，潜移默化地对学生进行了科学方法教育。

2.4  融合信息技术与学科教学

经过精心设计，编制了计算机教学软件，将课前学生拍摄的录像、现场摄像以及文字和图片投影到大屏幕上，学生直接获取大量的信息。创设仿真情境，借助多媒体教学，犹如身临其境，有利于学生对新知识的建构，实现课堂教学的高效。

总之，实施物理核心素养提升的教学，教师根据教学的内容和学生的实际情况，遵循教学规律，弄清物理课程所蕴含的科学思维和方法，创设真实、鲜活的学习情境，引导学生从“雾里”走向“物理”，直到“悟理”，体验物理学研究过程的科學精神，问题也得到解决，也领悟到物理学的价值，有利于物理学科核心素养的达成。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017版）[S].北京：人民教育出版社，2018：4-5.

[2]王高.物理核心素养培养浅探[D]. 南京：江苏第二师范学院， 2016.

[3]杨鸣华.做而论道·中学物理课堂教学设计、实施及感悟[M].上海：上海科技教育出版社，2016：125-138.