创设情境 激发思维 提升素养——以“反冲运动 火箭”教学为例

(广东省佛山市南海区桂城中学,广东 佛山 528200)

1 引言

爱因斯坦说过:“如果人们忘掉了他们在学校里所学到的每一样东西,那么留下来的就是教育。”物理教学怎样才能给学生留下适应个人终身发展和社会需要的必备品格和关键能力?这是物理教师应当思考和探索的课题，笔者以“反冲运动 火箭”为例,探讨如何通过合理的教学设计，提升学生的物理学科核心素养。

2 创设恰当情境,帮助学生形成物理观念

“物理观念”是从物理学视角形成的关于物质、运动与相互作用、能量等的基本认识;是物理概念和规律等在头脑中的提炼和升华。要帮助学生形成物理观念,首先要创设恰当情境，要注意以下两方面问题。

(1) 物理情境是联系学生学习和物理观念的桥梁,创设情境要以学生已有的知识和经验为基础,贴近学生的思维发展水平,基于最近发展区寻求新知识的生长点。

如图1、2所示，在“反冲运动 火箭”教学中用小实验引入。

图1 气球小车实验

图2 水火箭实验

给出气球和玩具小车,提出问题1:如何让小车运动起来?

给出用可乐瓶自制的“火箭”,提出问题2:如何让“火箭”飞向高空?

设计意图:让学生体验动手乐趣,领悟科技奥妙,激发学习兴趣。在实际操作中,学生往往会遇到很多困难,经过反复尝试,总结经验,最终获得成功。通过动手体验,既可以提高克服困难的信心,又能帮助学生形成坚韧和顽强的品质,在轻松愉悦的氛围中完成“动手创作”，还会带来成就感,增强自主探索的能力。

(2) 情境要通过学生的内化与联想,才能形成物理观念。教师提出问题进行引导,帮助学生揭开表象、分析问题本质。

问题3:两个实验中分别是谁和谁之间的相互作用?

问题4:两个实验中物体的运动有什么共同点?

学生分析:小车和其上物体原来静止。在内力的作用下分离，小车和其上物体运动方向相反。从而自主得出反冲运动的概念。

这个过程是从学生的最近发展区入手,创造条件,给学生提供动手实践、自主探索、充分思考的机会,让学生在观察、思考、分析、归纳的过程中去理解知识的形成和发展过程,符合学生认知特点,这样建构的概念是深刻的,是能够上升到物理观念的。

3 设置“问题串”,培养学生的科学思维能力

“科学思维”是从物理学视角对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识方式，是基于经验事实建构理想模型的抽象概括过程，是分析综合、推理论证等方法的内化，是基于事实证据和科学推理对不同观点和结论提出质疑、批判、检验和修正,进而提出创造性见解的能力与品质。主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素。

具备科学思维能力是创新时代的要求,学生的学习是积极主动的建构过程,教师要为学生创设良好的学习环境,设置适当的问题情境,引起学生的认知冲突,激发学生的积极思维。

在学生学完反冲运动的概念后,教师要引导学生分析得出“相互作用力一般很大,内力远大于外力,通常可以用动量守恒定律来处理”,还要进行知识的再发现、再创造,培养学生的科学思维能力,渗透问题解决的方法教育。

(1) 通过设计学以致用的问题,推进课堂教学,促进学生理解并运用科学方法。

问题5:如图3所示，一艘小船停在岸边,船身与岸平行,船上站着一质量为m的人,他如何用自带的卷尺粗略测出船的质量(不计水的阻力)？

图3

设计意图:虽然考查的知识点是“人船模型”,但改变了提问的方式,要求学生想象情景,能够具体问题具体分析,而不是生搬硬套模型,这样可提升学生的解题能力,为学生提供了思考的空间,鼓励学生提出创新见解,培养创新思维能力。

(2) 用实验帮助学生突破认识误区。

问题6:在人船模型中,人相对船停下后，船是否还要运动一段时间才能停下来?

教师设计了“平板小车”实验,在玻璃管上平放玻璃板,在玻璃板上放一辆遥控小车,用遥控器启动小车,同时看到玻璃板沿相反方向运动,当小车停止运动时,玻璃板也同时停止运动。教师演示之后,还可以让学生亲自尝试,眼见为实,更有说服力。

(3) 制造愉快的教学氛围,延长黄金教学时间。

问题7:如果在划船时双桨意外掉落水中,而乘客又是不习水性的人,那该用什么办法回岸呢?

提问的同时播放“让我们荡起双桨”歌曲，学生的情绪一下子被调动起来,讨论异常热烈,提出了很多方案,不但得出正确的答案“把船上可以抛掉的东西以尽可能大的速度向后抛出”,加深了对反冲运动的认识,而且把课堂气氛推向了高潮。

设计意图:心理学家研究发现：在40分钟的一节课上,学生的注意力随教师讲课时间的变化而变化。学生的注意力指标数y随时间x的变化规律如图4所示。所以在25分钟时,学生的注意力开始下降,笔者设计了“讨论与交流”环节,并播放了一首大家都很熟悉的歌曲,让原本消极的时间又变成了黄金时间,使学生高效地完成了整节课的学习。这也符合心理学的观点:人在快乐中学习,学习更主动,接受知识更快。

图4

(4) 开发、利用“易错点资源”,从多角度灵活变换问题形式,提升学生科学思维水平。

问题8:船和人的总质量为M,人手中拿一质量为m的物体,起初船、人、物以共同速度v0前进，水的阻力不计。当人相对于船以速度u向相反方向将物体抛出后,人和船的速度变为多大?

在问题8提出后，不要求学生直接计算,在运用动量守恒定律时要遵照“同一性”“同时性”“矢量性”原则,给出以下三种解法,让学生判断对错。

解法一:选定船速方向为正方向,设物体抛出后船和人的速度为v，由系统动量守恒求解，(m+M)v0=Mv+m(-u)。

分析:错误在于列方程时没有注意参照系的同一性。

解法二:选定船速方向为正方向,设物体抛出后船和人的速度为v，由系统动量守恒求解,(m+M)v0=Mv+m(v0-u)。

分析:错误在于没有注意到状态的同一性,抛出后物体对地的速度是v-u,而不是v0-u。

解法三:选定船速方向为正方向,设物体抛出后船和人的速度为v，由系统动量守恒求解,(m+M)v0=Mv+m(v+u)。

分析:错误在于没有注意动量的矢量性,选定船速方向为正方向时,u应当取负值。

正确解法:选定船速方向为正方向,设物体抛出后船和人的速度为v，再由系统动量守恒求解,(m+M)v0=Mv+m(v-u)。

实践证明,上面的三种解法好像三面镜子,把学生自身的问题暴露出来,他们自己完全有纠错的能力。在科学思维能力的培养中,要从学生的最近发展区精心设计好“问题串”,实现知识点由简单到复杂的量变,从而实现将学生的思维从识记、模仿等低层次活动向分析、综合等高层次活动的质的飞跃。

4 利用身边材料做好物理小实验,创造条件进行科学探究

“科学探究”是指提出科学问题、形成猜想和假设、设计实验与制订方案、获取和处理信息、基于证据得出结论并作出解释,以及对科学探究过程和结果进行交流、评估、反思的能力，主要包括问题、证据、解释、交流与合作等要素。

本节课设置了分组实验:气球小车、电吹风小车、反击式水轮机，演示了平板小车、水火箭实验。这些都是利用身边材料所做的物理小实验,整节课就是以这些科学探究活动为主线串联而成的。科学探究是学习科学知识、形成物理观念、发展科学思维、形成科学态度的重要手段和途径。在物理教学中引导学生利用身边材料进行实验,不仅能解决实验器材的不足问题,动手与动脑相结合,还有利于激发学生的学习激情,激发学生学习物理的兴趣,培养学生的创新、发散思维能力。

5 激活物理知识,提升学生科学态度和责任

科学态度与责任是指在认识科学本质、理解科学·技术·社会·环境(STSE)的关系基础上形成的对科学和技术应有的正确态度以及责任心，主要包括科学本质、科学态度、科学伦理、STSE(科学·技术·社会·环境)等。

(1) 联系实际,理解STSE的关系。

问题9:你能举出哪些反冲运动的实例?

利用有益的反冲运动：喷气式飞机通过连续不断地向后喷射高速燃气,最快可达3.5倍音速。反击式水轮机是靠水流的反冲作用旋转的,可以带动发电机发电。

避免有害的反冲运动：自行榴弹炮后面的止退犁是为了减少火炮的反冲作用,提高命中精度。

(2) 展示科学家探索自然的心路历程,促进学生科学态度与责任素养的形成。

本节的第二部分“火箭”是培养学生科学态度和责任的好素材。介绍从三国时期、唐末宋初的火箭到长征五号系列运载火箭的历史进程,重点介绍长征五号系列运载火箭研制的艰辛过程和火箭基本参数,为后面的问题埋下伏笔。展现我国在航天领域的巨大成就,激发学生锐意进取、振兴中华的使命感,培养正确的科学态度和责任感。

问题10:火箭飞行的最大速度是由什么因素决定的?

例题:设静止的火箭起飞时在极短的时间内喷射燃气的质量为m,喷出的燃气相对地面的速度为u,喷出燃气后火箭的质量为M,则火箭喷气后的速度v?

问题11:如何提高火箭的速度?

拓展延伸:2017年5月5日,我国具有完全自主知识产权的新一代大型喷气式客机C919在上海浦东机场首飞成功。

问题12:如何提高喷气式飞机的速度?

最后进行课堂小结，此时学生特别积极主动,他们对反冲运动的应用体会深刻,感受物理就在我们身边,体会到学以致用的乐趣,尤其备受航天精神的激励,科学态度和责任得到了提升。

6 结语

在物理教学中,要基于学生实际,循序渐进地培养学生的核心素养。要善于挖掘教材中培养学生核心素养的素材,充分利用身边材料做好物理小实验,创造条件引领学生进行科学探究,多从生活中提炼物理问题，创设情境,基于学生思维的最近发展区，精心设计层层递进的“问题串”,激发学生科学思维,提升学生的物理核心素养。