通过科学地设置问题培养学生物理学科核心素养的教学探究

闫鑫

摘 要：只有創设问题情境，科学地设置问题，让整个教学过程围绕设计的问题来展开，激发学生的探究欲望，引导学生积极参与课堂学习的全过程，培养学生猜想、假设、实验探究、创新等思维能力，才能有效地培养学生的物理学科核心素养。

关键词：核心素养;科学思维;实验探究

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 收稿日期：2019-11-12 文章编号：1674-120X（2020）16-0092-02

物理学的发展始于发现问题，这些问题给人们提供了学习、猜想、假设、实验、创新的思维空间。在教学过程中，教师通过创设问题情境，科学地设置问题，来激发学生的探究欲望，促进学生运用已有的知识和方法主动地建构探究途径，从而提高学生的认知水平，培养学生严密的科学思维、严谨的科学态度，提升其物理学科核心素养。

一、丰富学生的物理观念

物理观念包括物质观念、运动与相互作用观念、规律应用、能量观念等要素。教师应引导学生通过观察现象、分析规律等方式形成物理观念。但是学生具有个体差异性以及认识问题的局限性，这时候教师就要思考如何创设问题情境以及科学地设置问题。

案例：探究曲线运动速度的方向。

现象演示：将陀螺放在一张白纸上，让其高速旋转，旋转过程中在陀螺上面滴几滴红墨水，观察白纸上红墨水被陀螺甩出的轨迹。

播放视频：观察砂轮打磨下来的炽热微粒的运动轨迹、雨伞转动时雨伞上水滴飞行的轨迹。

提出问题：物体做曲线运动时，速度方向有哪些特点？

生：物体做圆周运动时，速度沿轨迹的切线方向。

师：圆周运动是特殊的曲线运动，速度沿切线方向，那么一般的曲线运动都是这样的吗？

生：不确定。

师：同学们回答得很好，我们在任何情况下都不能以特殊的事例就得出普遍的规律。那么一般的曲线运动中速度方向又如何呢？

实验探究：在小钢球外面包一层薄薄的脱脂棉，在红墨水里浸泡一下（注意不要太浓），放在一张白纸上，给其初速度，然后选用磁性较强的磁铁控制小球沿任意曲线快速运动，观察其在白纸上留下的痕迹，如图1所示。

结论：物体做曲线运动时在任一时刻速度的方向沿轨迹的切线方向。

构建微元模型：图2中的B点逐渐靠近A点，AB与AF无限接近，说明了什么问题？

问题拓展：这些问题都是从宏观现象中提取的，那么在微观现象中成立吗？

通过猜想、观察、探究、理论分析，激发学生的学习兴趣，促进学生对物理概念、规律的认识与理解，在潜移默化的认知过程中不断积累对物质的性质、相互作用、规律、能量的认知能力，逐渐形成更高层次的物理观念（如量子观）。

二、提高学生的科学探究能力

学生最大的学习障碍是提不出问题，教师要提出问题或帮助学生提出问题，以积极的态度为学生创设一个良好的探究环境，激发学生探究的动机，再启发学生通过实验探究、理论分析，寻找证据，鼓励同学之间进行合作、交流，用物理语言做出定性解释和定量分析与计算。

教师提出的问题一定要符合学生的认知能力，如果超越学生的认知能力，那么提出的问题可以说是无效问题;相反，如果所提出的问题符合中学生的认知能力，就会激发学生的学习热情与探究欲望。

案例：我国高铁技术近几年发展特别得快，请学生根据自己外出旅游的亲身体验以及所学圆周运动知识，对火车安全转弯的速度做出理论分析与计算。

（一）火车转弯时安全速度的理论分析

提出问题：火车转弯时路面倾斜，如果火车的速度符合铁路设计要求，向心力由哪些力提供？画出受力图，并表示向心力F。

引导学生相互交流、讨论，先试着画出受力图，然后给学生板书、交流的机会，把自己思考的结论展示到黑板上（图3），关键在于把向心力画到沿斜面方向上了。

（二）火车转弯时安全速度的理论计算

展示问题：设一列质量为m的火车在倾角为θ、轨道半径为r的弯道上安全行驶，此时火车速度多大？

学生活动：交流、讨论，展示计算结果ν=。

定性分析：在弯道半径为r与倾角为θ确定的情况下，速度满足上述条件，火车行驶最安全。

（三）火车提速带来的实际问题以及解决的办法

设问：（1）假如你是火车司机，如果火车仍在原来修建的铁路上运行，但提速了，那么转弯处你该怎么做？

（2）假如你是铁路的设计工程师，火车提速，你在设计铁路弯道时该怎么做？

三、提高学生的科学思维能力

科学思维是物理学科核心素养的主要组成部分，是教学中的一个关键性要素，因此，教师在教学中要突出培养学生思考问题的方法和能力。正如斯金纳说的“当我们将学过的东西忘得一干二净时，最后剩下来的，就是教育的本质了”。这里的本质就是在教学过程中借助于概念、规律以及生活经验，逐步引导学生学会模型构建、科学推理、科学论证、质疑创新的科学思维方法与能力。

案例：探究太阳与行星间的引力。

问题1：太阳对行星的引力F跟行星到太阳的距离r有什么关系？

（1）假设行星绕太阳做匀速圆周运动，行星的质量为m，速度为v，行星到太阳的距离为r，则行星绕太阳做匀速圆周运动的向心力是多少？

（2）从天文观察中可以直接得到行星运动的速度v还是行星公转的周期T？它们之间的关系如何？

结论：F=m  ① ;T=  ② ;F=③

（3）不同行星的公转周期相同吗？如果不同，如何找到共性？

根据开普勒第三定律，=K  ④

化简③④两式可知，F=4π2K⑤

（4）对所有行星而言，K是常数，向心力F与行星的质量m、半径r之间存在怎样的关系？

從上面⑤式可以看出，F∝ ⑥

定性结论：太阳对不同行星的引力，与行星的质量成正比，与行星和太阳间距离的二次方成反比。

问题2：行星对太阳的引力

根据力的相互作用规律，太阳对行星存在作用力，那么行星对太阳也必然存在作用力，行星对太阳的作用力遵循怎样的规律？

定性结论：不同行星对太阳的引力，与太阳的质量成正比，与行星和太阳间距离的二次方成反比，即F∝ ⑦

问题3：太阳与行星之间的相互作用力

结合⑥⑦两式可以得出：F∝⑧

如果写成等式：F=G⑨

问题4：上述结论在月地之间是否成立？

设月球的轨道半径为r，地球的半径为R，r=60R

（1）物体在月球轨道上受到的引力F1与物体在地球表面附近受到的作用力F2之间的关系如何？

如果等式⑨在月地之间成立，则F1=F2

由F=ma可知，物体在月球轨道上运动的加速度a1，物体在地球表面附近下落的加速度a2，则a1=a2

（2）请学生查找数据，月球的轨道半径为r，月球的公转周期为T，月球公转的向心加速度是多少？

查找结果：r=384000km，T=27.3天，因此a1==0.029m/s2

（3）物体在地球表面附近下落的加速度a2大约是10m/s2，试比较a1和a2的大小关系。

a2=0.028m/s2，即a1≈a2

（4）问题4的论述说明了什么？

说明行星与太阳之间的相互作用规律在月地之间也是成立的，也进一步说明自然界的不同物体之间的相互作用规律是相同的，即万有引力。

四、培养学生的科学态度与责任

主要以教材中的“科学漫步与科学足迹栏目”为素材，引导学生多读物理学史，感受物理学史中涵盖的哲学思想、科学本质，使学生形成一定的方法论和认识论;让学生体会科学家对待科学的态度和高度的社会责任感，培养学生积极向上和致力科学研究的科学态度与责任。

案例：探究从对原子结构的认识到对核能研究与合理利用的过程。

问题1：人们对原子结构的认识经过了几个阶段？

问题2：请同学们谈谈对核能的认识。

问题3：请同学们谈谈我国“导弹之父”钱学森和“两弹元勋”邓稼先对我国国防事业的贡献。

通过对上述问题的探讨、思考与研究，引导学生体会科学家从研究原子结构到研究核能及合理利用核能的漫长过程中所付出的艰辛努力、严谨的科学态度和高度的社会责任感，培养学生正确对待科学的态度与责任。

参考文献：

[1]吴妙燕.学科核心素养在高中物理实验教学中落实的有效途径[J].高考，2018（22）：32-33.

[2]时春华.文化视野下高中物理的教学策略及思考[J]. 中学物理教学参考，2013（3）：2-7.