指向科学思维的高中物理“开学第一课”活动设计

何正杨

(浙江省温州市第五十一中学, 浙江 温州 325014)

开学第一课即序言教学的重要性不言而喻,利用“首因效应”可建立良好的第一印象,为后续教学定下基调。人教社2019年版高中物理教材以《物理学:研究物质及其运动规律的学科》作为序言开篇,其内容包括:物理学研究的特点、物理学背后的科学精神、物理学的应用、物理学的未来等。本文以高中物理课程目标为指引,通过对教材序言内容进行系统分析,确定以质疑—寻证为主线,以科学思维为指向,开展序言课教学实践。

1 设计思路

开学第一课需要解决的问题很多。在有趣、有用的前提下,为寻求与课标、教材、后续教学的“三结合”,笔者将上述目标统筹整合,把其中不重要、不紧急的部分移至后续教学中落实,确定以科学思维为本课教学重点,通过创设与学生前概念、生活经验、思维定势相冲突的物理情境,初步要求学生“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。”[1]

1.1 教学“明线”——物理学与物理情境

由口罩热气球到里拉斜塔、神奇的摆、趣味电磁实验,点出高中物理必修教材涉及的范围,激发学生的兴趣。

1.2 教学“暗线”——冲突、质疑、寻证

每一个实验情境对应一个认知冲突,在冲突中引发学生的“质疑”,运用实验与数学工具进行“寻证”,让学生初步体验模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新,发展学生科学思维能力,并致力于把这种“大胆质疑”“小心求证”的观念和态度转化为学生后期学习过程中的行为准则,彰显物理学科的育人价值。

2 指向科学思维的序言教学活动设计与实践

2.1 “口罩热气球”的真伪

情境创设：学生在初中已经学过热胀冷缩,空气受热膨胀后密度会减小,进而上升,疫情防控期间有人据此制作了口罩热气球,播放“点燃蜡烛后口罩上升”视频(图1)。大部分学生露出惊奇的表情,表示回家也想试试。但也有学生提出:这个实验可能不真实。

图1

师:刚才有同学对视频中的现象提出了质疑,这点非常好。网络上也有人提出了质疑(图2),但是同时有更多的人上传视频,表明自己仿制成功了(图3)。

图2

图3

师:能否通过你的观察和思考判断这个实验的真伪?

师:能否通过你的观察和思考判断这个实验的真伪?

学生通过观察讨论,发现了一些蛛丝马迹:图2中口罩形状不像热气球那样饱满,好像有线吊着;图3成功的视频中口罩顶部都不在画面中,可能有人拿着……有学生提出蜡烛的火苗微弱,不足以让口罩上升。

小结：观察和思考是高中物理学习中十分重要的方法。历史上许多物理学家如“神探”般寻找线索,抽丝剥茧,探索自然奥秘,揭露事物现象的本质。他们都有着共同的特征,就是善于观察和思考。当然,侦探们还有另外有效的“侦察”方法——实验。

2.2 “里拉斜塔”的探究

情境创设：播放叠木块视频(图4),视频中称可以让最上面一块木块完全超出桌面边缘。

图4

生:整个木块不可能完全超出桌面边缘。

教师展示里拉斜塔图片(图5)。

图5

师:这图片是真的吗?

生:可能是真的。

师:利用科学实验来寻找证据,为我们的设想提供支持,这是物理学研究的重要特点。

前、后桌四位同学组成一个小组,为每个小组提供木块若干(可用探究摩擦力实验中的小木块代替),尝试用实验来探索能否实现将最上方木块完全伸出桌面边缘。学生动手操作,经过细致实验都能实现图6效果。

图6

小结：能勇敢去质疑所见的真伪,并能通过实验进行求证,这种精神和思维对今后的物理学习十分重要。接下来的物理必修一学生会学习运动和力的相关知识,到时候就可以用重心的概念来解释这个奇妙现象。

2.3 神奇的牛顿摆

情境创设：展示牛顿摆(图7),抬起最右边一个小球碰撞其他小球。先让学生猜测现象,再进行演示。

师:为什么会呈现出这样的对称美呢?我们先来研究一个摆。

演示“大胆的游戏”——摆球砸脸。利用教室投影仪支架,悬挂一个大摆球。摆球拉至贴到教师脸后释放(图8)。教师站定,在学生一片惊呼声中安然无恙。

图8

师:这里面蕴含着怎样的规律?

生:球刚好回到原来高度。

师:小球似乎“记得”原来的高度,这里面隐藏着一个守恒量——能量。

生:能量守恒!

教师继续演示牛顿碰撞摆,同时拉起边上的两个球释放。让学生先分析、猜测,再演示现象。

生:会有两个球弹起。

师:若同时拉起三个球碰撞剩余两个呢?

适当留时间给学生讨论,然后他们发表猜测见解,相互质疑。学生会有以下猜想:弹起三个、弹起两个、全部弹起,说明依据,进行辩论。不一定能得到“答案”,但在此过程中学生寻找证据和理由来支持自己的观点,思维和表达都得到了锻炼。最后教师演示,依然是呈现出对称之美。

小结：学生自发地进行合作学习,在相互质疑中达成共识,这在科学规律得出的过程中经常会发生。这也是高中物理学习中的一个重要方法,实验中蕴含着能量与动量守恒,在后续物理选择性必修1中会涉及。

2.4 电与磁的相互转化

情境创设：将耳机插入“小蜜蜂”扩音器话筒接口。

师:你看到的虽然是个耳机,但是它可用作话筒。我对着耳机说话,你可以听到扩音器传出来声音,相信吗?

生:不相信。

展示动圈式话筒与动圈式扬声器结构图,让学生观察内部的特点。再次让学生判断对着耳机说话,扩音器是否能发出声音。

生:我觉得它俩有点像。

在学生期待中展示实验现象,“小蜜蜂”中传来微弱但是可以分辨的声音。由此介绍19世纪初科学家对于“电生磁”和“磁生电”的探究。

小结：物理现象和知识并不是孤立的,正如电与磁,运动与力等等都是相互联系的。在今后的学习中我们要用发展、联系的眼光寻找“证据”,不能只着眼于当前。

3 教学反思

以上的活动和探究都指向了物理“学什么”和“怎么学”这两个问题。本课从物理学科核心素养中的科学思维切入,让学生领悟到“敢质疑”和“讲证据”在物理学习中的重要性。

本课中学生的质疑和寻证都是在教师的引导下进行的,虽然没有实质性的主动质疑和创新,但教学不能操之过急。开学第一课先埋下一颗敢于质疑、乐于质疑的种子,在接下来整个高中阶段的教学中,教师要注重落实立德树人根本任务,切实将物理学科核心素养的培养贯穿在整个物理课程的实施中,这颗种子终会发芽。正如课本序言的结尾所讲:“多数同学今后未必进行基础学科的研究,但是,不论从事什么职业,高中物理积累的学科知识,学到的科学方法和实事求是、讲求逻辑的理性科学精神,都将会使你终身受益。”这也回答了“为什么”要学物理这个问题。