核心素养理念下培养学生科学思维的教学研究

摘 要：本研究以人教版选修3-5《反冲运动 火箭》的教学为例，阐述基于培养与发展学生物理核心素养的旨向，如何在教学设计与课堂教学活动中渗透与实践学生科学思维的发展.

关键词：科学思维；课堂教学；反冲运动

作者简介：朱宁宁（1989-），女，北京人，硕士，中学二级教师，研究方向：中学物理学科教学.

当代教育变革的主题是促进学生核心素养的发展.物理学科核心素养是学生在接受物理教育过程中逐渐形成的适应个人终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力，是学生通过物理学系内化的带有物理学科特性的品质，是学生物理学科核心素养的关键成分.物理学科核心素养主要有“物理观念”、“科学思维”、“实验探究”、“科学态度与责任”等四个要素构成. “科学思维”是从科学视角对客观事物本质属性、内在规律及相互关系的认识，是分析综合、抽象概括、推理论证等科学思维方法的内化；是基于事实证据和科学推理对他人观点和结论进行质疑、批判，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.本文以《反冲运动 火箭》一节的教学研究为例，探讨基于核心素养理念，如何在物理课堂教学活动中促进学生科学思维的发展.

1 教学过程与培养学生科学思维的体现

1.1 观察现象与提出问题

通过观察“气球运动”、“盛水容器转动”实验及生活中的一些类似现象，分析这些现象的共同特点，既激发与调动了学生参与课堂研究的积极性，同时渗透着培养学生观察、分析、归纳、概括等能力，有助于逐步培养科学推理等思维能力.

1.2 概括特点与探索规律

1.2.1 概括特点

教师：（引导思考与交流）以上现象中物体的运动都有什么共同特点？

学生通过对多种相似现象的剖析、归纳与交流讨论，能够总结出这些现象都具有“系统分离出一部分物体后，剩下的另一部分物体向反方向运动”的特点.

教师：（概括）物理学把具有这一特点的现象叫做反冲，既“物体在内力的作用下分离出一部分物体，另一部分物体朝反方向运动.”

在基于现象归纳特点的環节，留给学生充足的时间展开分析与讨论，进行激烈的思维碰撞与交流活动.这一教学活动的安排，既遵循与体现了学生探究与获取知识的主动性；又指向了培养学生分析归纳大量现象的共性，有助于分析综合、抽象概括等思维的发展.

1.2.2 探索规律

教师：（引导思考）大量相同的现象背后一般可能蕴藏着一定的规律.那么，反冲现象蕴含着怎样的物理规律呢？

学生展开激烈的讨论交流，讨论范围涉及牛顿运动规律角度、能量角度、动量角度等.在此基础上，教师适当引导，同时提出引导性问题.

教师：（问题引导）为什么静止的物体喷出一部分物体后，另一部分物体会获得反方向的速度呢？

学生再次陷入讨论，发现用动量守恒的观点解释各系统中所涉及的反冲现象时，所有的问题均迎刃而解，思路清晰.最终总结得出所有的反冲现象均满足系统动量守恒定律.

在探索规律的过程中，同样安排留给学生充足的时间进行分析讨论、剖析论证等思维活动的开展.这一教学过程的设计，有以下三处突出优势：一是遵循了物理规律获得的一般过程，学生基于大量现象共性的探究而得出规律；二是学生在推理与论证过程中尝试从多种角度分析问题，最终通过解释论证了从动量的角度分析物体间的相互作用，有助于学生逐渐形成与丰富对物质的相互作用观的认识，从而有助于学生物理观念的形成；三是学生通过反冲现象蕴含规律的分析推理、观点交流的过程，有助于逐步培养科学推理、解释论证等科学思维能力，达成了在教学过程中潜移默化地促进学生科学思维培养的核心素养目标.

1.3 规律应用与问题论证

情景1：演示实验——自制教具“大炮的发射”（图4）

教师：发射“炮弹”时，炮身为什么会后退？（学生容易分析得出，炮身由于反冲而会获得向后运动的速度，故而后退.）

教师：（追问）炮身的反冲可能与什么因素有关？如何求炮身获得的反冲速度？

学生在分析交流中，涉及到可能影响反冲后退速度与后退距离大小的多种因素，基于这些影响因素，学生难以准确分析“如何求炮身获得的反冲速度”.

教师：（引导）当我们要面对与研究实际生活情境中的问题时，会有多种因素影响着我们的研究.通常情况下，首先我们要对生活中的物理问题进行忽略次要因素，考虑主要因素，既进行抽象简化，创设围绕主要因素的物理情境，将生活问题转换成物理问题.既建立物理模型的过程.

带领学生抽象简化情境，建立动量守恒定律的物理模型：“一门大炮，炮身质量为M，炮弹质量为m.炮弹水平射出时相对于地面的速度为v0，不计炮车与地面的摩擦，求炮身向后反冲的速度v.”

学生在规范作答的情况下，能够基于炮身与炮弹的系统动量守恒，推导得出“炮身速度v=-m v0/M”.

教师：基于结果分析，如何能够减小反冲对大炮的影响？

学生根据炮身速度v=-m v0/M，很容易分析论证：减小炮弹的质量，增大炮身的质量均能减小发射炮弹时反冲对大炮的影响.

教师：（联系实际）有谁了解当前在军事科技上控制或预防反冲对大炮影响的措施？

学生基于自己的课外了解情况，展开介绍与解释.同时教师展示当前大炮预防反冲措施的图片（图5），包括缩头炮以及设计液压缓冲器、止退犁、履带等方式，一方面验证学生的猜想，另一方面拓展学生学习的广度.

这一教学情境的设计与教学过程的开展，实现了对学生刚刚获得的物理概念和规律的实践应用；同时关注了对学生进行STSE教育，体现了从生活走向物理、从物理走向生活；又在潜移默化中促进了学生科学思维能力的发展，包括培养创设物理情境与建立物理模型的意识、基于证据对问题进行分析解释、推理论证的能力.endprint

情景2：演示实验——自制教具“水火箭”（图6）

教师：（引导学生观察）水火箭是如何飞出去的？

航天科技中的火箭又是如何飞上天的呢？（联系科技播放我国火箭发射升空的视频）

教师：火箭的发射与水火箭是否相似？

教师：（追问）火箭的速度可能与哪些因素有关？

教师：（追问）你认为火箭的飞行满足什么规律？其飞行的工作原理是什么？

教师：（追问）如何求火箭获得的速度？

追问的设计，为学生思考与分析火箭速度问题搭设了思维台阶，引导学生对现象进行比较、分析，对问题进行解释、预测等.这样一来，学生比较容易分析出，火箭的发射与飞行是一种反冲运动，火箭的工作原理就是动量守恒定律，从而能够预测猜想影响火箭速度的可能因素.最后的问题“如何求火箭获得的速度？”指向引导学生再次建立模型，运用规律进行推理论证.

引导学生结合实际情况，将火箭升空的过程抽象简化，建立符合题意的物理模型如下：“火箭喷气前的总质量是M，假设火箭准备起飞时在极短时间内喷出燃气后，其质量变为m，喷出燃气的速度相对于地面是u，计算火箭在喷气后增加的速度△v.”

为方便学生较好地理解火箭获得速度的过程，本情境选取为火箭准备起飞的过程，参考系选取为地面，且设计了如表2所示的表格，以有助于学生的思维分析.

学生基于表格的填写与运算，能用动量守恒定律求出火箭增加的速度表达式，并且根据结果，能够分析得出，影响火箭速度的因素有两个：Mm和u.

教师：总结火箭速度影响因素有喷气速度u和火箭质量比Mm.

教师：根据研究结果和你的了解，现代科技上采取什么措施能够提高火箭的速度？

（学生交流）

教师：（播放嫦娥一号发射的模拟视频）观看视频，验证与总结提高火箭速度的措施.

学生观看视频，能在引导下总结出当前处理方法：一是火箭尾部捆绑助推器，增加喷出燃气的量；二是设计多级火箭（图7），燃料燃烧后抛掉空的燃料箱，增加质量比.

教师：论证为什么多级火箭能够提高最终速度？

引导学生分析论证“假设有两枚火箭（总质量、所装推进剂的量均保持一样）第一枚是单级火箭，发射质量是2t，其中推进剂1.5t；第二枚为二级火箭，各重1t，每级均装有0.75t的推进剂.”但后者的火箭质量比是前者的2倍（8∶4），所以，分级火箭有利于提高火箭的最終速度.

同时说明级数过多会影响火箭的整体强度，并有复杂的技术问题.一般常用两级或三级火箭发射运载人造地球卫星.从而介绍多级火箭的构造与用途，以及我国具有不同运载能力的长征系列运载火箭的不同用途，介绍我国火箭研究、航空航天事业的发展历程与成果，以进一步拓展学生的知识广度.

这一教学情境的设计与教学过程的开展，既是对反冲现象概念和规律的再次深化应用，更是对学生科学思维的进一步培养.该环节再次让学生主动经历了物理模型建构的过程，经历了基于推理论证进行预测与解释现象的过程.

综合而看，“规律应用与问题论证”这一教学过程的设计与实践，达到了以下三点目标：

（1）学生在观察实验、分析解决问题的过程中，体现了对物理概念与规律的学以致用；同时结合当前军事及航天科技上的发展，体会物理规律在科技上的体现和实用性.

（2）反冲的防止与应用，一反一正两个案例的教学对比，无形中渗透给学生反冲现象有利有弊，学会一分为二的看问题，使分析问题时思维有所突破.

（3）学生经历抽象建立物理规律模型，基于分析推理解释反冲的防止或利用现象，利用结论依据论证如何防止或利用反冲问题等过程，逐渐渗透着对学生科学思维的培养.

2 教学反思与总结

本节课的教学设计与课堂教学过程，一直秉持以下三点原则：（1）用实验创设情境；（2）以问题驱动思维；（3）在观察、讨论、解释、论证等学生活动中培养思维能力.基于此，逐步渗透与实现学生物理学科核心素养各要素的培养与发展.

科学思维的培养特别依赖于问题情境的创设，当将物理概念规律的学习与真实的物理情境联系起来，并以问题引导的方式驱动学生的思维活动展开学习研究时，才能更好的实现概念规律的灵活应用，科学思维才能得以发展.因此.本节课中坚持用实验创设情境，包括得出概念的情境与规律探索的情境；同时，本节课中精心设计各个问题及追问问题，力求问题符合学生的思维发展，为必要的思维活动搭建问题台阶，从而逐步引导学生展开对物理规律的探索及物理现象的推理论证；此外，课堂特别注重学生的思维阐释与表达，有意识地引导学生进行观察分析、总结概括、解释说明等交流与观点表述活动，从而逐步培养学生用科学思维分析与解决各种问题.

下面从科学思维要素的角度，总结本课堂教学中对培养学生科学思维的渗透教育.

（1）模型建构：通过对发射大炮与火箭等生活情境的抽象简化，抓住研究问题的主要因素，忽略次要因素，建立动量守恒定律模型，进而研究发射过程中炮身或火箭获得的速度.渗透了科学思维中模型建构要素的培养.

（2）科学推理：通过对大量生活现象的分析综合、归纳概括与科学推理，从而得出反冲运动的概念与所满足的物理规律；之后运用该规律对发射大炮与火箭飞行等反冲现象进行解释.学生的这些思维活动过程直接体现了科学思维中科学推理能力要素的培养与发展.

（3）科学论证：学生基于推理得出的炮身或火箭速度表达式，对如何减小或增大反冲现象的效果做出判断并加以表达阐述；并且批判性地使用证据描述与解释反冲的利弊，分析论证多级与单级火箭的优劣.这些思维活动过程指向了科学思维中科学论证能力要素的培养与发展.

（4）质疑创新：本教学活动中，学生在多次的讨论交流中，能基于自己的证据和逻辑对他人的观点和结论进行质疑和批判，从而逐渐培养学生的批判性思维意识，而非一味地盲从与接受；在如何设计装置或构造，使其能够防止炮身的反冲或增大火箭的反冲的设想交流中，学生敢于从不同角度思考问题，追求创新.这些活动中学生的思维表现渗透着科学思维中质疑创新能力的逐渐发展.

参考文献：

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