高中物理科学思维能力提升策略初探——以“生活中的圆周运动”教学为例

吴朝霞

(江苏省南京市宁海中学 210024)

《普通高中物理课程标准(2017年版)》对物理学科的核心素养进行了水平划分，其中对科学思维包含的模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素分别划分了五级水平维度.高中物理核心素养科学思维划分的各级水平,主要表现为学生在不同复杂情境中运用科学思维解决的关键特征，有由低到高逐渐递进的关系.笔者结合高中物理科学思维划分的水平维度和学科目标，把物理科学思维分解为情境转换、现象分析、证据意识、质疑创新四个要素，使得物理科学思维培养目标更为清晰和可操作.

要促进学生科学思维能力发展，就要结合教学和学生基础，合理设计教学目标，优化课堂教学环节,因材施教.“生活中的圆周运动”一节中火车转弯处外轨为何垫高及垫高后哪个力提供向心力，是本节的重点也是难点.本文针对物理教材特点和学生的认知规律，尝试探讨提升学生科学思维能力的有效途径和策略.

一、体验情景转换，激发学习兴趣

【思考1】让学生举出生活中还有哪些物体做圆周运动.

【设计思想】前几节课已学习了圆周运动，在此基础上提出这个问题，学生就会不自觉地思考我身边还有哪些物体是做圆周运动？同时展示实物自行车，让学生找出自行车中哪些部件是做圆周运动，然后再出示准备好的生活圆周运动的实例视频，让学生感知圆周运动伴随我们的生活，从而引入课题.这样很好地调动了学习热情和学生的学习兴趣，为学习本节课奠定创设良好的情境.

二、经历现象分析，认清事物本质

【思考2】请同学们介绍一下火车车轮的特点以及如何放置在铁轨上？

【设计思想】通过学生课题小组研究，介绍火车车轮特点，再用自制火车车轮和图片展示放大铁轨及火车轮特点.利用该实验培养学生自主学习的能力，观察分析的能力，合作探究的能力，激发学生学习热情和互助精神.为思考3作了很好的铺垫.

【思考3】如果火车转弯处内外轨无高度差时，谁提供向心力？

生：外轨对车轮缘侧向压力提供向心力

【设计思想】先利用已学过的汽车转弯静摩擦力提供向心力作为铺垫，学生利用类比方法很容易解决这个问题.

【算算看】如果火车质量为m=1500t，转弯半径为r=300m, 转弯速度为v=20m/s.则外轨对车轮缘侧向压力为多大？

生：(通过计算后让学生感知靠外轨对轮缘挤压提供向心力，会将铁轨挤断，后果不敢想象.让学生讨论交流应采取什么措施，这样很自然引入思考4.)

三、树立证据意识，大胆表达观点

【思考4】如果你是一位铁路设计师，在火车转弯处应采取什么措施才能避免火车车轮对铁轨挤压造成危害？

生：让外轨垫高一点

【设计思想】学生交流讨论，但对于为什么垫高、对于垫高后谁对圆周运动提供向心力，学生心中依然有挥之不去的谜团，这也是本节学生学习的难点之一.接着播放外轨垫高动画，通过动画引导学生分析外轨垫高后哪个力会对火车转弯提供向心力有帮助.

【思考5】外轨垫高后转弯时的运动平面是水平的还是与斜面平行的？

【设计思想】搞清火车在哪个面内做圆周运动是分析外轨垫高后向心力来源的基础.另通过实物“小火车转弯”实验，让学生观察讨论，明确火车是在平行于地面的平面内做匀速圆周运动，从而突破难点之一.也为分析思考6奠定基础.

四、敢于质疑创新，多视角审视检验

【思考6】若内、外高度差对应倾角为α，转弯半径为R，火车的速度为多大时，恰好无侧压力？

生：支持力的一个分力提供向心力

【设计思想】在思考5的基础上，通过计算让学生感受火车内外的高度差所对应的倾角、火车转弯半径以及转弯速度满足上述条件时，确实是由支持力的一个分力提供向心力，从而解决思考3中“算算看”中所造成的危害性，同时也真正知道思考4所采取的措施是正确的，从而突破难点之二，解开学生心中的谜团.该处对培养学生思维能力是很有帮助的.

【设计思想】进一步强化巩固思考6，接着视频、图片展示2008年4月28日胶济铁路事故.在转弯处规定速度为80km/h，事故后专家计算分析当火车在该处转弯速度达到131km/h.从而也看出有些事情可以创新，有些事情必须按章办事，这个教训是惨痛的，渗透情感教育.

本节课以学生为主体，教师为主导，按照科学思维四要素来设计教学方案.同时通过小组合作、模型展示、实例类比、理论分析等方法从浅入深、从易到难、层层分解来突破难点.有效地对学生进行了思维训练，也促进了思维由低阶到高阶的进一步发展.