指向学科核心素养培养的实证案例研究

摘 要：物理知识的内化、科学思维的形成、创新热情的激发、探究实验的进行，是物理学科核心素养培育的基本路径.以“天问一号”成功发射为例，结合教材中典型问题的教学处理，落实学科核心素养的渗透，为教师教学中学科核心素养渗透和学生核心素养培养提供实证借鉴.

关键词：学科核心素养;实证案例;天问一号

中图分类号：G633.7     文献标识码：B     文章编号：1008-4134（2021）13-0047-02

作者简介：郭乐水（1964-），男，山东淄博人，本科，中学高级教师，研究方向：物理教育教学理论、课堂教学改革与评价.

学科核心素养是学科育人价值的集中体现，是学生通过学科学习而逐步形成的正确价值观、必备品格和关键能力[1].通過基础概念辨析深化物理观念，结合情境分析提升科学思维品质，针对实际情境探索激发科学探究精神，运用科技前沿典型案例培养严谨的科学态度和社会责任，是物理学科教学的愿望.

2020年“天问一号”火星探测器的成功发射，为物理教学中学科核心素养渗透提供了典范性案例.

1 由“天问一号”结构分析，促进学生物理观念形成

“天问一号”火箭最上端是火星车整流罩如图1所示.当运载火箭在大气中飞行时，火星车整流罩用于保护火星车及其它有效载荷，以防止火星车受空气阻力吹动、摩擦生热等环境的影响，它是运载火箭的重要组成部分.整流罩的结构尽管极其复杂，但其前端形状类似倒扣光滑圆锥曲面.

整流罩外形设计有许多准则，其一是使空气阻力抖振最小，这样不仅利于火星车的保护，而且易控火箭运行方向.否则就像一张纸片、一片树叶从高空飘荡摇曳落下一样.其二是减小空气阻力，从而减少克服空气阻力做的功，达到减少携带燃料、减轻火箭重量的目的.运载火箭在大气中飞行时，空气阻力的大小与火箭相对空气的运动速度v有关，与大气稀薄程度即空气密度ρ有关，与火箭迎风面积S有关，空气阻力的大小为f=12CρSv2.其中空气阻力系数C和火箭整流罩的迎风面积、光滑程度及整体形状有关.

这样的教学案例，有利于在实际问题教学情境实践中，培养学生理解分析和探究实践能力，升华物理概念，构建物理模型，梳理相关影响因素，从而找到解决问题方法，逐步形成更高层次的物理观念.

2 由“天问一号”巡天探究，培育学生科学思维品质

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物理模型的抽象概括过程.教学中要善于运用情境分析提升学生的综合分析能力、空间想象能力、科学推理能力、模型建构能力，从而健全物理思想，促进科学思维发展.

2.1 文昌发射地点有优势

“天问一号”火星探测器在海南文昌发射场发射，文昌航天发射中心是我国距离赤道最近、纬度最低的发射点（北纬19度19分），因其低纬度区位优势，能借助接近赤道的较大线速度，以及惯性带来的离心现象，使火箭燃料消耗大大减少.

海南文昌地球自转线速度v=2πRcosθT（ 其中，R是地球赤道半径，θ为地理纬度），大约440m/s.借助地球由西向东自转的惯性向东发射.类似于在高速行驶的列车上，向列车行驶方向的正前方射击的子弹，子弹相对地面的速度是子弹相对于枪口的速度和列车行驶速度之和.

2.2 天体运行的客观规律

在太阳系这个“大操场”上，地球和火星分列三、四道，逆时针绕着太阳旋转，公转周期分别为365天、 687天，推测地球和火星处于最近点的时间间隔约为780天，约26个月.

2020年10月14日呈现“火星冲日”的天文学现象，火星、地球和太阳三者所处的轨道位置大致在一条直线上，火星和地球的距离相对最近.因地球、火星探测器、火星三者同时在各自的轨道上独立运动，所以要提前发射，如图2所示.如同坐在转盘上对转盘外相对地面静止目标射击一样，况且火星还在旋转.火星探测器最佳的发射时机是“火星冲日”之前两个月左右.因此我国“天问一号”选择7月23日发射.

2.3 巡天原理及艰辛历程

“天问一号”探测器组合体被直接加速到超过11.2km/s的地球逃逸速度，摆脱地球引力进入地火转移轨道，成为绕太阳公转的人造卫星.它利用惯性，在太阳、地球、火星三者与火星探测器间的万有引力共同作用下飞行.期间，经历了多次的轨道修正、轨道机动、轨道“刹车”.

火星的第一宇宙速度是3.53km/s，“天问一号”进入火星大气层时速度约为4.9km/s.若制动时机把握不当，要么会因速度过快与火星擦肩而过;要么会因速度过慢坠毁在火星上.“天问一号”在接近火星的时候，抓住时机制动，完美“刹车”降速，成为火星的一颗人造卫星，其轨道为近火点高度约400km、远火点高度约180000km、周期约10个地球日的椭圆轨道.随后调整进入火星极地轨道，再“刹车”进入停泊轨道，开启了为期3个月的环绕勘测.

“天问一号”的发射，充分利用了地球自转惯性线速度和万有引力作用，既缩短了飞行历程，又节省了更多的燃料携带.以及在“天问一号”即将到达火星时的完美“刹车”被火星捕获等情境中，引导学生提升构建模型、科学推理、科学思维的能力.

3 由“天问一号”火星绕落，培养学生科学探究能力

科学探究是基于观察和实验提出物理问题、设计实验方案、处理信息并得出结论.教学中开展借“天问一号”测火星质量、模拟着陆器着陆实验等科学探究活动.同时，利用“天问一号”的发射激发学生的创新热情和社会责任感.

3.1 “天问一号”绕火星运动测火星质量

“天问一号”探测器停泊轨道周期约2个火星日 （一个火星日平均时长是24小时39分）.将停泊轨道视为圆轨道，由GmMr2=m2πT2r可得火星的质量M.其中，G是万有引力常数，T是“天问一号”停泊轨道周期，r是轨道半径.

3.2 模拟着陆器避障悬停探究反推力

“天问一号”着陆器和火星车的总重约1.3吨，在着陆时探测器会进行避障悬停，这时发动机向下喷火以获得反推力如图3.避障悬停简化为平衡静止状态，由受力分析可知，反推力F等于着陆器和火星车的总重力mg，即F=mg（其中m=1300kg，g是火星表面的重力加速度）.火星的直径约是地球直径的12，火星的质量约是地球质量的19，由万有引力GmMR2=mg，可得火星表面的重力加速度g火=49g地，从而得反推力F.

4 结束语

“天问一号”的成功发射对中学生来说，看似遥不可及，没有任何关联，实则与中学物理教学息息相关，其一系列的工作原理与高中物理知识教学有着密切的联系，是高中物理知识的延伸与应用.

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）[M].北京：人民教育出版社，2020.

[2]曹宝龙.课堂教学中落实物理学科素养的关键问题[J].中学物理，2019，37（17）：9-12.

[3]晋文梅.高中物理教学中培养学生物理学科核心素养的探索与实践[J].中学物理，2018，36（19）：35-38.

（收稿日期：2021-04-25）