依托物理综合实践活动培养高中学生科技素养

石勇

[摘 要]国家教育方针指出，学校要以学生的全面发展为本，以提高学生的科技素养为主要目标，使学生在亲身体验和实践探究过程中形成初步的技术能力。高中物理综合实践活动由于具有极强的开放性、实践性和综合性，能够与科技教育充分融合。文章以2020年5月27日中国测量珠穆朗玛峰（简称珠峰）高程为例，从新课程改革的角度阐述通过物理综合实践活动培养高中学生科技素养的途径和方法。

[关键词]高中学生;综合实践活动;科技素养

[中图分类号]    G633.7        [文献标识码]    A        [文章编号]    1674-6058（2022）02-0052-04

一、科技素养的内涵

2017年版课程标准指出：（1）高中物理课程在内容上注重与生产生活、现代社会及科技发展的联系，反映当代科学技术发展的重要成果和科学思想，同时关注物理学的技术应用带来的社会问题，培养学生的社会参与意识和社会责任感。（2）教师应指导学生有效阅读相关的科技文献，拓展学生的知识面，激发学生的学习热情，培养学生主动探索科学问题的意识与能力;教师可指导学生对某一科学问题进行相关的文献搜索、阅读与综述，使学生初步学会利用文献探索问题的研究性学习方法。（3）要充分挖掘科技影视片的教育功能，利用科技影视片拓宽学生的科技视野，了解科普常识与科技前沿问题，培养学生的科技素养[1]。

那么，高中学生应该具备什么样的科技素养呢？高中学生的科技素养是指学生了解科学技术知识、掌握基本的科学方法、拥有科学思想、具备科学技术精神、坚持科学技术发展观，以及应用它们处理日常生活、学习、工作中相关问题的能力和参与公共事务的能力。我国高中学生科技素养包括科技意识、科技知识、科技能力、科技道德等内容（如表1）[2]。

二、综合实践活动与科技素养的关系

高中物理综合实践活动主要有下列3个特征。

（1）活动具有物理性，更具有学科综合性。活动涉及的知识必须有物理知识，但不光是物理知识，可能会涉及语文、数学、信息技术、美术、工程学等相关知识。

（2）活动具有实践性，更具有可操作性。强调让学生参与活动，让学生动手，让学生亲身体验，忌空洞说教，忌用枯燥的课堂教学代替丰富的实践活动。

（3）活动具有交流性，更具有合作性。活动的本质是交流，交流是思维的碰撞，是创新的源泉。交流不是思想的分歧，而是思想的分享和融合。

由于物理本身与生产、生活实际紧密相连，特别是当今世界格局下，高科技产品更需要物理技术支持。加之，物理综合实践活动具有极强的开放性、实践性和综合性，因此，依托物理综合实践活动的开展能有效提升高中学生的科技素养。

三、利用综合实践活动培养学生科技素养的案例

综合实践活动非常强调将课程知识与生产、生活、科技有机结合起来，力求通过真实的情境，引导学生从理论走向实际，提高学生分析问题和解决问题的能力。比如2020年5月，我国再次对珠峰的高度进行了精确测量，其中一种方法是通过使用重力仪测量重力加速度，进而间接测量海拔高度，显然该信息显示了我国在测量方面的重大突破。针对此信息，我们可以沿两个途径开展高中物理综合实践活动，培养学生的科技素养。

方案设计一：设计重力仪

活动目标：培养学生的科学探究能力和实践操作能力。

活动途径：方案设计、交流评议、市场调查、模型制作。

活动步骤：

第一阶段，方案设计。分小组设计测量方案，并根据原理确定需要的器材，做实验，测出相应的数据。一般来说，通过已有知识，学生比较容易想到测量重力加速度常用的5种方案（见表2）。这些方案能有效提升学生的发散性思维能力。

第二阶段，交流评议。首先让每个小组代表上台阐述本组的设计方案，并展示本组的测量结果;然后分析各个方案的优劣、误差来源以及减小误差的方法;最后提出改进措施。可以从以下两个方面思考。

（1）从测量工具上改进：a.改用精密度更高的游标卡尺测量纸带上两点之间的距离;b.改用拉力传感器测量物体重力;c.利用拉力传感器或电压传感器测量单摆周期。

（2）从测量方法上改进：a.多次测量求平均值;b.应用逐差法求解;c.应用图像法求解，如分别作[h] - [t2]图像、[v] - [t]图像、[T2] - [L]图像，然后利用斜率即可求得重力加速度。

第三阶段，市场调查。在现代生活中，为了提高某一物理量的测量精度，通常采用传感器。那么，如何设计重力仪呢？首先要调查研究。调查常用的测量加速度的方法和原理。

第四阶段，模型制作。根据学过的知识，让学生独立制作加速度传感器模型，并展示交流。通过模型制作活动，帮助学生将理论知识与生产、生活结合起来，提高学生的动手能力和实践操作能力。

方案设计二：测量珠峰的高度

活动目标：培养学生将多学科知识融合在一起的能力以及科学态度与责任感。

活动途径：理论研究、小组研讨、文献研究、汇报交流。

活动步骤：

第一阶段，理论研究。根据万有引力定律，在不考虑地球自转的影响，以及把地球视为质量均匀分布的理想化球形的情况下，可知物体受到的万有引力等于物体的重力。根据此理论，重力加速度与物体离地心的距离的二次方成反比，即[g=GM（R+h）2]（[R]为地球半径，[h]为物体距离地球表面的高度）。學生比较容易从理论上得知，在已知地球质量和半径的前提条件下，只要测定珠峰山顶的重力加速度即可。

第二阶段，小组研讨。让小组探讨上述测量方案的可行性。首先，地球本身不是标准球形，而是椭球形，准确地说，是一个两极稍扁、赤道略鼓的扁球形。地球上不同的地方，地球半径实际上不一样。通过网络搜索可知，地球半径最小值约为6357 km，最大值约为6378 km。其次，由于地球自转的影响，除南北两极外，物体的重力与其受到的万有引力在数量上并不相等。因此，想通过重力加速度精确计算出珠峰的高度，实际上是很难的。

第三阶段，文献研究。利用课余时间，让学生上网查阅实际测量珠峰高度的方法。同时给学生提出以下思考题。

思考1.如何定义珠峰的高度（测量学上叫高程）？每个地方的高程方向是否相同？

思考2.测量高程主要有哪些方法？原理如何？

思考3.历史上测量的珠峰高程数值如何？

经查阅，关于高程的定义，是这样规定的：某点沿铅垂线方向到基准面的距离，称高程。我国现在用的“1985国家高程基准”中，采用的是青岛验潮站的18年长期观测结果计算出来的平均黄海海水面，作为我国统一的高程起算基准面，也就是海拔零起始面。珠峰的高程实际上就是在珠峰的重力线上相对于青岛黄海平均海平面的海拔高度，简称“高程”。实际操作中，经过几代测绘人的积累，全国各地都已经测量了海拔高度已知的基准点，建立了完善的坐标网络，从这些基准点出发，测量就不需要每一次都回到高程起算基准面从头测量。珠峰的测量就是从位于西藏拉孜的基准点开始的。

在历史上，有多个国家多次采用不同的方法对珠峰高程进行测量（見表3），也存在不同的优缺点（见表4）。

通过上述文献研究，教师要积极引导学生形成正确的科学观。

1.理论在实践运用过程中要考虑多种因素的影响。看似原理简单的珠峰高程测量问题，真正实施起来，并不那么容易，往往要考虑多种因素的影响，比如大地水准面偏差、重垂线偏差等。“正高”是理论值，不易测量，通常用“正常高”代替。

2.在解决实际问题的过程中，不仅需要高深的物理知识（重力场分布）、天文知识（天文测量经纬度）以及精密的设施设备（全球卫星定位系统、重力仪、雪深探测仪），还需要丰富的地理学（大地水准面、似大地水准面）、数学知识（椭球面、三角测量、水准测量）和测量学知识（正高、正常高、大地高概念）。

3.科学研究来不得半点虚假，要有实事求是的精神，要有刻苦钻研、勇攀高峰的精神，要有敢于质疑、敢于打破“权威”的勇气，更要有独立自主、自强不息的精神。

第四阶段，小组交流。根据收集的材料，可组织学生讨论以下几个问题，加强对学生进行爱国主义和责任意识教育。

问题1.都21世纪了，为什么还需要攀登珠峰？

我们知道，GPS只能测量大地高，无人探测机在珠峰极寒天气条件下无法正常飞行，而且雪深探测仪、重力仪、觇标必须有人带到山顶，这些因素决定了必须有人登顶珠峰。

问题2.我国多次测量珠峰高程，而且耗资巨大，请问意义何在？

珠峰地处中国与尼泊尔边境，一直存在主权纠纷。在相当长的一段时间内，印度对珠峰的测量抱有极高的“热情”，而且多次主导珠峰高程测量。此次重测珠峰高程，表明我国有能力精确测量自己国家山峰的高度，同时也有宣誓主权的重要意义。

四、归纳总结

通过本案例分析表明，物理综合实践活动是培育学生科技素养的重要途径。物理综合实践活动不再局限于课外活动范围，完全可以将课堂教学内容与综合实践活动有机结合起来，这样有利于学生把物理知识与生产、生活、科技联系起来，有利于学生把物理知识与跨学科知识综合起来运用。以物理综合实践活动为切入口，充分激发学生的好奇心和调动学生的学习积极性，是一种微型创新，具有真实性和可操作性。对于如何通过物理综合实践活动培养学生的科技素养，本文给出了一个可操作的方案。综合实践活动将是推动我国新课程改革的一门主要课程。

[   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）[M].北京：人民教育出版社，2018：74-75.

[2]  黎刚，曹卫真.青少年科技素养评价指标体系的构建[J].科技传播，2015（17）：165-167.

[3]  常吉庆.历次珠峰高程测量情况简介[J].测绘通报，2005（10）：2-6.

（责任编辑 易志毅）

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