融通转化“天宫课堂”素材促进落实物理学科育人

荆 鹏 李超凡 侯 恕

（东北师范大学物理学院，吉林长春 130024）

2021年12月9日，“天宫课堂”第一课在我国空间站天和核心舱成功举行，给全国中小学生带来了一场充满视觉盛宴的科学教育活动.此次太空授课激发了广大青少年对科学的兴趣，有利于帮助学生树立民族自信心和自豪感.这对发展学生核心素养、实现物理学科育人价值具有重要意蕴.观看之余，笔者认为“天宫课堂”授课素材蕴含着独特、丰富的物理教学和思政育人资源.随着我国首个空间站作为国家太空实验室正式投入运营，这将使“太空授课”进入常态化阶段.如何发掘授课内容中所蕴含的教学资源并应用在中学物理教学实践中将成为未来一段时间讨论研究的热点.本文将就“天宫课堂”授课素材如何融通转化为教学资源进行初探.

1 “天宫课堂”授课的现实意义

（1）创设“新情境”，奇妙现象背后是对亿万青少年科研兴趣的激发.

知识的传授向来不局限于形式，太空授课的关注度高也绝不仅是因为“高精尖”的授课场地.创设“天宫”新情境、采取天地协同互动方式开展的授课，是对亿万青少年向往浩瀚太空、希冀探索宇宙好奇心的回应，是与学生前概念产生矛盾的碰撞.诸多物理概念、运动规律、实验现象都是基于重力场所开展的科学研究得出.受前概念的影响，学生结合日常经验对现有重力场实验现象预期和结果并无巨大差异.微重力环境的“非常规”情境带给学生的震撼，让学生认知定势走出了重力场束缚，让学生学习动机翻越了应试围墙，开阔了学生视野，激发了其学习兴趣.

（2）训练“新思维”，追问本质探究原理是学科育人核心素养的体现.

将科学思维与日常生活等实际问题结合起来，有助于提高学生的科学思维水平.［1］“天宫课堂”的授课方式刷新了现有的物理教学模式，对日常生活实际问题进行“新情境”演示、对差异化现象“故作玄虚”作启发式引导，让此次授课演示直观、生动且形象.一次次互动以启迪学生从科学视角观察问题、从严谨逻辑思考问题、采取具体方法解决问题，让学生在飞扬的思维中“思考—探究—溯源”.这对培养学生的科学思维，提高学生创新意识和科学探究精神，从而实现学科育人价值具有重要意蕴.

（3）聚焦“大思政”，天宫授课彰显航天力量是润物无声的思政育人.

在全球化和世界文化相互激荡、价值观多元化的时代背景下，积极弘扬和培育民族精神、强化国家认同，引导学生增强“四个自信”，变得尤为重要和紧迫.［2］奇妙现象和科学原理之外，是学生感受到的伟大载人航天精神和大国力量，是学生内心对中华民族伟大复兴的美好愿景.学科育人——育知识、育思维、育能力，更重要的是要紧紧围绕立德树人这一根本任务来“育思想”.借助“天宫授课”素材这一丰富载体，把社会主义核心价值观融入学科教学实践中，以期“润物无声”的融入课程思政理念，实现学科育人价值.

2 融通转化“天宫课堂”授课素材为教学资源初探

授课活动由中国载人航天工程办公室联合教育部、科技部、中国科协、中央广播电视总台共同主办，中国科技馆及载人航天工程相关参研参试单位提供支持.［3］太空授课脚本是广大教育、工作者集体智慧的结晶，授课的内容具有严谨性、互动性、趣味性和启发性，操作的实验新颖、易懂且经典，兼顾差异性与观赏性.

表1为本次“天宫课堂”的授课项目.授课项目蕴含丰富的物理元素.笔者以人教版教材为例，列出了本次授课中所涉及部分知识点，如表2 和表3所示.授课项目涵盖了物理、化学、生物等多个学科的知识，利用好这一教学资源有利于学生基于真实情境下学科和跨学科问题解决能力的发展，促进学生素养的发展有重要价值.［4］

表1 “天宫课堂”授课项目

表2 对应人教版初中教材知识点

表3 对应人教版高中教材知识点

续表

3 “天宫课堂”教学素材的应用思考

吴加澍先生认为：好的物理教师不是在“教”物理，而是激发学生自己去学好物理，他的高明之处在于能为学生适时地创设问题情境，搭建认知舞台，从而不断培养和提高学生探求新知识的能力.［5］“天宫课堂”为搭建认知舞台创造了契机，教师利用好这一资源让学生在轻松活跃的氛围中体验物理现象，发现物理问题，学习物理知识，探索物理规律.［6］引导学生透过现象看本质，避免在物理教学中“照本宣科”地单向“满堂灌”，有助于培养学生科学探究的态度，实现物理学科的育人价值.

下文以此次授课项目中“太空转身”为例，结合人教版高中物理必修2 第7 章“万有引力与宇宙航行”教学实践应用提出几点问题思考.

（1）问题链1：重力是万有引力吗？宇航员为什么会失重？空间站是完全失重环境吗？

图1 重力与万有引力关系示意图

问题3：空间站是完全失重环境吗？事实上，在分析宇航员失重过程中，我们将宇航员看作了质点，对质点分析上式成立，即在质点处是完全失重的.但对整个航天器而言，并非所有点可看作质点.这些点因向心力与万有引力不完全相等而获得有相对于质心的微小加速度，称其为微重力现象.研究表明，微重力大小加速度为10－5g到10－4g，其大小通过航天器所受到各种干扰力的加速度来度量.［7］

（2）问题链2：在地球上，人是怎么转身的？在太空中，宇航员如何不靠外力转身？宇航员吹气为何未能使自身获得速度？

问题1：在地球上，人是怎么转身的？地面上人受重力作用，由Ff＝μFN知人与地面之间存在摩擦力.由转动定律M＝Iα.可知，摩擦力的力矩使人体产生角加速度，所以人能进行转身.

问题2：在太空中，宇航员如何不靠外力转身？“天宫课堂”授课教师叶光富尝试了几种方式：一是上半身向左转，下半身就会自动往右转，如图2所示.

图2 宇航员尝试太空转身

由于宇航员不受外力，所以系统角动量守恒.当上半身向左转时会相应的产生一个相反的角动量，［8］进而使下半身向左转.最后，宇航员成功转身的方法是右手臂持续画圈，如图3所示.这也是利用角动量守恒来实现的.

图3 再次尝试转身

除此以外，冬奥会花滑项目中也运用了角动量守恒.运动员通过伸展和收缩手臂改变自身半径进而改变转动惯量，这是根据系统角动量守恒I1ω1＝I2ω2.改变了I进而改变了角速度.

问题3：宇航员吹气为何未能使自身获得速度？在宇航员吹气过程中，并无外力作用，所以系统动量守恒，即0＝m1v1＋m2v2，其中m1为空气质量，m2为宇航员质量.当人吹气时，气流会有一个向前的速度v1，人会产生相反方向的速度.“天宫课堂”中，宇航员未能通过吹起改变自身速度是因为m1相对m2太小，v2≈0.如图4所示.

图4 宇航员吹气获得速度

故人不能通过吹气获得速度，但若有一个气泵与人相连，气泵喷出动量很大的气体，人方能获得较大的反向速度，航天器加速便是此原理.

4 结语

“天宫课堂”是中国航天的再一次高光，是亿万青少年逐梦科研的启蒙场.融通转化天宫授课这一素材，还需广大教育工作者去发掘其中蕴含的物理学科及跨学科教学资源，以期在更多的教学实践中能用、会用、巧用之，培养学生科学思维与科学探究能力，传递给学生这份荣耀、责任与使命，从而促成物理学科的育人价值.