“实践”视角下中学物理模拟科学探究的课堂教学研究

李文玉 安加敏

【摘要】国际上科学探究向科学实践的转变已成为科学教育的发展趋势，国内科学教育也在逐渐“顺应”此发展趋势.中学物理中，部分科学探究活动由于受到时间、空间以及物质条件等因素的限制，并不具备直接对研究对象进行实际实验的条件，但利用现代信息技术对科学探究的部分活动进行模拟仿真可以有效地解決这个问题.本文基于“实践”视角，融合模拟仿真手段，提出如何设计与实施科学探究教学的相关建议.

【关键词】高中物理；科学实践；模拟仿真

1 引言

2011年，美国国家研究理事会 （NRC）正式发布的新版K—12科学教育框架——《K—12科学教育框架：实践、交叉概念和核心概念》，《K—12框架》中将首位关键词从“探究”变成了“实践”[1].2013年，美国颁布的《美国新一代科学教育标准》也着重突出了科学探究向科学实践的转变.我国普通高中学科课程标准将课程实施中的科学实践作为课程理念，2022年新发布的《义务教育课程标准》更是将学科实践和跨学科实践明确列入内容要求.由此可见，国际上科学探究向科学实践的转变已成为科学教育的发展趋势，国内科学教育也正在逐渐“顺应”此发展趋势.

2 “实践”视角下的模拟科学探究教学

在教学中，运用现代信息技术与多媒体对探究过程中的某些实践活动进行模拟仿真，可突破时空、排除物质条件等因素的影响，从而更有利于提高科学探究课堂的实际效果、发展学生的核心素养、推进教育公平，以及促进科学探究的“实践”转向.

2.1 模拟科学探究

“科学探究”最早由美国芝加哥教授施瓦布在《作为探究的科学》中提出.2000年，NRC发布的《科学探究与国家科学教育标准——教与学的指南》，其中给出了“科学探究”的最新界定：科学探究是学生需要发展的设计和实施科学实验研究的能力，以及应获得的对于科学探究本质的理解[2].“模拟科学探究”就是教师通过仿真模拟的方式，组织和引导学生通过独立的探究活动主动获取知识、培养能力的教学实践活动.即以模拟的形式来展开科学探究的一系列实践活动.

《普通高中物理课程标准》指出：“利用现代信息技术，引导学生理解物理学的本质，整体认识自然界”[3]，即强调教师应注重将现代信息技术融合到高中物理教学中.例如，2019人教版高中物理必修二第七章“万有引力与宇宙航行”中，教材引入了不少物理学史的相关内容，但学生的直观感性认识却并不能得到满足.那么，在这种情况下，教师应该适当应用现代信息技术进行仿真模拟，为学生创设科学探究的学习情境，呈现完整的科学探究过程，可以帮助学生发现物理规律和更加深刻地理解其内涵.

2.2 教学现状与困境分析

以“模拟科学探究”“模拟实验”为主题词在知网上进行检索，发现目前模拟科学探究的教学现状与困境主要表现为以下几个方面.

（1）概念诠释的弱化.探究过程本就充满了复杂性和多因性，模拟的方式无法完全还原真实的世界，因此可能会造成对某些概念诠释的弱化.

（2）忽视师生情感交流.在设计方面，部分模拟软件偏向于功能开发，而对师生情感交流方面的考虑较少.这样的探究过程，仅将科学探究视为一种手段，从而导致科学探究难逃“灌输”的困境.

（3）缺乏严谨性和规范性.没有充分重视模拟软件的开发与应用方面，如过分强调真实、仅把模拟视为一种替代、笼统地将模拟视为易于控制的环境，导致应用模拟软件开展科学探究在一定程度上缺乏严谨性和规范性.

（4）探究过程和结果过于理想化.模拟探究过程中，干扰因素难以进行仿真，从而缺少现实中普遍存在的误差，学生下意识地不会意识到误差的存在，这并不利于培养学生严谨求实的科学态度.

由此可见，模拟科学探究教学存在许多有待解决的问题.

3 利用Stellarium软件探究“开普勒第一定律”

3.1 创设情境，提出问题

教师活动

操作演示 利用Stellarium软件向学生进行操作演示.

（1）展现太阳系各行星运动轨迹（如图1所示）.

（2）加快时间流速，展现太阳系各行星绕太阳运行的过程.

启发提问 （1）行星绕太阳的运动轨迹是一个标准的圆周吗？

（2）那么行星的运动轨迹又应该是什么形状呢？

（3）太阳是否处于椭圆的几何中心呢？

学生活动

观察思考，提出猜想 太阳系各行星的运动轨迹不是一个标准的圆，而是一个椭圆，太阳也并非处于椭圆的几何中心.

实践视角下的设计意图 利用Stellarium软件构建真实物理情境，将真实的问题作为课堂的中心，引导学生“动脑”思考.

3.2 模型建构，设计方案

教师活动

组织活动 学生进行“做一做：绘制椭圆”活动.

引导思路 引导学生猜测太阳是否正好处于行星运行椭圆轨道的一个焦点上.

启发提问 如何证明太阳，位于各行星椭圆运行轨道的一个焦点上？

提示 水星、木星、火星以及土星的轨道半长轴和半短轴的长度如下表1所示，可以利用公式c=a2－b2计算出椭圆的焦距，行星近日点和远日点的距离如下表1所示.

小组活动 通过书上“做一做：绘制椭圆”活动，认识什么是椭圆、什么是椭圆的焦点.

提出猜想 太阳处于行星运行椭圆轨道的一个焦点上.

设计方案 用远日点距离减去近日点距离（d=dmax－dmin）计算二者差值，若半长轴减去最短距离等于（误差允许范围内）椭圆焦距（d=2c），则可得证太阳位于火星椭圆轨道的一个焦点上.（关系如图2所示）

实践视角下的设计意图 通过模型建构和方案设计，向学生渗透利用实践探究的方法去解决实际问题的科学思想，培养学生的科学思维能力.

3.3 數据处理，整理表格

教师活动 指导学生设计并绘制表格和利用计算机进行数据计算.

学生活动 根据需要，设计表格.

根据公式c=a2－b2，计算出各行星椭圆运行轨迹的半焦距c.

根据公式d=dmax－dmin，计算出各行星的远日点和近日点的差值d.

将计算结果，填入表格.（如表2所示）

实践视角下的设计意图 通过表格的设计、绘制以及填写表格，促进学生以“动脑”驱动“动笔”去创作和记录.

3.4 论证评估，交流信息

教师活动 引导学生观察、分析表格数据，帮助学生得出结论.

总结 所有行星绕太阳运动的轨道都是椭圆，太阳处在椭圆的一个焦点上，这就是开普勒第一定律的内容.

学生活动 通过观察分析表格，得出结论：在误差允许的范围内，太阳处在行星运行椭圆轨道的一个焦点上.

实践视角下的设计意图  通过开展探究，学生依据事实证据对科学性问题作出回答，突出了学生的主体独立性，让学生真正成为探究课堂的主体，同时也培养学生根据事实证据形成解释的科学精神.

4 总结与反思

科学的本质是“实践”，科学知识来源于科学实践，只有在物理科学探究教学中凸显科学知识的实践本质才能真正推动物理科学探究的“实践”转向.因此，非常有必要以科学实践的视角去审视模拟科学探究教学的设计与实施策略，让物理科学探究真正回归科学实践本质.为此，给出一些设计与实施科学探究教学的相关建议：

（1）以理论性探究活动为主导，加强概念的诠释与理解.

（2）以真实的问题或具体的任务为中心，克服探究过程和结果的过理想化.

（3）“动手”“动嘴”“动脑”相结合，重视师生情感交流.

（4）科学探究方法与科学知识的相融合，提升探究的严谨性与规范性.

【基金项目：本文由山西省研究生科研实践创新项目资助，课题名称：基于实践视角的物理科学探究课堂设计与实施研究，项目编号：2023SJ177】

参考文献：

[1]National Research Council. A Framework for K-12 Science Education：Practices，Crosscutting Concepts，and Core Ideas ［M］. Washington，DC：The National Academies Press，2012.30、42-44、44、45.

[2]（美）国家研究理事会.科学探究与国家科学教育标准[S].罗星凯等译.北京：科学普及出版社，2004.

[3]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）[S].北京：人民教育出版社，2020.