鄭澤君 任鳳竹

(河南大學(xué)物理與電子學(xué)院,河南 開(kāi)封 475004)

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》的頒布,核心素養(yǎng)的提出均體現(xiàn)“以人為本”的教育觀念;中國(guó)學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)研究成果也指出學(xué)生需習(xí)得人文、科學(xué)等各領(lǐng)域的知識(shí)和技能.物理學(xué)作為一門(mén)基礎(chǔ)的自然科學(xué),不僅具有科學(xué)價(jià)值,還蘊(yùn)藏著豐富的人文價(jià)值.但是傳統(tǒng)物理教育在唯科學(xué)主義思潮和工具理性的影響下,其人文教育功能被遮蔽,[1]許多教師在教學(xué)過(guò)程中只重視物理學(xué)的科學(xué)性,忽視物理學(xué)的人文性;另一方面教師本身可能對(duì)物理學(xué)的人文性的認(rèn)識(shí)存在不足,在課堂上只是簡(jiǎn)單地引入介紹,沒(méi)有給予學(xué)生正確的人文關(guān)懷與價(jià)值引導(dǎo),導(dǎo)致學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)與人文素養(yǎng)不能同時(shí)得以提升.

物理教學(xué)中體現(xiàn)科學(xué)性與人文性相統(tǒng)一的前提是教師對(duì)其有正確的認(rèn)識(shí).物理學(xué)的科學(xué)性綜合表現(xiàn)在以科學(xué)思想為指導(dǎo),以事實(shí)為依據(jù),也就是求真求實(shí).而物理學(xué)的人文性則引用尤西林先生認(rèn)為“人文主義”是“以人為本”的一種思潮態(tài)度與立場(chǎng),它屬于思想史范疇的觀點(diǎn),[2]以學(xué)生為主體,給予學(xué)生人文關(guān)懷與價(jià)值引導(dǎo),是指向?qū)W生的思維、技能與方法、心理、情感、價(jià)值觀等方面的發(fā)展,也就是求善求美.兩者相統(tǒng)一即是“求真、求實(shí)、求善、求美”的統(tǒng)一,這不僅是實(shí)施物理課程的重要訴求,對(duì)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)與人文素養(yǎng)具有重要的價(jià)值.

對(duì)于在物理教學(xué)中如何體現(xiàn)科學(xué)性與人文性相統(tǒng)一,教學(xué)中往往利用隱性教學(xué)的方式潛移默化地影響學(xué)生、逐步達(dá)到內(nèi)化的目的,從而提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)與人文素養(yǎng).而實(shí)際上僅靠隱性教學(xué)效果是不夠的,教師在教學(xué)過(guò)程中還應(yīng)采用顯性教學(xué),有意識(shí)地設(shè)計(jì)出能夠反映物理學(xué)的科學(xué)性與人文性的教學(xué),在課堂教學(xué)中將科學(xué)精神與人文底蘊(yùn)以教學(xué)目標(biāo)或話語(yǔ)的形式呈現(xiàn)給學(xué)生,引導(dǎo)學(xué)生初步形成觀念,并且通過(guò)提問(wèn)、小組討論、探究活動(dòng)、課外實(shí)踐等方式促進(jìn)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)與人文素養(yǎng)的培養(yǎng)與踐行.因此,本文以“宇宙航行”教學(xué)為例,利用顯隱互化教學(xué)法,[3]即顯性教學(xué)與隱性教學(xué)的相互轉(zhuǎn)化、結(jié)合,談?wù)勅绾伍_(kāi)展科學(xué)性與人文性相統(tǒng)一的物理教學(xué),培養(yǎng)學(xué)生正確的物理觀念、物理科學(xué)思維與探究能力的同時(shí),做好學(xué)生意識(shí)形態(tài)工作,使其形成正確的價(jià)值觀.

1 確定以物理核心素養(yǎng)為基礎(chǔ)，科學(xué)性與人文性相統(tǒng)一的教學(xué)目標(biāo)

教學(xué)目標(biāo)作為教學(xué)的中心環(huán)節(jié),支配和指導(dǎo)教學(xué)的整個(gè)過(guò)程.確定以物理核心素養(yǎng)為基礎(chǔ)，科學(xué)性與人文性相統(tǒng)一的教學(xué)目標(biāo)十分有必要.“宇宙航行”這一節(jié)內(nèi)容屬于《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》必修課程的必修2,內(nèi)容要求為學(xué)生會(huì)計(jì)算人造地球衛(wèi)星的環(huán)繞速度,知道第二宇宙速度和第三宇宙速度,了解人類對(duì)宇宙天體的探索歷程以及物理學(xué)定律與航天技術(shù)等現(xiàn)代科技的聯(lián)系.[4]結(jié)合課程標(biāo)準(zhǔn)要求與物理教學(xué)的科學(xué)性與人文學(xué)相統(tǒng)一,本節(jié)教學(xué)目標(biāo)制定如表1所示.

續(xù)表

2 開(kāi)展科學(xué)性與人文性相統(tǒng)一的教學(xué)活動(dòng)

基于以物理核心素養(yǎng)為基礎(chǔ)、科學(xué)性與人文性相統(tǒng)一的教學(xué)目標(biāo)展開(kāi)“宇宙航行”一節(jié)教學(xué)活動(dòng).

2.1 “情境—問(wèn)題—體驗(yàn)”的顯隱互化教學(xué)

教學(xué)片斷1： 新課引入.

播放視頻: 關(guān)于我國(guó)北斗三號(hào)最后一顆全球組網(wǎng)衛(wèi)星,第55顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射成功,北斗三號(hào)星座部署全面完成,以及背后科研人員所付諸的努力的視頻片斷.

思考1: 為什么北斗導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射后不會(huì)掉落下來(lái),而平時(shí)放煙花只能到達(dá)半空中?

思考2: 北斗全球系統(tǒng)星座部署的完成意味著什么?

教師引導(dǎo)學(xué)生討論發(fā)言,鼓勵(lì)學(xué)生大膽發(fā)表自己的觀點(diǎn),在傾聽(tīng)其他同學(xué)的發(fā)言時(shí)吸取他人合理觀點(diǎn),做出正確的科學(xué)判斷和價(jià)值判斷.通過(guò)上述活動(dòng)學(xué)生初步形成北斗導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射升空的整體圖景,得出北斗導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射后不會(huì)掉落下來(lái)是由于發(fā)射速度很大的觀點(diǎn),教師提出需要進(jìn)一步深入探究的問(wèn)題:發(fā)射速度需要多大才能使北斗導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射后不會(huì)掉落?

設(shè)計(jì)意圖: (1) 播放北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的發(fā)射視頻作為課堂引入,不僅給學(xué)生帶來(lái)視覺(jué)沖擊與直觀體會(huì),還可以吸引學(xué)生注意,增強(qiáng)其學(xué)習(xí)興趣.(2) “煙火”是來(lái)自生活中的例子,可以有效讓學(xué)生感受生活中物理現(xiàn)象,拉近學(xué)生與物理的距離.通過(guò)“北斗導(dǎo)航衛(wèi)星”與“煙花”培養(yǎng)學(xué)生類比思維,也為引入宇宙第一速度概念做鋪墊.(3) 通過(guò)“情境—問(wèn)題—體驗(yàn)” 的顯隱互化教學(xué)使學(xué)生敢于發(fā)表自己的觀點(diǎn),能傾聽(tīng)、理解、尊重他人的觀點(diǎn),并能進(jìn)行反思修正做出正確的科學(xué)判斷和價(jià)值判斷,培養(yǎng)學(xué)生維護(hù)他人尊嚴(yán)、尊重他人價(jià)值的人文情懷.同時(shí),也感受我國(guó)先進(jìn)的航天技術(shù),增強(qiáng)學(xué)生民族自信心和自豪感.

2.2 彰顯物理之美的顯隱互化教學(xué)

教學(xué)片斷2： 新課教學(xué)——宇宙速度.

師:我們討論得出北斗導(dǎo)航衛(wèi)星成功發(fā)射與發(fā)射速度有關(guān).發(fā)射速度需要多大才能使北斗導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射后不會(huì)掉落?我們分組進(jìn)行“扔粉筆”實(shí)驗(yàn).請(qǐng)各個(gè)小組站在椅子上將粉筆以不同初速度平拋扔出,并分析其運(yùn)動(dòng)軌跡的特點(diǎn).

生:初速度越大,粉筆拋得越遠(yuǎn).

師:那初速度如果一直增大會(huì)出現(xiàn)什么情況呢?(使學(xué)生形成思維沖突并引發(fā)思考)

生:粉筆拋得很遠(yuǎn)都不會(huì)掉落到地上.

教師由此引入牛頓對(duì)衛(wèi)星的猜想,通過(guò)動(dòng)畫(huà)模擬展示給學(xué)生.

師:與“扔粉筆”實(shí)驗(yàn)有所區(qū)別的是,物體所受重力的方向不再是豎直向下,而是指向球心,因此,物體不再是做平拋運(yùn)動(dòng),而是做圓周運(yùn)動(dòng).如果拋出的初速度足夠大,那么物體也將不再落回地面,而是繞著地球做圓周運(yùn)動(dòng).要得出發(fā)射速度,我們得思考物體繞著地球表面做圓周運(yùn)動(dòng)的環(huán)繞速度.根據(jù)上一節(jié)所學(xué)內(nèi)容,請(qǐng)同學(xué)們分組思考怎么推導(dǎo)環(huán)繞速度.

生:小組討論交流.

組1:根據(jù)萬(wàn)有引力提供向心力有

(1)

可得

(2)

組2:由于地球附近重力約等于萬(wàn)有引力,因此根據(jù)重力提供向心力有

(3)

可得

(4)

師:根據(jù)地球質(zhì)量為M=5.98×1024kg,地球半徑R=6400 km,萬(wàn)有引力常量G=6.67×10-11N·m2/kg2,地表g=9.8 m/s2.衛(wèi)星離地面的高度不計(jì),速度為多少呢?

生:v=7.9 km/s.

師:實(shí)際上這就是物體在地球表面繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的速度,叫做第一宇宙速度.那發(fā)射速度與環(huán)繞速度有什么關(guān)系呢?

生:環(huán)繞速度是最小的發(fā)射速度.因?yàn)榘l(fā)射速度越大,物體才能到達(dá)更高軌道上.

圖1 3個(gè)宇宙速度

師:理論研究已經(jīng)得出在地面附近發(fā)射飛行器,如果速度大于7.9 km/s,又小于11.2 km/s,它繞地球運(yùn)行的軌跡則是橢圓.當(dāng)飛行器的速度等于或大于11.2 km/s,它就會(huì)克服地球的引力,永遠(yuǎn)離開(kāi)地球.當(dāng)飛行器的速度等于或大于16.7 km/s,它就會(huì)克服太陽(yáng)的引力,飛到太陽(yáng)系外.因此我們把11.2 km/s、16.7 km/s分別叫做第二宇宙速度與第三宇宙速度(整個(gè)過(guò)程結(jié)合動(dòng)畫(huà)模擬,如圖1所示).從認(rèn)識(shí)宇宙速度的過(guò)程中你有什么體會(huì)嗎?

生:牛頓被蘋(píng)果砸到發(fā)現(xiàn)了萬(wàn)有引力,在思考萬(wàn)有引力定律時(shí)提出發(fā)射衛(wèi)星的構(gòu)思.從萬(wàn)有引力的提出到第一顆人造衛(wèi)星的成功發(fā)射,這一過(guò)程背后隱藏著無(wú)數(shù)科學(xué)家付出的艱辛努力,科學(xué)家們不畏困難、不斷創(chuàng)新的科學(xué)態(tài)度是值得我們學(xué)習(xí)的.

師:如果沒(méi)有物理學(xué)家們?cè)诳茖W(xué)的道路上披荊斬棘,那不會(huì)有我們現(xiàn)在多彩多姿的現(xiàn)代生活.浩瀚星辰在過(guò)去是人類觸不可及的地方,如今我們卻可以通過(guò)簡(jiǎn)潔的物理公式來(lái)認(rèn)識(shí)宇宙,這些物理公式中凝聚著科學(xué)家們的智慧結(jié)晶,我們從這些公式知道在宇宙領(lǐng)域中,無(wú)數(shù)的星體在各自的軌道做有規(guī)律的運(yùn)動(dòng),它們之間相互配合、和諧共處,這不僅是自然之美,更是彰顯了物理之美.

設(shè)計(jì)意圖: (1) 在課堂中將物理之美展示給學(xué)生不僅可以培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)、感知、欣賞物理中的美的意識(shí),提升學(xué)生的審美情趣,而且大大提升學(xué)生對(duì)物理的學(xué)習(xí)興趣.(2) 引入牛頓發(fā)射衛(wèi)星的猜想讓學(xué)生感受科學(xué)家偉大的科學(xué)精神,他們?yōu)槿祟惖男腋?、社?huì)的發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn).以小組合作探究的形式培養(yǎng)學(xué)生相互合作、相互尊重、以人為本的意識(shí).

2.3 科學(xué)探究的顯隱互化教學(xué)

教學(xué)片斷3: 新課教學(xué)——人造地球衛(wèi)星.

新課導(dǎo)入時(shí)觀看了我國(guó)第55顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射視頻片段,學(xué)生初步形成北斗導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射升空的整體圖景.教師組織學(xué)生探究以下問(wèn)題.

探究1:北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的運(yùn)行規(guī)律及實(shí)現(xiàn)變軌的條件?

師:同學(xué)們剛剛觀看視頻北斗導(dǎo)航衛(wèi)星是如何運(yùn)行的呢?(教師引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建圓軌道、橢圓軌道物理模型)

生:北斗導(dǎo)航衛(wèi)星先在低軌道做圓周運(yùn)動(dòng),后在高軌道做圓周運(yùn)動(dòng).

師:同學(xué)們回答得很好,那衛(wèi)星怎么實(shí)現(xiàn)從低軌道運(yùn)行到高軌道呢?(教師引導(dǎo)學(xué)生回顧前面所學(xué)的圓周運(yùn)動(dòng)知識(shí))

生:由離心運(yùn)動(dòng)可知,北斗導(dǎo)航衛(wèi)星需要先加速,從穩(wěn)定的圓形低軌道繞行變軌為橢圓轉(zhuǎn)移軌道,再次加速,從橢圓軌道再次變軌為圓形高軌道,也就是進(jìn)入工作軌道.

師:那北斗導(dǎo)航衛(wèi)星在工作軌道的速度與在宇宙第一速度兩者大小相比如何.

師:同學(xué)們分析得很好,簡(jiǎn)潔的萬(wàn)有引力定律中蘊(yùn)含宇宙行星運(yùn)動(dòng)的奧秘,下面我們一起通過(guò)仿真模擬實(shí)驗(yàn)來(lái)檢測(cè)我們剛剛的理論探究.

通過(guò)對(duì)北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的運(yùn)行規(guī)律及實(shí)現(xiàn)變軌條件的探究,討論北斗導(dǎo)航衛(wèi)星在不同軌道的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)并對(duì)其原因進(jìn)行解釋,整個(gè)過(guò)程教師引導(dǎo)學(xué)生分別從模型建構(gòu)、理論依據(jù)、進(jìn)行檢驗(yàn)促進(jìn)學(xué)生物理觀念、科學(xué)思維、探究意識(shí)的形成,并讓學(xué)生感受萬(wàn)有引力定律的重要性.

探究2:地球同步衛(wèi)星有什么特點(diǎn)?畫(huà)出你認(rèn)為地球同步衛(wèi)星可能的運(yùn)行軌道并驗(yàn)證.

師:地球同步衛(wèi)星,顧名思義即衛(wèi)星“同步”于地球,怎么樣才是“同步”于地球呢?

生:運(yùn)動(dòng)方向與地球的自轉(zhuǎn)方向一致，且和地球自轉(zhuǎn)的角速度相同.

師:那根據(jù)地球同步衛(wèi)星的特點(diǎn)可以假設(shè)其可能的運(yùn)行軌道嗎?

圖2 同步衛(wèi)星的可能軌道

學(xué)生活動(dòng):各小組交流討論,進(jìn)行假設(shè)(如圖2).

驗(yàn)證假設(shè):假設(shè)衛(wèi)星在赤道上空以外的某路線繞地球轉(zhuǎn)動(dòng),受到地球?qū)λ娜f(wàn)有引力F,將F分解為指向地軸的分力F1,為該衛(wèi)星繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)的向心力,另一分力為F2,實(shí)際中找不到與F2相平衡的力.因此地球同步衛(wèi)星只能將落向赤道平面,并且位于赤道上方高度約36000 km處.此時(shí)地球?qū)Φ厍蛲叫l(wèi)星的萬(wàn)有引力全部作為向心力.

最后教師引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)仿真模擬實(shí)驗(yàn)檢測(cè)學(xué)生的理論探究.

設(shè)計(jì)意圖: (1) 以“問(wèn)題、交流、證據(jù)、解釋”的方式進(jìn)行探究,幫助學(xué)生構(gòu)建關(guān)于北斗導(dǎo)航衛(wèi)星從發(fā)射、變軌到最后穩(wěn)定運(yùn)行的物理模型;通過(guò)不同角度探究地球同步衛(wèi)星可能的運(yùn)行軌道培養(yǎng)學(xué)生能多維度辯證分析問(wèn)題的能力.(2) 通過(guò)合作探究與現(xiàn)代信息技術(shù)動(dòng)畫(huà)模擬同步衛(wèi)星發(fā)射過(guò)程的方式讓學(xué)生理解北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的運(yùn)行規(guī)律及實(shí)現(xiàn)變軌的條件,感受探究的樂(lè)趣以及通過(guò)探究得出結(jié)論的成就感.

2.3 “角色扮演”的顯隱互化教學(xué)

教學(xué)片斷4:探索人類的太空夢(mèng).

以小組為單位布置課前自主收集關(guān)于載人航天與太空探索資料(以我國(guó)為主)的作業(yè),在課堂通過(guò)學(xué)生自主角色扮演從人造衛(wèi)星的分類、用途、發(fā)射歷程等幾方面進(jìn)行探索.

月球組(甲組學(xué)生):分享關(guān)于人類探月歷程的資料.

火星組(乙組學(xué)生):分享關(guān)于人類探測(cè)火星歷程的資料.

北斗導(dǎo)航衛(wèi)星組(丙組學(xué)生):分享關(guān)于我國(guó)北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的相關(guān)資料.

……

設(shè)計(jì)意圖:讓學(xué)生自主角色扮演親身體驗(yàn)可以增強(qiáng)體驗(yàn)感,感受人造衛(wèi)星給人類與社會(huì)帶來(lái)的巨大價(jià)值的同時(shí)體會(huì)物理學(xué)本身的價(jià)值； 也讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到我們新中國(guó)從剛成立時(shí)的“一窮二白”到如今處在世界經(jīng)濟(jì)舞臺(tái)的中心離不開(kāi)科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展以及黨中央的正確領(lǐng)導(dǎo),增強(qiáng)民族自信心.

2.4 課后踐行科學(xué)素養(yǎng)與人文素養(yǎng)

學(xué)生課后自行安排時(shí)間觀看科幻電影《流浪地球》,總結(jié)電影中有關(guān)“宇宙航行”知識(shí)點(diǎn)的情節(jié).

設(shè)計(jì)意圖:結(jié)合影視資源的開(kāi)放性課后實(shí)踐有效增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣,讓學(xué)生利用課堂所學(xué)知識(shí)進(jìn)行課后資料收集,提升學(xué)生的實(shí)踐能力.《流浪地球》以中國(guó)特色背景滲透出的愛(ài)國(guó)主義與集體主義情懷可以引起學(xué)生們的共鳴,樹(shù)立家國(guó)情懷.

3 總結(jié)

基于科學(xué)性與人文性相統(tǒng)一的高中物理教學(xué),學(xué)生不僅收獲了科學(xué)的物理知識(shí)內(nèi)容,在教學(xué)過(guò)程中學(xué)生更是收獲了科學(xué)推理能力、綜合分析能力、探究問(wèn)題解決能力,提升人文素養(yǎng),形成正確的價(jià)值觀.特別強(qiáng)調(diào)的是教師在課堂上要抓準(zhǔn)時(shí)機(jī),將物理學(xué)的科學(xué)性與人文性明示出來(lái),及時(shí)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行反思、總結(jié).整個(gè)過(guò)程可利用創(chuàng)設(shè)生活物理情境、結(jié)合時(shí)事新聞、科技發(fā)展前沿、弘揚(yáng)科學(xué)家的偉大精神、開(kāi)展小組活動(dòng)等教學(xué)策略,以及開(kāi)展學(xué)生實(shí)踐活動(dòng)踐行科學(xué)素養(yǎng)與人文素養(yǎng).總之,教師要正確認(rèn)識(shí)物理的科學(xué)價(jià)值與人文價(jià)值并且有扎實(shí)的基本功,[5]在課前做好充足的準(zhǔn)備,采用顯隱互化教學(xué)法將物理學(xué)的科學(xué)性與人文性滲透在整個(gè)教學(xué)過(guò)程中,真正達(dá)到教學(xué)“求真、求實(shí)、求善、求美”的統(tǒng)一.