科學(xué)性與人文性相統(tǒng)一的高中物理教學(xué)探究
——以“宇宙航行”為例

鄭澤君 任鳳竹

(河南大學(xué)物理與電子學(xué)院,河南 開封 475004)

《普通高中物理課程標準(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)域的知識和技能.物理學(xué)作為一門基礎(chǔ)的自然科學(xué),不僅具有科學(xué)價值,還蘊藏著豐富的人文價值.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物理學(xué)的人文性的認識存在不足,在課堂上只是簡單地引入介紹,沒有給予學(xué)生正確的人文關(guān)懷與價值引導(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)一的前提是教師對其有正確的認識.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),以事實為依據(jù),也就是求真求實.而物理學(xué)的人文性則引用尤西林先生認為“人文主義”是“以人為本”的一種思潮態(tài)度與立場,它屬于思想史范疇的觀點,[2]以學(xué)生為主體,給予學(xué)生人文關(guān)懷與價值引導(dǎo),是指向?qū)W生的思維、技能與方法、心理、情感、價值觀等方面的發(fā)展,也就是求善求美.兩者相統(tǒng)一即是“求真、求實、求善、求美”的統(tǒng)一,這不僅是實施物理課程的重要訴求,對培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)與人文素養(yǎng)具有重要的價值.

對于在物理教學(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).而實際上僅靠隱性教學(xué)效果是不夠的,教師在教學(xué)過程中還應(yīng)采用顯性教學(xué),有意識地設(shè)計出能夠反映物理學(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)精神與人文底蘊以教學(xué)目標或話語的形式呈現(xiàn)給學(xué)生,引導(dǎo)學(xué)生初步形成觀念,并且通過提問、小組討論、探究活動、課外實踐等方式促進學(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_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,做好學(xué)生意識形態(tài)工作,使其形成正確的價值觀.

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

教學(xué)目標作為教學(xué)的中心環(huán)節(jié),支配和指導(dǎo)教學(xué)的整個過程.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準(2017年版)》必修課程的必修2,內(nèi)容要求為學(xué)生會計算人造地球衛(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)合課程標準要求與物理教學(xué)的科學(xué)性與人文學(xué)相統(tǒng)一,本節(jié)教學(xué)目標制定如表1所示.

續(xù)表

2 開展科學(xué)性與人文性相統(tǒng)一的教學(xué)活動

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)目標展開“宇宙航行”一節(jié)教學(xué)活動.

2.1 “情境—問題—體驗”的顯隱互化教學(xué)

教學(xué)片斷1： 新課引入.

播放視頻: 關(guān)于我國北斗三號最后一顆全球組網(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)射后不會掉落下來,而平時放煙花只能到達半空中?

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,鼓勵學(xué)生大膽發(fā)表自己的觀點,在傾聽其他同學(xué)的發(fā)言時吸取他人合理觀點,做出正確的科學(xué)判斷和價值判斷.通過上述活動學(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)射后不會掉落下來是由于發(fā)射速度很大的觀點,教師提出需要進一步深入探究的問題:發(fā)射速度需要多大才能使北斗導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射后不會掉落?

設(shè)計意圖: (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)生帶來視覺沖擊與直觀體會,還可以吸引學(xué)生注意,增強其學(xué)習(xí)興趣.(2) “煙火”是來自生活中的例子,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“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“情境—問題—體驗” 的顯隱互化教學(xué)使學(xué)生敢于發(fā)表自己的觀點,能傾聽、理解、尊重他人的觀點,并能進行反思修正做出正確的科學(xué)判斷和價值判斷,培養(yǎng)學(xué)生維護他人尊嚴、尊重他人價值的人文情懷.同時,也感受我國先進的航天技術(shù),增強學(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)射后不會掉落?我們分組進行“扔粉筆”實驗.請各個小組站在椅子上將粉筆以不同初速度平拋扔出,并分析其運動軌跡的特點.

生:初速度越大,粉筆拋得越遠.

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

生:粉筆拋得很遠都不會掉落到地上.

教師由此引入牛頓對衛(wèi)星的猜想,通過動畫模擬展示給學(xué)生.

師:與“扔粉筆”實驗有所區(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動,而是做圓周運動.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動.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動的環(huán)繞速度.根據(jù)上一節(jié)所學(xué)內(nèi)容,請同學(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,速度為多少呢?

生:v=7.9 km/s.

師:實際上這就是物體在地球表面繞地球做勻速圓周運動的速度,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.因為發(fā)射速度越大,物體才能到達更高軌道上.

圖1 3個宇宙速度

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,它就會克服地球的引力,永遠離開地球.當(dāng)飛行器的速度等于或大于16.7 km/s,它就會克服太陽的引力,飛到太陽系外.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(整個過程結(jié)合動畫模擬,如圖1所示).從認識宇宙速度的過程中你有什么體會嗎?

生:牛頓被蘋果砸到發(fā)現(xiàn)了萬有引力,在思考萬有引力定律時提出發(fā)射衛(wèi)星的構(gòu)思.從萬有引力的提出到第一顆人造衛(wèi)星的成功發(fā)射,這一過程背后隱藏著無數(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:如果沒有物理學(xué)家們在科學(xué)的道路上披荊斬棘,那不會有我們現(xiàn)在多彩多姿的現(xiàn)代生活.浩瀚星辰在過去是人類觸不可及的地方,如今我們卻可以通過簡潔的物理公式來認識宇宙,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,無數(shù)的星體在各自的軌道做有規(guī)律的運動,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,提升學(xué)生的審美情趣,而且大大提升學(xué)生對物理的學(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！⑸鐣陌l(fā)展做出了巨大的貢獻.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.

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)入時觀看了我國第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)生探究以下問題.

探究1:北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的運行規(guī)律及實現(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動,后在高軌道做圓周運動.

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

生:由離心運動可知,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,簡潔的萬有引力定律中蘊含宇宙行星運動的奧秘,下面我們一起通過仿真模擬實驗來檢測我們剛剛的理論探究.

通過對北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的運行規(guī)律及實現(xiàn)變軌條件的探究,討論北斗導(dǎo)航衛(wèi)星在不同軌道的運動特點并對其原因進行解釋,整個過程教師引導(dǎo)學(xué)生分別從模型建構(gòu)、理論依據(jù)、進行檢驗促進學(xué)生物理觀念、科學(xué)思維、探究意識的形成,并讓學(xué)生感受萬有引力定律的重要性.

探究2:地球同步衛(wèi)星有什么特點?畫出你認為地球同步衛(wèi)星可能的運行軌道并驗證.

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:運動方向與地球的自轉(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)星的特點可以假設(shè)其可能的運行軌道嗎?

圖2 同步衛(wèi)星的可能軌道

學(xué)生活動:各小組交流討論,進行假設(shè)(如圖2).

驗證假設(shè):假設(shè)衛(wèi)星在赤道上空以外的某路線繞地球轉(zhuǎn)動,受到地球?qū)λ娜f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)動的向心力,另一分力為F2,實際中找不到與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.此時地球?qū)Φ厍蛲叫l(wèi)星的萬有引力全部作為向心力.

最后教師引導(dǎo)學(xué)生通過仿真模擬實驗檢測學(xué)生的理論探究.

設(shè)計意圖: (1) 以“問題、交流、證據(jù)、解釋”的方式進行探究,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)定運行的物理模型;通過不同角度探究地球同步衛(wèi)星可能的運行軌道培養(yǎng)學(xué)生能多維度辯證分析問題的能力.(2) 通過合作探究與現(xiàn)代信息技術(shù)動畫模擬同步衛(wèi)星發(fā)射過程的方式讓學(xué)生理解北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的運行規(guī)律及實現(xiàn)變軌的條件,感受探究的樂趣以及通過探究得出結(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.

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(以我國為主)的作業(yè),在課堂通過學(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)于我國北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的相關(guān)資料.

……

設(shè)計意圖:讓學(xué)生自主角色扮演親身體驗可以增強體驗感,感受人造衛(wèi)星給人類與社會帶來的巨大價值的同時體會物理學(xué)本身的價值； 也讓學(xué)生認識到我們新中國從剛成立時的“一窮二白”到如今處在世界經(jīng)濟舞臺的中心離不開科學(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”知識點的情節(jié).

設(shè)計意圖:結(jié)合影視資源的開放性課后實踐有效增強學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣,讓學(xué)生利用課堂所學(xué)知識進行課后資料收集,提升學(xué)生的實踐能力.《流浪地球》以中國特色背景滲透出的愛國主義與集體主義情懷可以引起學(xué)生們的共鳴,樹立家國情懷.

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)的物理知識內(nèi)容,在教學(xué)過程中學(xué)生更是收獲了科學(xué)推理能力、綜合分析能力、探究問題解決能力,提升人文素養(yǎng),形成正確的價值觀.特別強調(diào)的是教師在課堂上要抓準時機,將物理學(xué)的科學(xué)性與人文性明示出來,及時引導(dǎo)學(xué)生進行反思、總結(jié).整個過程可利用創(chuàng)設(shè)生活物理情境、結(jié)合時事新聞、科技發(fā)展前沿、弘揚科學(xué)家的偉大精神、開展小組活動等教學(xué)策略,以及開展學(xué)生實踐活動踐行科學(xué)素養(yǎng)與人文素養(yǎng).總之,教師要正確認識物理的科學(xué)價值與人文價值并且有扎實的基本功,[5]在課前做好充足的準備,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教學(xué)過程中,真正達到教學(xué)“求真、求實、求善、求美”的統(tǒng)一.