中國(guó)載人航天官網(wǎng)中物理課程資源的開(kāi)發(fā)

王梓彥

(江蘇省南京市第九中學(xué)，江蘇 南京 210018)

1 引言

課程資源是決定課程目標(biāo)達(dá)成度的重要因素，充分利用現(xiàn)有的課程資源，因地制宜，多渠道、多方式開(kāi)發(fā)新的課程資源，是切實(shí)提高教學(xué)效益、促進(jìn)課程改革的重要途徑。當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和多媒體技術(shù)發(fā)展迅速，許多網(wǎng)站中蘊(yùn)含著豐富的物理課程資源，如IYPT(國(guó)際青年物理學(xué)家錦標(biāo)賽)官網(wǎng)、LIGO(引力波探測(cè))官網(wǎng)、美國(guó)的NASA(美國(guó)國(guó)家航空航天局)官網(wǎng)等等，相關(guān)的專(zhuān)家、學(xué)者也對(duì)這些網(wǎng)站中的資源進(jìn)行了分析，并嘗試將其融入基礎(chǔ)物理教學(xué)。本文介紹中國(guó)載人航天的官方網(wǎng)站，旨在將其中的課程資源融入物理教學(xué)。

2 中國(guó)載人航天工程及其官網(wǎng)簡(jiǎn)介

我國(guó)于1992年啟動(dòng)載人航天工程，不斷取得新突破，成為世界上第三個(gè)獨(dú)立掌握載人航天技術(shù)、開(kāi)展空間實(shí)驗(yàn)、進(jìn)行出艙活動(dòng)的國(guó)家。2003年10月15日，中國(guó)首次進(jìn)行載人航天飛行，神舟五號(hào)載人飛船在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射。2016年10月17日，神舟十一號(hào)在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，實(shí)現(xiàn)了與天宮二號(hào)的對(duì)接，進(jìn)行了宇航員太空駐留試驗(yàn)，駐留時(shí)間長(zhǎng)達(dá)30天。2020年5月5日，長(zhǎng)征五號(hào)B運(yùn)載火箭首次飛行任務(wù)取得圓滿(mǎn)成功，我國(guó)載人航天工程“第三步”任務(wù)拉開(kāi)序幕。中國(guó)的航天夢(mèng)仍在繼續(xù)，中國(guó)航天事業(yè)也將不斷翻出新篇章。

中國(guó)載人航天官網(wǎng)(http://www.cmse.gov.cn)的首頁(yè)表明了網(wǎng)站建設(shè)的意義，即宣傳載人航天成就，弘揚(yáng)載人航天精神，普及載人航天知識(shí)，傳承載人航天文化，推進(jìn)載人航天事業(yè)，網(wǎng)站標(biāo)識(shí)如圖1所示。

圖1

隨著我國(guó)載人航天事業(yè)的不斷推進(jìn)，網(wǎng)站內(nèi)容也在不斷更新，目前其主要板塊及其對(duì)應(yīng)內(nèi)容如表1所示。

表1

該網(wǎng)站具有以下特色：

(1) 科學(xué)成果展示與科學(xué)知識(shí)普及相結(jié)合

網(wǎng)站不僅詳盡地展示了我國(guó)載人航天工程的發(fā)展歷程和已經(jīng)取得的成就，還關(guān)注相關(guān)科學(xué)知識(shí)的普及，為各個(gè)年齡段的人群提供了豐富的科普資源，讓訪問(wèn)者在了解我國(guó)航天工程動(dòng)態(tài)的同時(shí)，還能學(xué)習(xí)與載人航天有關(guān)的科學(xué)知識(shí)。這樣的網(wǎng)站設(shè)計(jì)不僅能展示我國(guó)航天領(lǐng)域發(fā)展，增強(qiáng)國(guó)民民族自豪感，而且通過(guò)科學(xué)知識(shí)的普及能夠惠及大眾，提高民眾的科學(xué)素養(yǎng)。

(2) 面向各年齡層次群體

網(wǎng)站上的內(nèi)容可以滿(mǎn)足各個(gè)年齡層次訪問(wèn)者的需求。對(duì)于小學(xué)生而言，各種科學(xué)活動(dòng)以及航天員的分享能夠起到科學(xué)啟蒙的作用；初中生已初步學(xué)習(xí)了物理學(xué)，對(duì)于航天的相關(guān)知識(shí)有一定了解，各種航天工程相關(guān)的圖片和視頻資源能進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生對(duì)物理的學(xué)習(xí)興趣；對(duì)于高中生，網(wǎng)站資源可以幫助其理解萬(wàn)有引力與航天的相關(guān)知識(shí)；對(duì)于學(xué)生之外的人群，既可以滿(mǎn)足他們看新聞的需求，又為那些想要深入了解載人航天技術(shù)的人提供了學(xué)習(xí)的平臺(tái)。

(3) 注重科學(xué)精神培養(yǎng)

我國(guó)載人航天工程自實(shí)施以來(lái)，形成了祖國(guó)利益至上、攻堅(jiān)克難創(chuàng)新、安全可靠第一、協(xié)調(diào)順暢高效、艱苦奮斗奉獻(xiàn)的工程文化。在長(zhǎng)期的奮斗中，我國(guó)航天工作者鑄就了特別能吃苦、能戰(zhàn)斗、能攻關(guān)、能奉獻(xiàn)的載人航天精神。載人航天精神，是“兩彈一星”精神在新時(shí)期的發(fā)揚(yáng)光大，是我們偉大民族精神的生動(dòng)體現(xiàn)。創(chuàng)新、合作的精神是科學(xué)探究的要素，同時(shí)這樣的工程文化也有利于幫助人們形成科學(xué)的價(jià)值觀。

3 中國(guó)載人航天官網(wǎng)中物理課程資源的應(yīng)用

從以上介紹中可以看出中國(guó)載人航天網(wǎng)站中資源豐富，既為學(xué)生自學(xué)提供了學(xué)習(xí)資源，也為物理教師提供了教學(xué)資源。筆者從中選取了我國(guó)首次太空授課的內(nèi)容，試著將其融入高中物理課堂教學(xué)中。

2013年6月20日上午10時(shí)，在距離地球300多公里之外的天宮一號(hào)，三名航天員為全國(guó)青少年上了一堂精彩的“太空一課”。王亞平擔(dān)任主講老師，聶海勝配合，張曉光擔(dān)任攝像師，向?qū)W生演示了幾個(gè)物理實(shí)驗(yàn)，展示了太空失重環(huán)境中的奇妙現(xiàn)象。航天員演示和講解了四組實(shí)驗(yàn)，分別是物體質(zhì)量測(cè)量、單擺運(yùn)動(dòng)、太空中的旋轉(zhuǎn)陀螺、太空中的水膜和水球?qū)嶒?yàn)演示。筆者從中提取兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，嘗試將其運(yùn)用到高中物理課堂教學(xué)。

3.1 太空中的物體質(zhì)量的測(cè)量

3.1.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

在失重的太空環(huán)境中，平時(shí)使用的測(cè)量物體質(zhì)量或重力的儀器無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)出物體的質(zhì)量。航天員王亞平和聶海勝用專(zhuān)門(mén)的“質(zhì)量測(cè)量?jī)x”為觀眾演示質(zhì)量的測(cè)量。聶海勝將自己固定在支架一端，王亞平將連接運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的彈簧拉到指定位置。松手后，拉力使彈簧回到初始位置，這樣就測(cè)出了聶海勝的質(zhì)量為74千克(圖2)。

圖2

隨后航天員王亞平解釋了這個(gè)實(shí)驗(yàn)的物理原理，即牛頓第二定律F=ma。如果知道力和加速度，就可算出質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)彈簧凸輪機(jī)構(gòu)產(chǎn)生力，再通過(guò)光柵測(cè)速系統(tǒng)測(cè)出聶海勝運(yùn)動(dòng)的加速度，進(jìn)而算出他的質(zhì)量。

3.1.2 融入高中物理教學(xué)的建議

這一太空實(shí)驗(yàn)已經(jīng)被編入新教材物理必修1第四章第三節(jié)“牛頓第二定律”的“科學(xué)漫步”欄目中，教師可以通過(guò)視頻將此實(shí)驗(yàn)完整地展示給學(xué)生。

先播放該實(shí)驗(yàn)的演示部分，引發(fā)學(xué)生思考太空質(zhì)量測(cè)試儀的原理，然后以該實(shí)驗(yàn)為情境編制一道計(jì)算題：神舟十號(hào)航天員在太空授課時(shí)進(jìn)行了在太空測(cè)量物體質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)。航天員聶海勝將自己固定在“質(zhì)量測(cè)量?jī)x”的一端，航天員王亞平將連接運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的彈簧拉到指定位置，松手后拉力使彈簧回到初始位置。已知彈簧拉到指定位置時(shí)所受彈力大小為15N，用光柵測(cè)速裝置測(cè)量出支架復(fù)位的速度v=0.16m/s，時(shí)間t=0.8s，求航天員聶海勝的質(zhì)量。

該問(wèn)題難度不大，待學(xué)生解決后播放該實(shí)驗(yàn)的原理講解部分，讓學(xué)生意識(shí)到一些看似“高大上”的技術(shù)背后所運(yùn)用的都是基本的物理學(xué)原理。

將該實(shí)驗(yàn)運(yùn)用于教學(xué)之中，有助于學(xué)生理解牛頓第二定律公式中各物理量的意義及其相互關(guān)系，從而形成運(yùn)動(dòng)與相互作用的觀念，也能使學(xué)生感受到牛頓第二定律在解決實(shí)際問(wèn)題中的功用，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用物理原理去解決生活中的實(shí)際問(wèn)題。從考試評(píng)價(jià)的角度分析，新高考更加注重試題情境的設(shè)計(jì)，該實(shí)驗(yàn)可作為真實(shí)情境融入試題的編制中，強(qiáng)化物理知識(shí)與實(shí)際情境的關(guān)聯(lián)。

3.2 太空中的水膜和水球?qū)嶒?yàn)

3.2.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

把一個(gè)金屬圈插入水袋并抽出，形成了一個(gè)水膜。輕晃金屬圈，水膜并未破裂，而是甩出了一個(gè)小水滴。再往水膜表面貼上一片畫(huà)有“中國(guó)結(jié)”圖案的塑料片，塑料片被吸附到水膜表面，而水膜依然完好(圖3)。在第二個(gè)水膜上用飲水袋不斷注水，水膜很快長(zhǎng)成一個(gè)晶瑩剔透的大水球。在這之后航天員還用針筒向水球中注入氣泡，最后還向水球中注入紅色顏料使得水球變成了紅色，水球卻不受破壞(圖4)。

圖3

圖4

3.2.2 融入高中物理教學(xué)的實(shí)施建議

該太空實(shí)驗(yàn)在新教材物理必修1第四章第六節(jié)“超重和失重”中被提及，筆者認(rèn)為其更適用于新教材選擇性必修3第二章第五節(jié)“液體”一節(jié)中液體表面張力的教學(xué)。

該實(shí)驗(yàn)極具趣味性，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯、直觀、奪人眼球，學(xué)生會(huì)感到非常好奇，產(chǎn)生強(qiáng)烈的求知欲，以該實(shí)驗(yàn)引入課題，再講解液體表面張力的有關(guān)知識(shí)，這樣會(huì)比用教材上的兩幅圖效果更好。

在講解完液體表面張力的知識(shí)之后，學(xué)生可能會(huì)產(chǎn)生疑問(wèn)：為什么在地面上無(wú)法做水膜和水球?qū)嶒?yàn)，在太空中卻可以？教師做出解釋?zhuān)河捎谠谔罩幸后w處于失重狀態(tài)，液體表面張力的影響表現(xiàn)得就更明顯，所以用水能夠形成水膜或者水球，而且不容易被破壞。

將該實(shí)驗(yàn)運(yùn)用于教學(xué)之中，有助于學(xué)生理解宏觀現(xiàn)象的微觀原因，形成宏觀、微觀相統(tǒng)一的物理觀念。同時(shí)，該實(shí)驗(yàn)作為視頻素材豐富了日常教學(xué)，為學(xué)生提供了對(duì)失重環(huán)境較為直觀的視覺(jué)體驗(yàn)。此外，該實(shí)驗(yàn)在地球上的不可復(fù)制性也會(huì)促使學(xué)生進(jìn)行對(duì)比和深入思考，從而促進(jìn)科學(xué)思維能力的提升。

4 結(jié)語(yǔ)

中國(guó)載人航天官網(wǎng)上包含了豐富的物理課程資源(文本、圖片、動(dòng)畫(huà)和視頻等)，并且還在不斷更新中。物理教育工作者可以對(duì)這些資源進(jìn)行收集加工，將其合理運(yùn)用在相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)之中，不僅培養(yǎng)了學(xué)生對(duì)物理的興趣，而且有利于提升課堂的教學(xué)效果，從而切實(shí)提高學(xué)生的核心素養(yǎng)。