向磊，丁林杰

重庆三峡学院教师教育学院，重庆

收稿日期：2024年1月15日；录用日期：2024年2月16日；发布日期：2024年2月23日

摘要

本文立足于高中物理学科核心素养，以“宇宙航行”的教学为例，将宇宙航行技术的历史和发展、宇宙航行技术的应用以及宇宙航行技术的前沿研究物理知识融入中学课堂，促使学生核心素养的全面养成。

关键词

物理前沿，宇宙航行，中学物理，核心素养

Integrating the Frontier Content of Physics into Physics Classroom Teaching in Middle Schools

—Taking “Space Navigation” as an Example

Lei Xiang, Linjie Ding

College of Teacher Education, Chongqing Three Gorges University, Chongqing

Received: Jan. 15^th, 2024; accepted: Feb. 16^th, 2024; published: Feb. 23^rd, 2024

ABSTRACT

Based on the core literacy of physics in senior high school, this paper takes the teaching of “Space Navigation” as an example, and integrates the history and development of space navigation technology, the application of space navigation technology and the frontier research of space navigation technology into middle school classroom, and promotes the comprehensive development of students’ core quality.

Keywords:Physics Frontier, Space Navigation, Middle School Physics, Core Quality

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1. 引言

随着现代科学技术的进步，社会对人才的需求变得更加多元化。除了专业的基础知识和创新能力，人们也要求有与时俱进的思维和对最新科技的了解。在高中物理教育中，教材通常包括基础知识和前沿知识两个部分。基础知识主要涵盖力学、光学、热学等模块内容，重点在于理论掌握 [1] 。这些基础知识为学生提供了物理学习的基础，帮助他们理解自然现象和科学原理。而前沿知识则更侧重于介绍天体物理、量子力学、相对论等目前热门的先进科技内容，更加注重实践应用。学习前沿知识可以使学生了解和掌握当今科学领域最新的发展动态，培养学生的探索精神和科学思维方式。因此，在中学阶段向学生传授物理前沿知识具有必要性。通过引入宇宙航行相关的前沿科学知识，可以激发学生对物理学习的兴趣，并培养他们的科学探索能力、实践应用能力以及与时俱进的思维。此外，宇宙航行领域具有跨学科特点，涉及物理学、天文学和工程学等多个领域，为学生提供了跨学科思考和问题解决的机会。

2. 目前的中学物理教学现状与挑战

高中物理教材版本众多，但2019年人教版是目前使用范围相对较大的教材。该教材在教学内容上注重基础知识的传授，同时也关注物理学的前沿知识，为学生提供更全面的物理知识体系。在教材中，有两个栏目“拓展学习”与“科学漫步”，专门为学生介绍物理在相关领域取得的新成果与新发现。然而，教材的更新换代的时间间隔比较久，与目前科学的快速发展相比具有一定的滞后性。因此，教师在教学中不能仅仅局限于教材内容，还需要关注物理学的前沿进展，将最新的研究成果和发现融入到教学中，以激发学生的学习兴趣和动力。

3. 前沿科学知识的重要性

3.1. 前沿科学知识对学生认知拓展的作用

物理前沿知识是具有时代性和创新性的内容，将其与中学物理教学结合可以促进中学物理教学内容的现代化。让学生了解和学习物理学科的前沿知识，不仅可以拓宽学生的知识面，还能够让学生真正意识到物理对我们所在世界带来的改变，也能感受科学家探索新知识的思索过程。

3.2. 前沿科学知识对培养学生核心素养的作用

将物理前沿知识融进基础物理教学能够更好地培养学生的物理观念，培养学生的科学思维、科学态度与责任 [2] 。通过了解和学习物理学的前沿知识，学生可以更好地理解物理学的本质和思想，掌握科学的方法和技能，培养科学的世界观和价值观。

3.3. 前沿科学知识对与高考的联系

高考对于高中生的意义不言而喻，它是学生展示自我能力和潜力的重要舞台。师生都需要密切关注高考和高考命题，教师研究高考试题是非常有必要的。通过研究高考试题，师生可以更好地了解高考的考查内容和形式，把握高考的考试趋势和方向，从而更好地指导学生备战高考。

近几年的高考试题情境将物理学科前沿知识作为素材来源，既真实又新颖，能够促进学生迁移运用能力的提高，培养学生的学科核心素养。通过解决实际问题，学生可以更好地理解和应用所学知识，提高分析和解决问题的能力，培养创新精神和探究能力 [3] 。

4. 关于宇宙航行的基本原理及其在物理学中的位置

宇宙航行涉及到物理学中的多个基本原理和概念，包括牛顿第三定律(即作用力和反作用力)、动量守恒定律、万有引力定律等。宇宙航行中的基本原理和概念包括以下几个方面：

牛顿第三定律：在宇宙航行中，物体受到来自火箭的反作用力，这是牛顿第三定律的体现。当火箭向后喷出气体时，气体受到向后的作用力，同时火箭受到向前的推力，这是动量守恒定律的体现。

动量守恒定律：在宇宙航行中，物体的动量是保持不变的。例如，当火箭向后喷出气体时，气体的动量增加了，同时火箭的动量也增加了，这是因为动量守恒定律的体现。

万有引力定律：在宇宙航行中，物体受到万有引力的作用。例如，地球和月球之间的引力是宇宙航行中的重要因素之一。

在物理学中，宇宙航行是一个重要的领域，它涉及到物理学中的多个基本原理和概念。宇宙航行技术的基础是物理学中的力学原理，它也是现代科学技术的重要组成部分之一。在中学物理教学中，宇宙航行是一个重要的知识点，它不仅可以帮助学生更好地理解物理学的基本原理和概念，还可以激发他们的学习兴趣和创新思维能力。

5. 将宇宙航行相关的前沿科学知识融入到物理课程中

在课堂向学生展示前沿科技对生产生活产生的深刻影响，让学生感受到科技带来的先进生产力，再之后引出问题以及接下来将要学习的主题，并设置学生制作任务，使学生注重学习将要讲授的内容，完成知识的理解及建构。

5.1. 教学设计

在开始这个教学案例之前，学生已经学习了物理学的基本原理和概念，了解了物体的运动、力、能量等知识。在这个案例中，我们将探讨宇宙航行技术的基本原理和应用，以及当前的前沿研究。我们将通过这个案例来展示如何将物理前沿知识融入中学物理课堂，激发学生的学习兴趣和创新思维能力。

1) 宇宙航行技术的历史和发展

在这一部分，我们将介绍宇宙航行技术的历史，从最早的火箭到现代的宇宙飞船。我们还将探讨人类探索太空的历程，以及太空探索对人类社会的影响。

2) 宇宙航行技术的应用

在这一部分，我们将介绍宇宙航行技术在现代社会中的应用，例如卫星通信、地球观测、空间科学研究等方面。我们还将探讨宇宙航行技术对人类社会的影响和未来发展趋势。

3) 宇宙航行技术的前沿研究

在这一部分，我们将介绍宇宙航行技术的前沿研究，例如火星探测、太空旅游、太空资源开发等方面。我们还将探讨这些前沿研究对人类社会的影响和未来发展趋势。

4) 将物理前沿知识融入中学物理课堂的方法和意义

在这一部分，我们将介绍将物理前沿知识融入中学物理课堂的方法和意义。我们将探讨如何选择合适的前沿研究课题、如何激发学生的学习兴趣和创新思维能力、如何帮助他们更好地理解物理学的基本原理和概念等方面。我们将强调将物理前沿知识融入中学物理课堂的重要性和必要性，以及这种教学方法对提高中学生的科学素养和创新思维能力的作用。

5.2. 教学案例的实施

1) 课前准备：在课前，教师需要收集有关宇宙航行技术的相关资料，包括历史、应用和前沿研究等方面。教师还需要准备一些教具，例如模型火箭和卫星模型，以便在课堂上展示。

2) 课堂活动：在课堂上，教师首先引导学生回顾物理学的基本原理和概念，然后介绍宇宙航行技术的历史和发展。接下来，教师介绍宇宙航行技术的应用，例如卫星通信、地球观测、空间科学研究等方面。然后，教师介绍宇宙航行技术的前沿研究，例如火星探测、太空旅游、太空资源开发等方面。在每个部分，教师可以通过展示教具、播放视频或组织小组讨论等方式来激发学生的学习兴趣和创新思维能力。

3) 课后活动：课后，教师可以通过布置作业的方式让学生进一步了解宇宙航行技术。例如：

研究论文总结：要求学生选择一个当前的宇宙航行领域，如太阳能推进、恒星演化等，并阅读相关研究论文或科普文章。学生需要撰写一篇总结报告，概述所选主题的背景、原理、应用和可能的未来发展。

模拟实验：引导学生使用免费的虚拟宇宙模拟软件或在线实验平台，进行与宇宙航行相关的实践探究。例如，让他们模拟行星运动、轨道力学或重力对天体运动的影响，并通过观察和分析得出结论。

设计任务：要求学生设计一个简单的宇宙航行任务、探测器或实验设备，并解释其目标、原理和技术参数。学生需要进行调研、绘制设想的设计图纸，并陈述其可行性和潜在贡献。

辩论分析：鼓励学生参与有关宇宙航行的伦理和社会问题的辩论。给予学生不同的观点，例如私人太空探索、外星生命探索或太空资源利用，并要求他们撰写论文或辩论文章，分析和评估各种观点的优劣势。

科学报告：引导学生进行调研并解释一个宇宙航行的科学原理，如相对论、黑洞性质等。学生需要准备一份口头报告或书面报告，向全班分享他们的研究成果，并回答同学的问题。

设计展示：要求学生以个人或小组形式设计一个展示板或多媒体演示，介绍宇宙航行相关的前沿科学知识。学生可以通过图片、图表、实验结果等形式，清晰地传达有关宇宙航行的概念、原理和应用。

这些课后作业设计将帮助中学物理学生深入了解宇宙航行领域的前沿科学知识，并培养他们的科学研究和表达能力。在设计过程中，教师还应提供必要的指导和反馈，确保学生能够有效完成任务并获得良好的学习成果。

5.3. 教学案例的评价与反思

在每个教学案例结束后，教师需要对教学案例进行评价与反思，包括学生掌握知识的情况、学生参与度、教学效果等方面。通过评价与反思，教师可以发现教学中的不足之处，并加以改进，以提高教学质量。

5.4. 教师角色

在将宇宙航行相关的前沿科学知识融入到物理课程中，教师扮演着重要的角色。教师需要了解宇宙航行相关的前沿科学知识，并能够将其融入到物理课程中，以便学生更好地理解相关概念和原理。

具体来说，教师需要做到以下几点：

1) 掌握相关前沿科学知识：教师需要了解宇宙航行相关的前沿科学知识，如太空探测器的技术、太空站的建设、火星探测等。教师需要了解这些前沿科学知识，以便能够将其融入到物理课程中。

2) 深入了解物理课程：教师需要深入了解物理课程，包括课程的教学目标、教学内容、教学方法等。教师需要了解物理课程中的哪些知识点可以与宇宙航行相关的前沿科学知识相结合，以便能够更好地进行教学设计。

3) 做好教学设计：教师需要根据物理课程的教学目标、教学内容、教学方法等，做好教学设计。教师需要将宇宙航行相关的前沿科学知识融入到物理课程中，并采用合适的教学方法，如实验、讨论、讲解等，帮助学生更好地理解相关概念和原理。

4) 引导学生思考：教师需要引导学生思考宇宙航行相关的前沿科学知识，并鼓励学生提出自己的问题和思考。教师需要鼓励学生积极参与课堂讨论，让学生更好地理解相关概念和原理。

5) 反馈和评估：教师需要及时反馈学生的学习情况，并评估学生的学习成果。教师需要根据学生的学习情况，及时调整教学计划和教学方法，以便更好地帮助学生掌握相关知识和技能。

5.5. 教师面临的挑战

将宇宙航行相关的前沿科学知识融入到物理课程中会面临一些挑战，包括资源匮乏和教师训练的问题，以及如何保证学生理解的深度和广度。以下是一些可能的解决策略：

1) 资源匮乏和教师训练的问题：

寻找合适的教材和教学资源：教师可以通过寻找合适的教材和教学资源，如科学杂志、网络文章、视频等，来帮助学生了解宇宙航行相关的前沿科学知识 [4] 。

培训和进修：教师可以通过参加培训和进修课程，了解最新的宇宙航行相关的前沿科学知识，提高自己的教学水平 [5] 。

2) 如何保证学生理解的深度和广度：

合理安排教学进度：教师需要根据学生的实际情况，合理安排教学进度，确保学生能够掌握相关知识和技能。

组织讨论和探究活动：教师可以通过组织讨论和探究活动，鼓励学生提出问题、思考和探索，促进学生对宇宙航行相关的前沿科学知识的深入理解和掌握。

监督和反馈：教师需要监督学生的学习情况，并及时反馈学生的学习成果。教师可以采用测验、作业、口头报告等方式，来评估学生的学习成果，并据此调整教学计划和方法。

3) 解决策略和建议：

增加实验和实践环节：通过增加实验和实践环节，让学生亲自动手操作，可以更好地理解宇宙航行相关的前沿科学知识。

利用现代技术手段：利用现代技术手段，如虚拟现实、增强现实等，可以让学生身临其境地感受宇宙航行相关的前沿科学知识。

组织学生参加科技竞赛：组织学生参加科技竞赛，可以让学生更加深入地了解宇宙航行相关的前沿科学知识，同时也可以锻炼学生的创新能力和团队合作精神。

6. 结语

总而言之，将宇宙航行相关的前沿科学知识融入物理课程，虽然会面临挑战，但选择合适的解决策略，可以帮助学生更好地理解和掌握相关知识和技能，提高创新意识和科学思维。这将有助于学生将来在科学研究和创新方面有更多的突破和发展。这将为学生未来的学习和工作提供更多的实际技能和能力支持，使他们更加全面、个性化地发展自己的潜力和才华。

文章引用

向 磊,丁林杰. 物理前沿内容融入中学物理课堂教学 ——以“宇宙航行”为例
Integrating the Frontier Content of Physics into Physics Classroom Teaching in Middle Schools—Taking “Space Navigation” as an Example[J]. 教育进展, 2024, 14(02): 1495-1500. https://doi.org/10.12677/AE.2024.142232

参考文献