優化課堂教學設計提升物理核心素養

惠廣俊

摘 要：物理課堂教學是培育學生物理核心素養的關鍵途徑.在物理概念和規律課教學中，把握學生科學思維的認知起點，創設問題情境，選擇科學的探究內容和探究方法，精心設置問題，抓住基于學生思維發展的課堂動態生成，引領學生對科技和社會樹立正確的態度和責任心，有利于培育學生的物理核心素養.

關鍵詞：物理核心素養；理想化模型；實驗探究；課堂教學；教學反思

提升學生的物理學核心素養是中學物理教學的價值所在[1]. 要落實、提升學生的物理核心素養，需要我們進行課堂教學理念、教學方式的變革以及學生學習方式的變革.本文以單擺教學中理想化模型的建立、周期規律的探究以及學生的提問等幾個環節的教學設計探討這種變革的實現，達到凸顯科學思維、凸顯實驗探究和凸顯科學態度與責任的目的.

一、把握學生物理思維的認知“起點” 搭建合適的“認知平臺”

從關注學生物理思維過程的角度設計教學活動，不把學生當作裝知識的容器，不僅僅關注如何以學生最容易接受的方式把知識講透徹明白，更要關注的是知識在學生大腦里形成的過程.給學生傳授的知識和方法要立足于發展學生自己獨立的科學思維能力，讓學生以后遇到新問題時能遷移研究的方法和能力.

譬如，在單擺理想化模型建立的教學環節中，一些教師往往簡單地認為單擺模型是不言而喻的、顯而易見的，所以直接告訴學生什么是單擺，在教學中忽略學生思考問題的邏輯起點，知識往往被一帶而過，沒有意識到該處可能成為一個“學生思維盲點”.為此筆者對此環節進行了以下的設計.

（一）對實際擺的抽象

教師（展示圖1所示的材質、大小、長度均不同的擺）：生活中有各種各樣的擺，現在我們要做一個最簡單的便于我們進行研究運動規律的擺，你們要怎樣選器材，球體積大的好還是小的好，為什么？

學生：越大越好，因為大，觀察得清楚.得至少像乒乓球那樣的大小.

教師：同樣半徑大小的木球、乒乓球、小鋼球、泡沫球你愿意用哪個？為什么？（演示各種等長的不同材料、同樣形狀的擺球的振動）

學生：鋼球好，因為空氣阻力影響小.

教師：同樣質量的大鋼球和小鋼球你選擇哪個進行試驗研究？為什么？

學生：小.越小越好，阻力小.

教師：線呢，用長線還是短線？粗棉線、橡皮筋還是細的棉線？

學生：粗線，看得清楚.

教師：那我們的線如果粗的質量很大呢？

學生大笑：老師，那就像個桿了.

教師：桿就不行了嗎？

學生：這樣一來擺球受力復雜了.

教師：請各位同學總結一下.（學生經過討論：選線細長、質量大、體積小的球）

教師：對，如果我們再理想一點，把擺的質量集中在小球中心，運動過程中空氣阻力也可以忽略不計，擺線的質量與小球相比也忽略不計，選擇質量大、體積小的球和盡量細、伸縮性小的線，這樣的理想化裝置就叫單擺，單擺就是實際擺的理想化模型.

（二）將單擺納入簡諧運動模型

1.實驗探究（運動學分析）

通過J2188型二維時間-空間描跡儀，學生分組實驗體驗，得到單擺的振動圖像.通過分析單擺振動圖線的時間軸的間隔均勻分布，讓學生體會到x-t圖像，學生很容易從運動學角度判斷出單擺的振動是簡諧運動模型.

2.理論探究（動力學分析）

教師：到底是什么力促使單擺做這樣的往復運動呢？

學生：向心力.

教師：一起來分析向心力的來源（圖2）.

[O][G][T]

圖2

學生：繩的拉力和重力沿擺線延長線方向分力的合力是沿著擺線指向圓心（懸掛點），是使擺球沿圓弧運動的向心力.

教師：向心力對擺球的運動有什么效果？

學生：它改變擺球運動的方向，不改變擺球運動的快慢.

教師：因此，在研究擺球沿圓弧運動的位置變化時，不需要考慮向心力.

學生：那是重力沿圓弧切線方向的分力，這個分力是使擺球振動的回復力.

教師：該回復力的大小和方向有什么特點？

學生：這個回復力大小是F=mgsinθ.

教師：F=mgsinθ能否說明單擺振動是簡諧振動呢？請同學們回憶簡諧運動回復力的特點.

學生：特點是回復力滿足公式F=-kx.

教師： F=mgsinθ這個力雖然始終指向平衡位置，大小隨著位移的增大而增大，隨著位移的減小而減小，但在什么條件下回復力與位移大小成正比呢？運動過程中角度θ的大小怎么與物體的位移聯系上呢？

學生：應用數學知識，弧長與角度和圓周半徑有關系，s=θ.在θ很小時，弧長近似等于弦長.

教師再投影擺角為1度至8度的弧度值和對應的正弦值，學生就比較容易結合數學知識推導出單擺的振動是簡諧運動，也對理想化單擺的條件有了深刻認識.

在上面的教學設計中，通過有效的對話策略，教師提出的問題刺激學生思維和討論，充分暴露學生思維，在學生的思維沖突與積極思考過程中，分層次把實際的擺納入單擺模型、將單擺納入簡諧運動模型，通過引導，學生體驗到了抽象理想化物理模型與物理近似處理問題的方法，學生在原認知和新認知的碰撞中親歷了抓住主要矛盾忽略次要矛盾的科學思維過程，也形成了學生積極的創造性思維.

二、把握學生科學探究的科學本質 發展學生分析性思維[2]49-50品質和能力

科學探究不僅是一種科學學習的主要方式，是形成其他物理核心素養的主要途徑，而且對學生的提出問題能力、批判性思維能力、交流和合作能力等綜合能力的形成具有重要價值.科學探究能力主要包括問題、證據、解釋、交流四個方面.科學探究中的幾個探究要素，并非是課堂上必須的探究形式和流程，并不是每一個探究都必須包含所有的探究要素.科學探究的要素呈現應該與探究內容和探究能力的培養目標有關，一節物理課探究突出某一個或幾個環節就非常不錯了，如果每個知識點都“為了探究而探究”，物理課就會不可避免地陷入僵化，物理課堂教學中不能因為局限于科學探究僵硬的“殼”，而失去科學探究富有活力的精神.

物理課堂教學的關鍵是怎樣選擇合適的科學探究內容與方式，讓高中學生感覺到可以像科學家一樣工作.我們以單擺的周期規律探究的教學設計為例來說明.

單擺的周期規律是比較精煉的語言和公式，如果直接將科學的結論告訴學生，讓學生理解和運用，使科學的過程與結果分離開來，現成的結論使學生誤以為物理概念和規律的得出輕而易舉，不僅使學生失去了觀察、研究問題的興趣，同時也使教學黯然失色，學生的能力得不到培養.基于物理學科的實驗學科特點，實驗探究是必不可少的. 我們選擇定性科學探究和定量科學探究相結合的方式來實現對單擺的周期規律的探究.

（一）單擺振幅、質量、擺長對周期的影響

定性探究：在鐵架臺的橫梁上固定兩個單擺，依次按照兩擺的振幅不同（都在小偏角下）、質量不同、擺長不同，把它們拉起一定角度后同時釋放，觀察兩擺的振動周期.

此處采取教師演示實驗，學生觀察，定性分析得出結論方式，實驗效果明顯高效，學生恍然大悟，周期與質量、振幅兩項因素無關.

（二）單擺周期和擺長關系的實驗探究

定量探究：此處采取學生分小組實驗，探究不同擺長與周期的定量關系，對實驗數據進行分析，用計算機數據擬合圖像，培養學生動手實驗、數據分析、合作交流等科學探究能力.

本教學案例中，選擇定性科學探究和定量科學探究相結合，抓住局部內容進行課堂科學探究實驗，克服了課堂教學時間限制，又讓學生親歷了實驗探究過程，增強了學生觀察、研究分析問題的興趣，學生通過一個主動探究環節，對探究實驗中所蘊含的控制變量思想方法、實驗操作技能、數據分析能力會有著深深的體驗與感受.不管實驗成功還是失敗，能帶給學生科學發現的曲折和愉悅的體驗.最可貴的是，學生在實驗過程中會發現、分析、解決自身操作中存在的一些問題，跟同伴有效交流分享，協同完成任務，科學探究能力得到培養，物理科學素養得到提高.

三、把握科學態度與責任內涵 發展學生創造性思維[3]品質和能力

科學態度與責任是學生在認識科學本質，理解科學技術、社會、環境（STSE）關系基礎上形成對科學和技術應有的正確態度及責任心[4]. 發展學生的創造性思維，單純的道理說教有時候效果不一定好，教師要以伙伴、促進者的姿態出現在課堂上，促進學生主動學習、獨立思考，在課堂中對“生成”的問題和探究要有更多的首肯和鼓勵，及時捕捉學生創造性思維的火花，加以指導和引導，在平等交往的對話機制中，師生共同完成知識建構，進而形成靈活開放與生成發展的探究式課堂運行機制， 為學生創造性思維品質和能力的發展創造有利的環境.

在單擺的教學中，筆者抓住了學生的一個提問，生成、設計了以下的教學過程.

學生問：為什么不論擺幅多大，擺動一個周期的時間總是相等的？是什么使得它自動調節自己的速度？為什么周期與質量M無關了？為什么與慣性無關了？

教師：這真是一個令人著迷的問題.你提了一個伽利略當年思考的問題.

（接下來，教師介紹了伽利略當年感覺到單擺問題與自由落體問題有內在的聯系，先將單擺問題化為斜面問題，相當于把擺弧的曲線化為斜面的直線來處理，斜面傾角越大相當于擺幅越大，通過理想化斜面實驗研究，得出物體的下落時間與物體質量無關）

教師：很久之前，時間測量始終是擺在人類面前的一個難題，一直到惠更斯1656年創造性地設計出人類歷史上第一個擺鐘，1673年提出擺的數學理論.對此有興趣的同學也可以課后再進一步探索.

上述介紹和伽利略發現教堂吊燈振動規律的故事，以及惠更斯近70年后提出的擺的數學理論的歷史過程，科學家進行科學探究的過程與學生思考的結合，更是使學生在探究知識規律的過程中獲得的情感體驗達到高潮，使學生更接近真實的科學，從而建立起正確的科學觀.學生在科學探究活動中不僅鍛煉了探究能力，還對探究本身有了更深刻的理解.

該節課后，班里有幾個學生進行了一個研究性學習課題：鐘表的發展歷史.

課堂教學中對學生的物理觀、科學態度與價值觀的影響都是潛移默化的.課堂教學的“活”，表現為學生的積極性和主動性，表現為學習活動的生成性；課堂學習的“動”，表現為學生真正的動手動腦，思考和樂于探究，學生的思維往往是火花.在有效的課堂教學中讓學生建立起正確的、嚴謹的、實事求是的科學觀和物理觀，學生會對科學研究和社會責任有更深刻的理解.

四、對物理課堂教學的再審視

（一）以學生為中心的課堂教學，科學思維培育是關鍵

教師的教學方式影響著學生的思維方式[2]9，物理課堂教學應該基于學生的思維發展進行精心設計.教師要分析每個教學環節對學科核心素養的培育是如何體現的、是否合適及是否可行.教師絕不能老是告訴學生問題是什么、解決問題的途徑是什么，只把“問題解決”留給學生去做，課堂教學中教師說話的時間不妨少一點.

（二）不要讓“偽探究”束縛了一節課的靈魂，避免科學探究模式僵硬化

探究學習的形式多種多樣，基于物理學科的特點，實驗探究是必不可少的.探究式課堂中教師要發揮組織者、引導者的作用，對學生一些漫無邊際的想法、復雜的問題、代表性的問題要及時加以分類、開展深入討論，避免已知明顯結果的毫無意義的“偽探究”活動；教師也不能老沿著自己的教學思路去“引導”學生到自己的教學設計中，忽視學生自己領悟、感受、質疑的過程.

（三）教學相長，教師的物理觀影響著學生的物理觀、科學態度與責任觀

學生的物質觀、運動觀、時空觀和能量觀等不是短時間就樹立起來的，物理教師的使命與責任在于帶領學生認識自然世界的奧秘，引領學生辯證、客觀地看待自然和社會活動.物理教師的言行影響著學生的品德修養、精神世界和價值追求.物理教師要以新的課程改革為契機，反思自己的課程觀和學生觀，正確把握物理學科的本質特點，提高教師的綜合素養和學科內整合能力，是對學生進行物理核心素養培養的重要保障.

參考文獻：

[1]蔣天林. 基于學生物理核心素養提升的教學實踐[J]. 物理教師， 2017（1）：7-9.

[2]斯滕伯格，史渥林.思維教學：培養聰明的學習者[M].趙海燕，譯.北京：中國輕工業出版社，2001：7.

[3]陳安龍.創造性思維與教學[M].北京：中國輕工業出版社，2000：32-36.

[4]王高.物理核心素養培養淺探[J]. 物理教師， 2016（12）：15-19.