優化課堂教學策略 提升物理核心素養
——以一節“動力學專題”復習課為例

曾 晗

(桐鄉市鳳鳴高級中學,浙江 嘉興 314500)

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優化課堂教學策略 提升物理核心素養
——以一節“動力學專題”復習課為例

曾 晗

(桐鄉市鳳鳴高級中學,浙江 嘉興 314500)

基于核心素養培養的高中物理教學是新一輪課程改革的必然要求.以一節“動力學專題”復習課為例,從依托本原性問題、融自主設計與獨立操作于一體、創設可引發認知沖突的真實情境、聯系生活實際4個角度出發,闡述了在課堂教學中培養學生物理核心素養,包括物理觀念、科學探究、科學思維、科學態度與責任的具體優化策略.

物理核心素養;本原性問題;認知沖突;物理教學

《普通高中物理課程標準修訂版》內部征求意見稿中指出:物理核心素養是學生在接受物理教育過程中逐步形成的適應個人終生發展的必備品格和關鍵能力,是學生通過物理學習內化的帶有物理學科特性的品質.[1]新課程標準規定物理核心素養主要由“物理觀念”、“科學探究”、“科學思維”、“科學態度與責任”等4個方面的要素構成(如圖1所示),而教育教學實踐是培養學生核心素養的關鍵一環,因此,如何通過優化物理課堂教學有效培養學生的核心素養將成為一個重點研究課題.

圖1 物理核心素養的構成

下面就以一節“動力學專題”復習課為例,談一談課堂教學中培養學生物理核心素養的具體方法策略.

1 依托本原性問題,引領學生物理觀念的形成

本原性問題是指能夠揭示某一學習主題中最為原始、樸素、本質的觀念、思想和方法的問題.[2]物理觀念是指從物理學視角形成的關于物質、運動與相互作用、能量等的基本認識,是物理概念和規律等在頭腦中的提煉和升華.通過高中階段的學習,學生應該形成經典物理學的基本觀念,并能用其理解自身生活的客觀世界,認識自然界的構成、現象和規律,把握物質存在的多樣性、復雜性和統一性,形成科學的唯物主義世界觀.[3]物理觀念主要包括物質觀念、運動觀念、相互作用觀念、能量觀念.課堂教學中,要求教師能夠適時提出直擊學生認知漏洞的本原性問題,并以此作為學生形成物理觀念的“催化劑”.本原性問題的提出要以學生原有的認知結構為基礎,旨在發現學生認知的疑惑點、?？奎c及連接點.筆者在“動力學專題”復習課中布置了這樣一道習題.

圖2

例題.如圖2所示,在傾角θ=37°的足夠長的固定的斜面上,有一質量m=1kg的物體,物體與斜面間動摩擦因數μ=0.2,物體受到沿平行于斜面向上的輕細線的拉力F=9.6N的作用,從靜止開始運動,經2s繩子突然斷裂,求:

(1) 繩斷瞬間物體的速度大小為多少?

(2) 繩斷后多長時間物體速度大小達到22m/s?

學生在做第(2)問時,普遍都是結合上滑、下滑的受力分析,得出加速度后直接用運動學公式求解,但常常會忽略一個動力學中至關重要的問題: 物體滑到最高點時能否停得住?筆者提出這個問題時,學生先是感到詫異,隨后便很快陷入沉思.留白之后,筆者隨機提問了幾位學生.

教學片斷1:

生1: 因為題目中要求的是滑塊速度達到22m/s時所需的時間,所以實際上已經默認了滑塊在斜面上是停不住的.

師:題目只是為我們提供了一種物理情境,拋開題目本身,我們現在要解決的是“能否停得住?”這個問題.

生2: 滑塊是由于重力才會向下滑的.

師:這確實是一個非常關鍵的因素,那么由于重力的存在滑塊就一定會下滑嗎?

生3: 應該從物體由“不動”到“動”的臨界條件來討論,就好比去推一張桌子,只有當推力大于桌子與地面間的最大靜摩擦力時,桌子才會動起來．對于斜面上的物體,如果物體沿斜面向下的分力Gx大于物體與斜面間的最大靜摩擦力fmax,那么物體就停不住.

師:很好!這位學生說出了物體在斜面上無法靜止的本質原因.當重力沿斜面的分力Gx>fmax時,物體達到最高點后將無法靜止,而是會反向加速下滑.即

mgsinθ>μmgcosθ.

通過化簡得到物體在斜面上無法靜止的動力學條件為μ

認知的發展在一定程度上就是問題解決的過程.在本原性問題“物體滑到最高點時能否停得住?”的引領下,學生完成了提出問題、理性分析、相互交流、歸納總結、形成結論等關鍵步驟,參與對話的各方在相互溝通的過程中,充分暴露自己,了解對方,進而通過相互影響、相互補充、融合視閾、生成觀念.使學生在獲取知識的同時,樹立了多角度、多方位思考問題的意識;內化了物體由“不動”到“動”的動力學機制,形成了正確的“運動觀念”.在具體情境的基礎上提出問題不僅顯得自然,而且順應學生的認知邏輯,同時也符合物理的學科邏輯.學生經歷了問題的解決過程,對“平衡條件”和“牛頓第二定律”的理解更加透徹、深刻.

解決了“能否停得住?”這個問題之后,筆者將情境進一步拓展.

圖3

通過上述本原性問題的解決,此時的拓展情境可以說完全符合學生的認知期待,學生能夠很好地領會教師的意圖,并做出積極的回應.

2 融“自主設計”與“獨立操作”于一體,助力學生科學探究能力的提升

探究能力是指提出問題、形成猜想和假設、獲取和處理信息、基于證據得出結論并做出解釋以及對探究過程和結果進行交流、評估、反思的能力.[4]通過高中階段的學習,學生應具有科學探究意識,能在學習和日常生活中發現問題、提出合理猜測與假設;具有運用課本知識設計相關探究方案和獲取證據的能力;能正確使用常見的物理實驗儀器,獨立完成物理實驗,經歷真實的探究過程;具有分析論證的能力,會使用各種方法和手段分析、處理信息,描述、解釋實驗探究結果和變化趨勢;能主動將自己的想法與同伴交流,堅持正確的觀點,積極修正錯誤想法.

能否運用物理知識與方法解決生活中的現實問題,是判斷學生物理學科核心素養高低的重要標準.針對上述的拓展情境,筆者要求學生根據提供的實驗器材,設計出可行的實驗方案來佐證自己的猜想?首先面對的問題就是如何測出木塊與木板間的動摩擦因數μ.經過學生分組討論,確定了下列兩種方案.

圖4 實驗裝置圖

圖5 實驗裝置圖

教學片段2:

生:方案1是錯誤的.

師:請問錯在哪里?

生:用手拉時無法很好地控制木塊的速度恒定,這樣便導致傳感器的拉力不等于木塊受到的滑動摩擦力.

師:有道理!那“方案2”為什么就可行呢?(此處留給學生必要的思考時間)

生:方案2中,在向外抽木板時,木塊受到了向左的滑動摩擦力,木塊在這個力的帶動下,就會向左運動,從而使傳感器的拉力增加,當木塊受到的拉力與滑動摩擦力相等時,木塊就會一直處于靜止狀態.

師:也就是說,方案2能夠減小實驗裝置的系統誤差,不管抽出木板的速度多大,木塊最終都會靜止,從這一點上來講,方案2優于方案1.

物理教學具有一個非常鮮明的特征,那就是“以物明理,物理滲透”,這里的“物”就是指探究實驗.[4]教師在課堂中要為學生創設真實的探究環境,讓學生運用所學的知識和方法,自主開展研究活動,讓他們像科學家那樣“獨立地嘗試用各種方法研究問題”,只有在真實情境中的自主探究,才能體現學生的探究能力和科學素養.

通過分組研討,學生充分發揮各自的聰明才智,群策群力、自行設計,確定多種實驗方案,盡管其中部分方案不盡完善,甚至是錯誤的,但學生的思維得到了鍛煉,興趣得到了培養.學生親身經歷了實驗方案的設計、可行性論證、實驗演示、誤差分析等流程,切實體驗了物理問題的實驗探究程序和方法,從而對探究有了從感性到理性更為深層次的認識和理解.同時也實現了以教師講授和學生練習為主的傳統教學方式向以學生親自動手、自主探究為主的新型教學方式的轉變,使教學成為了師生共同解決問題的過程,讓知識的掌握成為學生實驗探究能力提升的副產品.[5]

3 創設可引發認知沖突的真實情境,促進學生科學思維的發展

科學思維主要包括模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新等要求,它是人腦反映客觀世界的機理.通過高中階段的學習,學生應能從不同角度思考問題,能針對問題建構理想模型,能尋找并運用證據對問題進行描述,解釋和預測,能從定性、定量兩個方面進行科學推理,能在質疑批判中形成結論.[3]由于受高考制度的影響,傳統的灌輸式教學側重知識的理解,在應用上側重方法和模式的套用,阻礙了思維靈活性、開放性的發展,導致學生普遍缺乏批判性思維.課堂教學中教師要積極探索能夠促進學生批判性思維品質提升的多種途徑,其中,創設可引發認知沖突的真實情境,便是有效的策略之一.

圖6

根據上述實驗,得出木塊與木板之間的動摩擦因數μ=0.3,若要木塊在傾斜的木板上無法靜止,則木板的傾斜角度應θ>16.7°.筆者請了兩位學生上臺為大家演示,一人用量角器確定角度,另一人控制木板和木塊．演示之前,每一位學生的內心都有著相同的期待:當木板傾角達到16.7°時,木塊將會下滑.但實際發現,當木板傾角為18°,甚至更大時,木塊都無法下滑(如圖6所示).看到的現象與內心的期待相悖,學生對此異常困惑,從而引發了強烈的認知沖突,進而懷疑先前得出結論的正確性.

教學片段3:

師:誰能夠解釋剛才看到的現象?

生1:可能剛才木塊放在木板上的位置比較粗糙.

師:這是一個很可能的原因,我們不能保證木板上各處的粗糙程度一樣.除了這個原因以外,有沒有其他觀點?

生2:先前的結論是在假設最大靜摩擦力等于滑動摩擦力的前提下得到的,而實際兩物體間的最大靜摩擦力可能大于它們之間的滑動摩擦力,所以要使木塊下滑,必須讓木板傾斜的角度更大.

師:非常好.最大靜摩擦力是否比滑動摩擦力大呢?我們能否通過實驗來驗證呢?

……

思維是智力活動的核心,而思維的生長需要精心設計的“環境土壤”.相比于直接將“最大靜摩擦力大于滑動摩擦力”的結論告知學生,上述做法起到的效果可謂事半功倍.首先,為學生思維的發展提供了必要的臺階.由于之前已經歷了鋪墊性的環節,此處問題的提出顯得流暢自然而不突兀,學生內心易于接受;其次,認知沖突激活了學生的求知渴望.學生原本滿心期待的結果沒有發生,觸發了深層的思維機制,進入了深度學習，提升了學生的思維品質.學生的認知需要在教師的引導下逐步完善并實現螺旋式上升,原先為了處理問題時方便而假定的結論可能在實際情境中不再適用,促進學生在解決問題的同時發展其批判性思維,能夠在質疑批判中形成結論、完善結論.

筆者在師生對話后設置了如下的“生活體驗”環節:讓學生去推動放滿書本的課桌(放滿書本是為了增加課桌的重量).完成之后,學生普遍的感受是“使課桌動起來比較費力,但推動的瞬間突然變得省力”.這也恰恰說明結論“f滑

4 聯系生活實際,激勵學生科學態度與責任的養成

“科學態度與責任”是指在認識科學本質,理解科學、技術、社會、環境(STSE)關系的基礎上形成的對科學和技術應有的正確態度以及責任心.具有學習物理和探索自然的內在動力,嚴謹認真、實事求是和持之以恒的探索精神,獨立思考、敢于質疑和善于反思的創新精神,以及保護環境、推動可持續發展的責任感.能尊重自然、遵守科學倫理和道德規范,主要包括科學本質、科學態度、科學倫理、STSE等要素.

筆者在課堂上先讓學生觀看了一段交通事故的視頻,隨后給出了下面一道習題.

例題.2016年5月31日深夜,某市發生了一起交通事故,造成一死一傷.警方在案發后通報稱,肇事人屬于酒駕,肇事車速達130碼.如果由你來調查這起事故肇事車輛的車速,你需要掌握哪些信息?

教學片斷4:

師:如果你是一名交警,上級派你來勘查現場,你如何確定肇事車輛超速與否?

生1:用皮尺測出剎車時輪胎在馬路上所留痕跡的長度,再確定剎車的時間,便可根據運動學公式求解初速度.

師:剎車時間如何確定呢?

生1:(經過短暫思考)調監控.

生2:這樣獲得時間不妥,因為事故發生在深夜,光線可能會影響監控畫面的質量,而且有些地方是監控死角,無法看到事故的全過程.

師:那還有什么其他辦法?

生2:可以通過查閱汽車使用說明書,得到剎車時的加速度大小;或是得到輪胎與地面之間的動摩擦因數μ,汽車剎車時的加速度a便等于μg,再根據v2-v02=2ax即可得到初速度.

師:很好,我們已經具備成為一名交警的潛質了.希望同學們樹立“安全行駛”的意識,切忌逞一時之快.

物理源于生活,用于生活.新課程改革要求課堂教學中彰顯學生的主體地位,樹立學生的“主人翁”意識,提高課堂參與度．向學生呈現貼近生活、“有血有肉”的真實情境,不僅可以促進他們對知識的掌握,還可以提升他們解決實際問題的能力.

教學不僅僅是知識的傳遞,能力的提升,還需要有態度與責任的浸染.從發生在學生身邊的事情出發,通過觀看交通事故的視頻以及實際問題的解決,時時告訴我們,教天地人事,育生命自覺,建立安全行駛的態度與責任，夜晚行車須慎重,安全時刻放心中.引導學生樹立“交通安全”意識,尊重他人,敬畏生命,并能正確把握科學(S)、技術(T)、社會(S)、環境(E)之間的關系,經歷理論與實踐的結合,將在課堂上學到的知識運用到實際的生產生活當中,遵守社會規范,抵制違背科學倫理道德的行為.

5 總結

知識與能力能夠在后天習得,但素養的形成卻要靠經歷、反應、等待、領悟和升華.諾貝爾物理學獎獲得者勞厄說過:“重要的不是獲得知識,而是發展思維能力.教育無非是一切學過的東西都遺忘掉的時候,所剩下來的東西.”[6]這位物理學家一語道破了教育的真諦,即教育追求的并不僅僅是知識,還在于學習知識過程中沉淀下來的東西,亦即人的素質.

在全面深化課程改革的背景下,高中物理教師應該深諳高中物理學科教學對培養學生核心素養所具有的育人價值,明確物理學科核心素養的構成,積極探索優化課堂教學的策略,從“物理觀念”、“科學探究”、“科學思維”、“科學態度與責任”等4個方面提升學生的核心素養.雖然在實踐中需要付出必要甚至大量的時間,但只要能為學生的終身發展留下最有價值的東西,那就是值得的.值得一提的是,每種策略的采取并不只是針對于一種素養的形成,它們彼此交融、彼此促進、相互影響,共同為學生物理核心素養的提升服務.

1 彭前程.積極探索基于核心素養理念下的物理教學[J].中學物理:高中版,2016(2):1-2.

2 王俊.運用本原性問題驅動物理概念教學[J].中學物理教學參考,2014(7):6-8.

3 余華云.基于核心素養的高中物理教學探析[J].中學物理教學參考,2016(10):2-5.

4 王俊.核心素養導向的“問題 對話 體悟”教學——以高中物理“功”的教學為例[J].中學物理教學參考,2016(11):21-24.

5 江山,張平昭.基于核心素養拓展物理實驗課程[J].物理教師,2016(11):35-37.

6 張新華.教學設計視角:關注學生的物理核心素養[J].物理教學,2016(5):7-10.

2017-01-11)