曾 晗

(桐鄉(xiāng)市鳳鳴高級中學(xué),浙江 嘉興 314500)

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優(yōu)化課堂教學(xué)策略 提升物理核心素養(yǎng)
——以一節(jié)“動力學(xué)專題”復(fù)習(xí)課為例

曾 晗

(桐鄉(xiāng)市鳳鳴高級中學(xué),浙江 嘉興 314500)

基于核心素養(yǎng)培養(yǎng)的高中物理教學(xué)是新一輪課程改革的必然要求.以一節(jié)“動力學(xué)專題”復(fù)習(xí)課為例,從依托本原性問題、融自主設(shè)計(jì)與獨(dú)立操作于一體、創(chuàng)設(shè)可引發(fā)認(rèn)知沖突的真實(shí)情境、聯(lián)系生活實(shí)際4個角度出發(fā),闡述了在課堂教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng),包括物理觀念、科學(xué)探究、科學(xué)思維、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的具體優(yōu)化策略.

物理核心素養(yǎng);本原性問題;認(rèn)知沖突;物理教學(xué)

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)修訂版》內(nèi)部征求意見稿中指出:物理核心素養(yǎng)是學(xué)生在接受物理教育過程中逐步形成的適應(yīng)個人終生發(fā)展的必備品格和關(guān)鍵能力,是學(xué)生通過物理學(xué)習(xí)內(nèi)化的帶有物理學(xué)科特性的品質(zhì).[1]新課程標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定物理核心素養(yǎng)主要由“物理觀念”、“科學(xué)探究”、“科學(xué)思維”、“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”等4個方面的要素構(gòu)成(如圖1所示),而教育教學(xué)實(shí)踐是培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的關(guān)鍵一環(huán),因此,如何通過優(yōu)化物理課堂教學(xué)有效培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)將成為一個重點(diǎn)研究課題.

圖1 物理核心素養(yǎng)的構(gòu)成

下面就以一節(jié)“動力學(xué)專題”復(fù)習(xí)課為例,談一談?wù)n堂教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的具體方法策略.

1 依托本原性問題,引領(lǐng)學(xué)生物理觀念的形成

本原性問題是指能夠揭示某一學(xué)習(xí)主題中最為原始、樸素、本質(zhì)的觀念、思想和方法的問題.[2]物理觀念是指從物理學(xué)視角形成的關(guān)于物質(zhì)、運(yùn)動與相互作用、能量等的基本認(rèn)識,是物理概念和規(guī)律等在頭腦中的提煉和升華.通過高中階段的學(xué)習(xí),學(xué)生應(yīng)該形成經(jīng)典物理學(xué)的基本觀念,并能用其理解自身生活的客觀世界,認(rèn)識自然界的構(gòu)成、現(xiàn)象和規(guī)律,把握物質(zhì)存在的多樣性、復(fù)雜性和統(tǒng)一性,形成科學(xué)的唯物主義世界觀.[3]物理觀念主要包括物質(zhì)觀念、運(yùn)動觀念、相互作用觀念、能量觀念.課堂教學(xué)中,要求教師能夠適時提出直擊學(xué)生認(rèn)知漏洞的本原性問題,并以此作為學(xué)生形成物理觀念的“催化劑”.本原性問題的提出要以學(xué)生原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),旨在發(fā)現(xiàn)學(xué)生認(rèn)知的疑惑點(diǎn)、?？奎c(diǎn)及連接點(diǎn).筆者在“動力學(xué)專題”復(fù)習(xí)課中布置了這樣一道習(xí)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(zhì)量m=1kg的物體,物體與斜面間動摩擦因數(shù)μ=0.2,物體受到沿平行于斜面向上的輕細(xì)線的拉力F=9.6N的作用,從靜止開始運(yùn)動,經(jīng)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(dá)到22m/s?

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

教學(xué)片斷1:

生1: 因?yàn)轭}目中要求的是滑塊速度達(dá)到22m/s時所需的時間,所以實(shí)際上已經(jīng)默認(rèn)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(xiàn)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(shí)是一個非常關(guān)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(yīng)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(dāng)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(xué)生說出了物體在斜面上無法靜止的本質(zhì)原因.當(dāng)重力沿斜面的分力Gx>fmax時,物體達(dá)到最高點(diǎn)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(xué)條件為μ

認(rèn)知的發(fā)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(diǎn)時能否停得住?”的引領(lǐng)下,學(xué)生完成了提出問題、理性分析、相互交流、歸納總結(jié)、形成結(jié)論等關(guān)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(jìn)而通過相互影響、相互補(bǔ)充、融合視閾、生成觀念.使學(xué)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(nèi)化了物體由“不動”到“動”的動力學(xué)機(jī)制,形成了正確的“運(yùn)動觀念”.在具體情境的基礎(chǔ)上提出問題不僅顯得自然,而且順應(yīng)學(xué)生的認(rèn)知邏輯,同時也符合物理的學(xué)科邏輯.學(xué)生經(jīng)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(jìn)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(xué)生的認(rèn)知期待,學(xué)生能夠很好地領(lǐng)會教師的意圖,并做出積極的回應(yīng).

2 融“自主設(shè)計(jì)”與“獨(dú)立操作”于一體,助力學(xué)生科學(xué)探究能力的提升

探究能力是指提出問題、形成猜想和假設(shè)、獲取和處理信息、基于證據(jù)得出結(jié)論并做出解釋以及對探究過程和結(jié)果進(jìn)行交流、評估、反思的能力.[4]通過高中階段的學(xué)習(xí),學(xué)生應(yīng)具有科學(xué)探究意識,能在學(xué)習(xí)和日常生活中發(fā)現(xiàn)問題、提出合理猜測與假設(shè);具有運(yùn)用課本知識設(shè)計(jì)相關(guān)探究方案和獲取證據(jù)的能力;能正確使用常見的物理實(shí)驗(yàn)儀器,獨(dú)立完成物理實(shí)驗(yàn),經(jīng)歷真實(shí)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(shí)驗(yàn)探究結(jié)果和變化趨勢;能主動將自己的想法與同伴交流,堅(jiān)持正確的觀點(diǎn),積極修正錯誤想法.

能否運(yùn)用物理知識與方法解決生活中的現(xiàn)實(shí)問題,是判斷學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)高低的重要標(biāo)準(zhǔn).針對上述的拓展情境,筆者要求學(xué)生根據(jù)提供的實(shí)驗(yàn)器材,設(shè)計(jì)出可行的實(shí)驗(yàn)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(shù)μ.經(jīng)過學(xué)生分組討論,確定了下列兩種方案.

圖4 實(shí)驗(yàn)裝置圖

圖5 實(shí)驗(yàn)裝置圖

教學(xué)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(dǎo)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(xué)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(yùn)動,從而使傳感器的拉力增加,當(dāng)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?fàn)顟B(tài).

師:也就是說,方案2能夠減小實(shí)驗(yàn)裝置的系統(tǒng)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(diǎn)上來講,方案2優(yōu)于方案1.

物理教學(xué)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(shí)驗(yàn).[4]教師在課堂中要為學(xué)生創(chuàng)設(shè)真實(shí)的探究環(huán)境,讓學(xué)生運(yùn)用所學(xué)的知識和方法,自主開展研究活動,讓他們像科學(xué)家那樣“獨(dú)立地嘗試用各種方法研究問題”,只有在真實(shí)情境中的自主探究,才能體現(xiàn)學(xué)生的探究能力和科學(xué)素養(yǎng).

通過分組研討,學(xué)生充分發(fā)揮各自的聰明才智,群策群力、自行設(shè)計(jì),確定多種實(shí)驗(yàn)方案,盡管其中部分方案不盡完善,甚至是錯誤的,但學(xué)生的思維得到了鍛煉,興趣得到了培養(yǎng).學(xué)生親身經(jīng)歷了實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)、可行性論證、實(shí)驗(yàn)演示、誤差分析等流程,切實(shí)體驗(yàn)了物理問題的實(shí)驗(yàn)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(rèn)識和理解.同時也實(shí)現(xiàn)了以教師講授和學(xué)生練習(xí)為主的傳統(tǒng)教學(xué)方式向以學(xué)生親自動手、自主探究為主的新型教學(xué)方式的轉(zhuǎn)變,使教學(xué)成為了師生共同解決問題的過程,讓知識的掌握成為學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究能力提升的副產(chǎn)品.[5]

3 創(chuàng)設(shè)可引發(fā)認(rèn)知沖突的真實(shí)情境,促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展

科學(xué)思維主要包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要求,它是人腦反映客觀世界的機(jī)理.通過高中階段的學(xué)習(xí),學(xué)生應(yīng)能從不同角度思考問題,能針對問題建構(gòu)理想模型,能尋找并運(yùn)用證據(jù)對問題進(jìn)行描述,解釋和預(yù)測,能從定性、定量兩個方面進(jìn)行科學(xué)推理,能在質(zhì)疑批判中形成結(jié)論.[3]由于受高考制度的影響,傳統(tǒng)的灌輸式教學(xué)側(cè)重知識的理解,在應(yīng)用上側(cè)重方法和模式的套用,阻礙了思維靈活性、開放性的發(fā)展,導(dǎo)致學(xué)生普遍缺乏批判性思維.課堂教學(xué)中教師要積極探索能夠促進(jìn)學(xué)生批判性思維品質(zhì)提升的多種途徑,其中,創(chuàng)設(shè)可引發(fā)認(rèn)知沖突的真實(shí)情境,便是有效的策略之一.

圖6

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn),得出木塊與木板之間的動摩擦因數(shù)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(yīng)θ>16.7°.筆者請了兩位學(xué)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(xué)生的內(nèi)心都有著相同的期待:當(dāng)木板傾角達(dá)到16.7°時,木塊將會下滑.但實(shí)際發(fā)現(xiàn),當(dāng)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(xiàn)象與內(nèi)心的期待相悖,學(xué)生對此異常困惑,從而引發(fā)了強(qiáng)烈的認(rèn)知沖突,進(jìn)而懷疑先前得出結(jié)論的正確性.

教學(xué)片段3:

師:誰能夠解釋剛才看到的現(xiàn)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(diǎn)?

生2:先前的結(jié)論是在假設(shè)最大靜摩擦力等于滑動摩擦力的前提下得到的,而實(shí)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(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證呢?

……

思維是智力活動的核心,而思維的生長需要精心設(shè)計(jì)的“環(huán)境土壤”.相比于直接將“最大靜摩擦力大于滑動摩擦力”的結(jié)論告知學(xué)生,上述做法起到的效果可謂事半功倍.首先,為學(xué)生思維的發(fā)展提供了必要的臺階.由于之前已經(jīng)歷了鋪墊性的環(huán)節(jié),此處問題的提出顯得流暢自然而不突兀,學(xué)生內(nèi)心易于接受;其次,認(rèn)知沖突激活了學(xué)生的求知渴望.學(xué)生原本滿心期待的結(jié)果沒有發(fā)生,觸發(fā)了深層的思維機(jī)制,進(jìn)入了深度學(xué)習(xí)，提升了學(xué)生的思維品質(zhì).學(xué)生的認(rèn)知需要在教師的引導(dǎo)下逐步完善并實(shí)現(xiàn)螺旋式上升,原先為了處理問題時方便而假定的結(jié)論可能在實(shí)際情境中不再適用,促進(jìn)學(xué)生在解決問題的同時發(fā)展其批判性思維,能夠在質(zhì)疑批判中形成結(jié)論、完善結(jié)論.

筆者在師生對話后設(shè)置了如下的“生活體驗(yàn)”環(huán)節(jié):讓學(xué)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(xué)生普遍的感受是“使課桌動起來比較費(fèi)力,但推動的瞬間突然變得省力”.這也恰恰說明結(jié)論“f滑

4 聯(lián)系生活實(shí)際,激勵學(xué)生科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的養(yǎng)成

“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”是指在認(rèn)識科學(xué)本質(zhì),理解科學(xué)、技術(shù)、社會、環(huán)境(STSE)關(guān)系的基礎(chǔ)上形成的對科學(xué)和技術(shù)應(yīng)有的正確態(tài)度以及責(zé)任心.具有學(xué)習(xí)物理和探索自然的內(nèi)在動力,嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真、實(shí)事求是和持之以恒的探索精神,獨(dú)立思考、敢于質(zhì)疑和善于反思的創(chuàng)新精神,以及保護(hù)環(huán)境、推動可持續(xù)發(fā)展的責(zé)任感.能尊重自然、遵守科學(xué)倫理和道德規(guī)范,主要包括科學(xué)本質(zhì)、科學(xué)態(tài)度、科學(xué)倫理、STSE等要素.

筆者在課堂上先讓學(xué)生觀看了一段交通事故的視頻,隨后給出了下面一道習(xí)題.

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

教學(xué)片斷4:

師:如果你是一名交警,上級派你來勘查現(xiàn)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(jù)運(yùn)動學(xué)公式求解初速度.

師:剎車時間如何確定呢?

生1:(經(jīng)過短暫思考)調(diào)監(jiān)控.

生2:這樣獲得時間不妥,因?yàn)槭鹿拾l(fā)生在深夜,光線可能會影響監(jiān)控畫面的質(zhì)量,而且有些地方是監(jiān)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(shù)μ,汽車剎車時的加速度a便等于μg,再根據(jù)v2-v02=2ax即可得到初速度.

師:很好,我們已經(jīng)具備成為一名交警的潛質(zhì)了.希望同學(xué)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(xué)中彰顯學(xué)生的主體地位,樹立學(xué)生的“主人翁”意識,提高課堂參與度．向?qū)W生呈現(xiàn)貼近生活、“有血有肉”的真實(shí)情境,不僅可以促進(jìn)他們對知識的掌握,還可以提升他們解決實(shí)際問題的能力.

教學(xué)不僅僅是知識的傳遞,能力的提升,還需要有態(tài)度與責(zé)任的浸染.從發(fā)生在學(xué)生身邊的事情出發(fā),通過觀看交通事故的視頻以及實(shí)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(tài)度與責(zé)任，夜晚行車須慎重,安全時刻放心中.引導(dǎo)學(xué)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(xué)(S)、技術(shù)(T)、社會(S)、環(huán)境(E)之間的關(guān)系,經(jīng)歷理論與實(shí)踐的結(jié)合,將在課堂上學(xué)到的知識運(yùn)用到實(shí)際的生產(chǎn)生活當(dāng)中,遵守社會規(guī)范,抵制違背科學(xué)倫理道德的行為.

5 總結(jié)

知識與能力能夠在后天習(xí)得,但素養(yǎng)的形成卻要靠經(jīng)歷、反應(yīng)、等待、領(lǐng)悟和升華.諾貝爾物理學(xué)獎獲得者勞厄說過:“重要的不是獲得知識,而是發(fā)展思維能力.教育無非是一切學(xué)過的東西都遺忘掉的時候,所剩下來的東西.”[6]這位物理學(xué)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(xué)習(xí)知識過程中沉淀下來的東西,亦即人的素質(zhì).

在全面深化課程改革的背景下,高中物理教師應(yīng)該深諳高中物理學(xué)科教學(xué)對培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)所具有的育人價值,明確物理學(xué)科核心素養(yǎng)的構(gòu)成,積極探索優(yōu)化課堂教學(xué)的策略,從“物理觀念”、“科學(xué)探究”、“科學(xué)思維”、“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”等4個方面提升學(xué)生的核心素養(yǎng).雖然在實(shí)踐中需要付出必要甚至大量的時間,但只要能為學(xué)生的終身發(fā)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(yǎng)的形成,它們彼此交融、彼此促進(jìn)、相互影響,共同為學(xué)生物理核心素養(yǎng)的提升服務(wù).

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

2 王俊.運(yùn)用本原性問題驅(qū)動物理概念教學(xué)[J].中學(xué)物理教學(xué)參考,2014(7):6-8.

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

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

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

6 張新華.教學(xué)設(shè)計(jì)視角:關(guān)注學(xué)生的物理核心素養(yǎng)[J].物理教學(xué),2016(5):7-10.

2017-01-11)