何保民

【摘要】在核心素養(yǎng)視野下，為了深化教學(xué)實(shí)踐，使教學(xué)模式更適合學(xué)生的需求與核心素養(yǎng)的培育，文章結(jié)合“太陽(yáng)與行星間的引力”教學(xué)案例，闡述了如何在核心素養(yǎng)視野下實(shí)施高中物理探究式教學(xué)，發(fā)展學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)，如何建構(gòu)以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)的探究式教學(xué)模式。

【關(guān)鍵詞】高中物理;核心素養(yǎng);探究式教學(xué);五階循環(huán)教學(xué)模式

【基金項(xiàng)目】本文是2019年度河南省基礎(chǔ)教育教學(xué)研究項(xiàng)目“基于核心素養(yǎng)的探究式教學(xué)實(shí)施研究”（JCJYC19063201）的研究成果。

一、引言

在物理教學(xué)實(shí)踐中有效落實(shí)物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任等主要核心素養(yǎng);在物理教育過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)具備的、能夠適應(yīng)學(xué)生終身發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力，滲透物理觀念、物理方法、物理思想和物理精神，則建構(gòu)以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)的科學(xué)探究教學(xué)模式勢(shì)在必行。

新課程理念上的主要變化是將原來(lái)的“知識(shí)與技能”“過(guò)程與方法”“情感態(tài)度與價(jià)值觀”三維目標(biāo)要求變?yōu)椤拔锢碛^念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”四個(gè)核心素養(yǎng)的要求。

二、高中物理探究式“五階循環(huán)教學(xué)模式”的內(nèi)涵

1.什么是探究式“五階循環(huán)教學(xué)模式 ”

“五階循環(huán)教學(xué)模式”是基于物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四大核心素養(yǎng)，結(jié)合學(xué)生的學(xué)情而創(chuàng)設(shè)的“自主型”物理課堂的探究式五環(huán)節(jié)教學(xué)模型的簡(jiǎn)約表達(dá)。五個(gè)主要環(huán)節(jié)是自主學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)、探究合作環(huán)節(jié)、互動(dòng)互評(píng)環(huán)節(jié)、精講答疑環(huán)節(jié)和學(xué)成展示環(huán)節(jié)?！拔咫A循環(huán)教學(xué)模式”是相互影響、相互制約、彼此循環(huán)的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，不是不可調(diào)變的，不是機(jī)械固定靜態(tài)的，而是學(xué)習(xí)進(jìn)階而上的、螺旋式上升的探究式教學(xué)模型。

2.探究式“五階循環(huán)教學(xué)模式”物理課堂的課程價(jià)值

物理核心素養(yǎng)的四個(gè)方面是物理教育的有機(jī)整體，不能割裂開來(lái)。物理觀念教學(xué)中肯定會(huì)涉及科學(xué)思維的訓(xùn)練、科學(xué)態(tài)度的培養(yǎng)及科學(xué)探究的運(yùn)用。在這四個(gè)核心素養(yǎng)中，物理觀念是基礎(chǔ)，科學(xué)思維是核心，科學(xué)探究是方式，科學(xué)態(tài)度與責(zé)任是必備品格、育人的最終目標(biāo)。教學(xué)中要注意四位一體的全面設(shè)計(jì)。

探究式教學(xué)是通過(guò)“探究—?jiǎng)?chuàng)新”式教學(xué)，在具體問(wèn)題情景中研究問(wèn)題，解決問(wèn)題，從而主動(dòng)獲取知識(shí)、應(yīng)用知識(shí)的學(xué)習(xí)活動(dòng)。運(yùn)用多樣化的教學(xué)方式，通過(guò)問(wèn)題、證據(jù)、解釋、交流與模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證和質(zhì)疑創(chuàng)新等探究活動(dòng)而獲得知識(shí)，發(fā)展情感和態(tài)度，培養(yǎng)應(yīng)用和創(chuàng)新的意識(shí)與能力的過(guò)程，是學(xué)生自主地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的過(guò)程。探究式教學(xué)帶給學(xué)生的不再是被動(dòng)接受，而是主動(dòng)探索的科學(xué)精神和勇于創(chuàng)新的科學(xué)理念。

3.探究式“五階循環(huán)教學(xué)模式”的實(shí)踐構(gòu)建

構(gòu)建課題教學(xué)模型的根本原則是以學(xué)生為中心，學(xué)中有讀，學(xué)中有練，學(xué)中有問(wèn)，學(xué)中有思，以學(xué)定教，先學(xué)后教，是自主學(xué)習(xí)型的教學(xué)模型。以“學(xué)”為主的教學(xué)設(shè)計(jì)流程：分析核心素養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo)，確定學(xué)習(xí)主題;情景創(chuàng)設(shè)，信息資源設(shè)計(jì)與提供，自主學(xué)習(xí)策略設(shè)計(jì);學(xué)習(xí)效果設(shè)計(jì)，強(qiáng)化練習(xí)設(shè)計(jì);學(xué)習(xí)拓展設(shè)計(jì)，能力提升與綜合應(yīng)用設(shè)計(jì)等。將四大核心素養(yǎng)與自主學(xué)習(xí)型的五個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)融合一體，構(gòu)建如圖1所示的“五階循環(huán)教學(xué)模式”。

4.通過(guò)“五階循環(huán)教學(xué)模式”發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的策略

將高中物理核心素養(yǎng)與探究式五環(huán)節(jié)教學(xué)融合，如圖2所示，在教學(xué)中不斷向?qū)W生滲透核心素養(yǎng)，構(gòu)建探究性五環(huán)節(jié)學(xué)習(xí)模式，發(fā)揮學(xué)生的主體作用。教師精心鋪設(shè)臺(tái)階，調(diào)控引導(dǎo)，把學(xué)生指向“設(shè)疑—探究—形成—深化”的主動(dòng)學(xué)習(xí)過(guò)程中去，讓他們動(dòng)腦、動(dòng)手、動(dòng)口、動(dòng)筆，以發(fā)現(xiàn)者的姿態(tài)進(jìn)行角色活動(dòng)，充分領(lǐng)略到學(xué)習(xí)主人的充實(shí)感，體驗(yàn)獲得知識(shí)、邁向成功的歡樂(lè)，進(jìn)而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，增強(qiáng)學(xué)習(xí)物理的信心，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題的科學(xué)思維和科學(xué)精神。

三、探究式“五階循環(huán)教學(xué)模式”在概念規(guī)律課教學(xué)中的應(yīng)用

高中物理教科書中增設(shè)了較多的探究課，例如概念探究課“摩擦力”、規(guī)律探究課“自由落體運(yùn)動(dòng)”、關(guān)系式探究課“探究彈性勢(shì)能的表達(dá)式”、理論探究與實(shí)驗(yàn)探究相結(jié)合的課型如“平拋運(yùn)動(dòng)”等。概念規(guī)律課、實(shí)驗(yàn)課、問(wèn)題解決課和復(fù)習(xí)課等課型都可以采用探究式“五階循環(huán)教學(xué)模式” 。

下面通過(guò)“太陽(yáng)與行星間的引力”案例進(jìn)行分析，闡述如何在核心素養(yǎng)視野下構(gòu)建高中物理探究式“五階循環(huán)教學(xué)模式 ”。這是物理必修2“萬(wàn)有引力與航天”一章的第二節(jié)。本章以科學(xué)探究為主線，從第谷一生觀測(cè)的數(shù)千個(gè)數(shù)據(jù)，到凝結(jié)成開普勒的三句話，再到牛頓的一個(gè)簡(jiǎn)潔公式，探究過(guò)程不斷創(chuàng)新。萬(wàn)有引力定律的發(fā)現(xiàn)過(guò)程為我們展示了物理規(guī)律課的探究過(guò)程：模型建構(gòu)（行星的運(yùn)動(dòng)）、科學(xué)推理（太陽(yáng)與行星間的引力）、科學(xué)論證（萬(wàn)有引力定律）、質(zhì)疑創(chuàng)新（萬(wàn)有引力定律的成就）。沿著科學(xué)家的足跡，經(jīng)歷探究過(guò)程，揭開天體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的神秘面紗，重塑物理觀念，凝聚物理思想，開啟物理方法，激發(fā)物理精神。

1.物理觀念與應(yīng)用

分析核心素養(yǎng)教學(xué)內(nèi)容，確定學(xué)習(xí)目標(biāo)。了解行星繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的不同觀點(diǎn)和引力思想產(chǎn)生的歷程，形成物質(zhì)觀和宇宙物質(zhì)觀。知道行星繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的原因，行星繞太陽(yáng)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力的來(lái)源，樹立運(yùn)動(dòng)與相互作用的觀念和能量觀念。

〖教學(xué)環(huán)節(jié)一：自主學(xué)習(xí)〗

在課前或課堂預(yù)留時(shí)間，讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)課堂內(nèi)容，歸納自探提綱。給學(xué)生提供學(xué)案，先獨(dú)立自學(xué)。

探究1：探究行星運(yùn)動(dòng)學(xué)特征，分析行星運(yùn)動(dòng)定律的物理意義。

探究2：探究簡(jiǎn)化模型下的行星運(yùn)動(dòng)定律的內(nèi)容，建構(gòu)物理模型。

探究3：探究行星有規(guī)律運(yùn)動(dòng)的原因，猜想向心力的來(lái)源。

探究4：科學(xué)探究向心加速度與軌道半徑的關(guān)系，提供行星運(yùn)動(dòng)的半徑、周期的觀測(cè)數(shù)據(jù)。

探究5：科學(xué)思維探究引力與軌道半徑、質(zhì)量的關(guān)系式。

探究6：探究科學(xué)精神、科學(xué)本質(zhì)和規(guī)律應(yīng)用。

〖教學(xué)環(huán)節(jié)二：探究合作〗

行星是怎樣運(yùn)動(dòng)的？從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度思考開普勒行星運(yùn)動(dòng)定律的物理意義。從動(dòng)力學(xué)思考運(yùn)動(dòng)的原因是什么？學(xué)生探究、闡述行星運(yùn)動(dòng)定律的內(nèi)容和物理意義。

行星的實(shí)際運(yùn)動(dòng)是橢圓運(yùn)動(dòng)，但我們還不知道求橢圓運(yùn)動(dòng)加速度的運(yùn)動(dòng)學(xué)公式，我們現(xiàn)在怎么辦？把它簡(jiǎn)化為什么運(yùn)動(dòng)呢？學(xué)生根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)分析行星的軌道半長(zhǎng)軸與半短軸的差 別，簡(jiǎn)化物理模型，得出結(jié)論：行星繞太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)可以看作是勻速圓周運(yùn)動(dòng)。

2.科學(xué)探究與交流

（1）提出問(wèn)題，學(xué)生猜想。解決了描述行星運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題，還要解決為什么的問(wèn)題。仰天叩問(wèn)：是什么力量支配著行星繞著太陽(yáng)做如此和諧而有規(guī)律的運(yùn)動(dòng)呢？

啟發(fā)學(xué)生用牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律解釋開普勒行星運(yùn)動(dòng)定律。分組討論，猜想行星做橢圓運(yùn)動(dòng)的原因，行星的橢圓運(yùn)動(dòng)是什么力產(chǎn)生的？大小跟太陽(yáng)與行星間的距離有什么關(guān)系嗎？

探究伽利略、開普勒、笛卡爾、胡克、哈雷等科學(xué)家的觀點(diǎn)，建構(gòu)引力物理思想，培養(yǎng)運(yùn)動(dòng)觀及相互作用觀。

第一大組進(jìn)行科學(xué)探究，根據(jù)觀測(cè)有效提出問(wèn)題，收集并處理證據(jù)得出科學(xué)探究結(jié)論，對(duì)結(jié)論的科學(xué)性進(jìn)行質(zhì)疑，根據(jù)證據(jù)進(jìn)行科學(xué)解釋。學(xué)生在科學(xué)探究過(guò)程中不斷記錄、計(jì)算、討論、合作等，提升了自身的科學(xué)探究能力。

（2）收集證據(jù)。根據(jù)牛頓第一定律我們知道，改變速度都需要力，使行星沿圓或橢圓運(yùn)動(dòng)，需要指向圓心或焦點(diǎn)的力，即太陽(yáng)對(duì)它的引力。由牛頓第二定律可知，找到加速度與軌道半徑的關(guān)系就能推導(dǎo)出引力與距離之間的關(guān)系。根據(jù)表1所示，太陽(yáng)系的行星運(yùn)動(dòng)的一些數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)，尋找加速度與距離之間的關(guān)系。

根據(jù)加速度和距離的數(shù)據(jù)，猜測(cè)它們之間存在怎樣的關(guān)系，思考如何驗(yàn)證我們的猜測(cè)，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)探究方案。

（3）合理解釋。如果加速度與距離成反比，我們做出a-1/r圖像，應(yīng)是一條直線。通過(guò)EXCEL軟件輸入數(shù)據(jù)產(chǎn)生圖像如圖3所示。繼續(xù)猜測(cè)，它們之間存在怎樣的關(guān)系呢？如果加速度與距離平方成反比，a-1/r2圖像應(yīng)該是一條直線。

（4）交流合作。通過(guò)猜測(cè)、圖像驗(yàn)證、再假設(shè)再驗(yàn)證等一系列科學(xué)探究過(guò)程，得出小組探究結(jié)論：行星的加速度a與行星到太陽(yáng)的距離r的二次方成反比。

3.科學(xué)思維與創(chuàng)新

第二大組進(jìn)行科學(xué)思維探究。通過(guò)分組探究，學(xué)生的模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證和質(zhì)疑創(chuàng)新等科學(xué)思維能力得到了提升。

（1）模型建構(gòu)。太陽(yáng)與行星間的引力F跟行星到太陽(yáng)的距離有關(guān)，然而它們之間有什么定量關(guān)系呢？將行星的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為勻速圓周運(yùn)動(dòng)。太陽(yáng)對(duì)行星的引力等于行星做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力。如果設(shè)行星的質(zhì)量為m，速度為v，運(yùn)行周期為T，行星到太陽(yáng)的距離為r，則行星繞太陽(yáng)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力可以怎樣表示？

（2）科學(xué)推理。已知行星的運(yùn)動(dòng)情況，求它的受力情況，向心力的表達(dá)式有哪幾個(gè)？學(xué)生討論交流自主推導(dǎo)由①，②，可得太陽(yáng)對(duì)行星的引力。引力與哪些因素有關(guān)？小組討論形成：不同行星中的為常量，、不同，與成正比，與的平方成反比：。培養(yǎng)學(xué)生的抽象思維及推理能力。

行星對(duì)太陽(yáng)的引力。同理，可設(shè)太陽(yáng)的質(zhì)量為，再進(jìn)行類比的推導(dǎo)。小組討論交流得出結(jié)論：。

（3）科學(xué)論證。兩種力是同性質(zhì)的相互作用力，遵循同一規(guī)律，可以把它們用同一公式表達(dá)出來(lái)。引力與行星和太陽(yáng)的質(zhì)量成正比，與兩者距離的平方成反比，所以可寫成公式： 。

（4）質(zhì)疑創(chuàng)新。通過(guò)類比推理、演繹推理得到的結(jié)論，推廣到一般意義上的規(guī)律，在科學(xué)上是十分嚴(yán)謹(jǐn)?shù)氖虑椋枰?jīng)過(guò)實(shí)踐的檢驗(yàn)?？茖W(xué)家們?cè)谝Ρ磉_(dá)式中使用了G 這個(gè)比例系數(shù)，G是多大？太陽(yáng)與行星間的引力規(guī)律是否適用于行星與它們的衛(wèi)星？保持學(xué)生好奇心，激發(fā)新的探究。

4.科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

領(lǐng)略自然界的奇妙與和諧，蘊(yùn)含其中的規(guī)律之簡(jiǎn)潔，發(fā)展學(xué)生對(duì)科學(xué)的好奇心與探究欲，使其樂(lè)于探究自然界的奧秘，體驗(yàn)探索自然規(guī)律的艱辛與喜悅。培養(yǎng)學(xué)生勇于探究的科學(xué)精神，認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和創(chuàng)新精神，培養(yǎng)學(xué)生關(guān)注環(huán)境，具有社會(huì)責(zé)任感。

〖教學(xué)環(huán)節(jié)三：互動(dòng)互評(píng)〗

小組之間對(duì)科學(xué)探究的問(wèn)題、方法、過(guò)程、結(jié)果進(jìn)行點(diǎn)評(píng)、補(bǔ)充，使探究方向正確，探究結(jié)果更完善，形成新的結(jié)論：引力與行星和太陽(yáng)的質(zhì)量成正比，與兩者距離的平方成反比，所以可寫成以下比例式：。

學(xué)生之間對(duì)科學(xué)思維與創(chuàng)新的推理、論證和解釋進(jìn)行交流、評(píng)論和完善，使思維嚴(yán)謹(jǐn)，推理合理，使行星對(duì)太陽(yáng)的引力與太陽(yáng)對(duì)行星的引力的對(duì)稱性、平等性的類比思想得到學(xué)生的接受。

對(duì)科學(xué)態(tài)度、拓展應(yīng)用等進(jìn)行評(píng)論與展示，必要時(shí)教師可給予精講答疑。

〖教學(xué)環(huán)節(jié)四：精講答疑〗

對(duì)學(xué)生探究過(guò)程中存在的問(wèn)題或解決不了的問(wèn)題進(jìn)行精講答疑。

根據(jù)牛頓第二定律，即太陽(yáng)對(duì)不同行星的引力與行星的質(zhì)量成正比，與行星和太陽(yáng)間距離的二次方成反比 ，行星對(duì)太陽(yáng)的引力，太陽(yáng)與行星之間的引力與行星和太陽(yáng)的質(zhì)量成正比，與兩者距離的平方成反比，所以可寫成以下比例式：。經(jīng)后續(xù)學(xué)習(xí)牛頓的月地檢驗(yàn)、卡文迪許測(cè)定引力常量，使論證嚴(yán)謹(jǐn)，在此可產(chǎn)生新的質(zhì)疑。

〖教學(xué)環(huán)節(jié)五：學(xué)成展示〗

將各小組科學(xué)探究成果和科學(xué)思維探究成果展示出來(lái)，進(jìn)行分析點(diǎn)評(píng)，并把本節(jié)課的學(xué)習(xí)成果展示出來(lái)。把探究成果拓展應(yīng)用到具體問(wèn)題中，在課堂展示出來(lái)讓學(xué)生評(píng)論。

拓展應(yīng)用：已知火星繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的周期為T，火星到太陽(yáng)的距離為r，引力常量為G。

求：（1）太陽(yáng)的質(zhì)量M;

（2）若M已知，找出開普勒第三定律中的k與中心天體質(zhì)量M的關(guān)系式。

四、結(jié)語(yǔ)

物理觀念分為物質(zhì)觀、運(yùn)動(dòng)與相互作用觀以及能量觀念。落實(shí)物理觀念教學(xué)要注意把握概念和規(guī)律的主體，要注意在概念、規(guī)律的基礎(chǔ)上適時(shí)加以總結(jié)、提升，使得學(xué)生對(duì)概念和規(guī)律有深刻的理解，同時(shí)形成統(tǒng)領(lǐng)這些概念和規(guī)律的大概念——物理觀念。

物理教育中概念和規(guī)律的建立是基礎(chǔ)，科學(xué)思維的培養(yǎng)是核心。科學(xué)思維分為模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證和質(zhì)疑創(chuàng)新這四個(gè)要素?？茖W(xué)探究分為問(wèn)題、證據(jù)、解釋和交流與合作。科學(xué)態(tài)度與責(zé)任分為科學(xué)本質(zhì)、科學(xué)態(tài)度、科學(xué)倫理及STSE等?；诤诵乃仞B(yǎng)構(gòu)建高中物理探究式“五階循環(huán)教學(xué)模式 ”，使之適用不同物理課型，從而提升課堂效率。

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