王志剛 曹 會

(1. 江蘇省華羅庚中學,江蘇 常州 213200; 2. 江蘇省外國語學校,江蘇 蘇州 215104)

1 問題的提出

《普通高中物理課程標準(2017年版2020年修訂)》(以下簡稱《課標》)指出,必須把物理學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)作為物理教學的重要目標.要通過教學活動的精心設計,實現(xiàn)“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態(tài)度與責任”在課堂學習中的落地生根.其中,物理觀念的形成和發(fā)展需要學生通過物理概念、物理規(guī)律等內(nèi)容的學習和運用才能逐步形成.而學生在教師引導下經(jīng)歷完整的物理概念建構(gòu)過程和物理規(guī)律的形成過程則是其科學思維能力發(fā)展的重要途徑.科學探究能力的培養(yǎng)、科學態(tài)度與責任感的培育更是需要貫穿整個物理教學過程.學生唯有具身于“養(yǎng)分”充足的“場域”當中,通過深度參與、主動吸納,才能實現(xiàn)核心素養(yǎng)的持續(xù)發(fā)展.《課標》還指出,創(chuàng)設情境進行教學,對培養(yǎng)學生的物理學科核心素養(yǎng)具有關鍵作用,物理概念的建立需要創(chuàng)設情境、物理規(guī)律的探究需要創(chuàng)設問題情境、應用物理知識解決具體問題應結(jié)合具體的實際情境.[1]

以江蘇省外國語學校曹會老師領銜的課題組,自2005年以來不斷探索以“情境演進”為主線的教學范式,取得了較為廣泛的認可.“十三五”以來,課題組在原有教學范式的基礎上,依據(jù)新的認知科學等理論,構(gòu)建出了以“核心素養(yǎng)為主旨、學生為主體、教師為主導、情境演進為主線”為核心框架的“四主”教學模式,如圖1所示.圍繞核心素養(yǎng)培養(yǎng)這一教學主旨,“四主”教學模式采用學生主體體驗和教師主導過程相融合的交互式實施流程,沿著情境演進的主線,推動學生的認知跟隨實施過程而循序提升,實現(xiàn)學習過程的螺旋式進階,[2]如圖2所示.本文以“牛頓第一定律”為例,在中學物理教學中開展“四主”教學模式與同行交流,以期對一線教師有效地發(fā)展學生物理核心素養(yǎng)有所裨益.

圖1 “四主”教學模式

圖2 “四主”教學模式實施流程

2 教學內(nèi)容分析

人民教育出版社2019年版高中物理教科書的“牛頓第一定律”是在學生學習運動學的描述、規(guī)律及研究方法和相互作用的屬性、規(guī)律及研究方法的基礎上,對運動原因的科學探究,其在知識體系中承上啟下的地位被譽為是動力學體系“核心”的基石.

根據(jù)教科書的內(nèi)容和《課標》要求,本節(jié)課在發(fā)展學生核心素養(yǎng)的目標設定上應達到以下4個方面的要求.

(1) 物理觀念.從物理學的視角認識力與運動的關系:力不是產(chǎn)生速度的原因、力是產(chǎn)生加速度的原因;慣性是運動保持的原因,而質(zhì)量則是慣性的量度.從物理學視角來解釋生活生產(chǎn)中與力和運動相關的實際問題.伽利略理想斜面實驗同時蘊含著能量的守恒.

(2) 科學思維.能基于經(jīng)驗事實建構(gòu)理想斜面實驗模型,通過分析綜合、推理論證得出力是改變物體運動狀態(tài)的原因.在合作探究與交流評價環(huán)節(jié)能基于事實證據(jù)和科學推理對不同觀點和結(jié)論質(zhì)疑與批判,進行檢驗與修正,進而提出對慣性與質(zhì)量關系的科學認識.

(3) 科學探究.在實例觀察的基礎上提出力和運動關系的猜想、假設,會利用伽利略理想斜面演示器來設計實驗方案、獲取有用信息,在實驗的基礎上得出結(jié)論并作出解釋,能對探究過程本身展開交流、評估和反思.

(4) 科學態(tài)度與責任.通過學習人類研究力和運動關系的歷史,形成科學在曲折中發(fā)展,需要一代代人接續(xù)奮斗和嚴謹認真、實事求是治學的認識,激發(fā)學生追求科學、勇于質(zhì)疑創(chuàng)新的情感,進一步形成對科學和技術應有的正確態(tài)度與責任.

“牛頓第一定律”的教學重點在創(chuàng)設問題情境,讓學生深刻理解牛頓第一定律的“是什么”“為什么”.教學難點是要將質(zhì)量、慣性兩個概念跟牛頓第一定律結(jié)合,使學生深入理解定律本質(zhì).在教學中綜合運用視頻播放、多媒體動畫展示、演示實驗、互動游戲等教學手段,合理創(chuàng)設激發(fā)學生思考的情境演進的鏈條,將定律“可視化”,最終解決上述的重難點.

3 學情分析

學生在初中階段已經(jīng)學過了牛頓第一定律的相關內(nèi)容.學生對伽利略實驗當中摩擦因數(shù)的影響有足夠的認識,且對亞里士多德與伽利略的觀點也很熟悉,生活中常見的慣性現(xiàn)象、慣性的應用與防止也是耳熟能詳,牛頓第一定律內(nèi)容本身所揭示的因果關系也有所了解.但是在實際問題解決的過程中,學生還是會無意識地運用亞里士多德的觀點去分析,說明科學的運動觀尚未真正建立起來.進入高中之后深入學習了運動學和力學的相關知識,對力和運動之間關系的探究有一種內(nèi)在的期盼和現(xiàn)實的需要,但是對人類歷史上力和運動的持續(xù)研究,以及代表人物的研究方法與研究成果所知甚少,慣性與質(zhì)量之間的內(nèi)在邏輯關系沒有涉及,牛頓第一定律所揭示的規(guī)律理解尚不透徹.此外,學生經(jīng)過較為系統(tǒng)的學習,已經(jīng)對科學探究的流程比較熟悉,具有一定的發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、解決問題的能力,動手操作能力也在不斷地提升當中.

4 教學流程簡析(如圖3所示)

5 教學過程

5.1 環(huán)節(jié)1——課題引入

情境1:在勻速行進的列車中豎直上拋一個金屬小球,小球的落點在拋出點的前方?后方?還是與拋出點重合?

情境2:勻速飛行的轟炸機投放炸彈,在不計空氣阻力的情況下,投出的一串炸彈在空中呈現(xiàn)怎樣的圖形?嘗試畫一下簡圖.

情境3:觀看以上兩個問題的視頻,思考為什么會是視頻中的情景,如圖4、圖5所示.

圖4 車中拋物視頻截圖

圖5 飛機投彈視頻截圖

設計意圖:教學實踐表明,學生因受經(jīng)驗性常識的影響,“力是維持物體運動狀態(tài)的原因”這一前概念可謂深植于學生腦海.[3]兩個問題情境的創(chuàng)設,都是基于多數(shù)學生已有的認知基礎.唯有讓學生置身于認知沖突的情境之中,充分體察到思維起點的謬誤,才能實現(xiàn)從舊的認知平衡狀態(tài)演進到中間不平衡狀態(tài)再到構(gòu)建新的認知平衡狀態(tài),進而形成正確的認知結(jié)構(gòu).

5.2 環(huán)節(jié)2——問題研討

教師:“運動的原因”是一個古老的話題.公元前4世紀亞里士多德就開展了這方面的研究,他的觀點在后面的2000多年時間里面沒有被質(zhì)疑.你對他的研究方法、觀點和進步之處有哪些評價?

學生:亞里士多德觀察了大量的物體運動,經(jīng)過思考,將運動分成“自然運動”和“受迫運動”兩類.他的觀點與生活經(jīng)驗吻合度高,是一種“樸素的運動觀”.他的主要貢獻在于將物體運動與外界聯(lián)系起來了.

教師:大家經(jīng)過初中的學習,知道這種觀點是錯誤的,那么產(chǎn)生這個錯誤的原因是什么?你能否設計一個實驗來驗證你對運動和力關系的看法.

學生:(閱讀、思考、討論、交流)與他的研究方法和社會發(fā)展因素相關.亞里士多德的觀點可以簡述為“力存物動、力消物?！?以踢足球為例,被踢出去的足球可以在球場上滾動一段時間,與“力存物動”不一致;最終足球緩慢停下來,與“力消物停”不一致.

學生:(質(zhì)疑)原來運動的物體之所以停下來,難道真是沒有力的作用嗎?

教師:(假設)如果沒有摩擦阻力、流體阻力的影響,在水平面運動的物體將怎樣運動呢?

學生:(猜想)若沒有摩擦阻力,物體將永遠運動下去.

教師:(誘導)這種條件或者近似條件能否找到?

學生:在玻璃板上、在太空中……

情境4:觀看“天宮課堂”之“太空站第二次授課”的太空拋物實驗實錄、冰壺運動的短視頻.如圖6、圖7所示.

圖7 冰壺運動

教師:(引導)伽利略時代是無法在太空做這樣的實驗的,他是如何開展有關力和運動的實驗研究的?

設計意圖:學科核心素養(yǎng)是學生通過學科學習而逐步形成的正確價值觀念、必備品格和關鍵能力.從認知加工的角度來看,學習的關鍵能力可以主要分為閱讀能力、思考能力和表達能力,分別對應著輸入、加工和輸出.在帶著問題讀、讀出問題來的問題情境演進方式指引下查閱物理學史相關資料,經(jīng)歷討論和交流、表達和凝練、聯(lián)想和尋證的探究過程,學生對前概念產(chǎn)生了深入的解構(gòu)過程,也為理性、客觀看待和評價,提升科學本質(zhì)認識積累了方法.

5.3 環(huán)節(jié)3——具身活動

學生:(閱讀)伽利略的觀察與思考,對接斜面設計的由來.

情境5:(演示實驗、合作探究)進行伽利略理想斜面實驗.實驗器材為伽利略理想斜面演示器,分4組實施,師生共同完成.第1組在上升軌道上鋪設粗糙的紙條,第2組撤去紙條,第3組減小上升軌道的傾角,第4組繼續(xù)減小上升軌道的傾角.4次實驗都確保金屬小球從同一位置由靜止釋放,每次小球到達的最遠處用標簽紙標注在軌道上.

學生:(觀察、表達)摩擦減小后,小球運動得更遠,后面3次幾乎都到了與釋放點等高的位置,似乎小球在尋找這個等高點.隨著對接軌道傾角的減小,小球在對接斜面上運動得更遠.

教師:如果對接軌道的傾角減小到0,并且軌道絕對光滑且無限長,小球的運動圖景是怎樣的?

學生:小球為了找尋等高點將一直運動下去.

教師:至此我們驗證了原先的猜想,這說明了什么問題?伽利略之所以會有超越前人的成就,你覺得主要原因是什么?

學生:(思考、表達)伽利略的研究采用了實驗的方法.

教師:(補充完善)伽利略的理想斜面實驗是在實驗基礎上的合理外推,他的實驗+邏輯推理的研究方法推動了物理學的發(fā)展.是不是伽利略的觀點就完整了?

學生:(閱讀、表達)笛卡爾的研究進一步完善了伽利略的觀點.

教師:伽利略和笛卡爾的表達有哪些共同點?又有哪些不同之處?

設計意圖:物理規(guī)律的探究需要創(chuàng)設問題情境,在問題情境的演進中完成規(guī)律內(nèi)容的構(gòu)建.教師推行自主化學習、個性化學習、合作化學習,成為學生學習的組織者、參與者和托舉者,促進學生個體思維和集體思維相結(jié)合.這個教學片段設計的閱讀(指向自主化學習)、實驗(指向合作化學習)、表達(指向個性化學習)等活動環(huán)節(jié),以物理學史為明線,遵循人類認識自然的軌跡,符合學生的認知規(guī)律這條暗線,對培養(yǎng)學生的科學素質(zhì)、創(chuàng)造素質(zhì)、科學態(tài)度與責任具有積極的作用.

5.4 環(huán)節(jié)4——評價反饋

教師:牛頓在伽利略等人研究的基礎上提出了自己關于力和運動關系的觀點——牛頓第一定律.即一切物體總保持勻速直線運動狀態(tài)或靜止狀態(tài),除非作用在它上面的力迫使它改變這種狀態(tài).伽利略理想斜面實驗為牛頓第一定律提供了實驗依據(jù).這條定律深刻揭示了力和運動的關系,大家結(jié)合前面幾位科學家的研究歷程和觀點演進,談談對牛頓第一定律的個人理解.

學生:(思考、交流、評價)力是改變物體運動狀態(tài)的原因、力是改變物體速度的原因、力是產(chǎn)生加速度的原因.指出了物體不受力時的狀態(tài)(理想化模型);“一切物體”說明無一例外;“總”意味著一貫以來就是這樣;“保持”說明很固執(zhí),不想改變;“或”說明兩種可能性;“迫使”說明有外在因素(力)介入.

教師:一切物體說明無一例外,我們好理解固體有這樣的性質(zhì),液體和氣體也有這樣的性質(zhì)嗎?

情境6:(播放視頻)氣球注滿水后刺破的慢動作視頻、(演示實驗)空氣炮的威力實驗.

教師:果然如此.我們把一切物體總有保持勻速直線運動狀態(tài)或靜止狀態(tài)的這種屬性稱之為慣性.那么慣性是否也有差異呢?這種差別與什么因素是相關的?

學生:與物體的運動速度有關,運動速度快的慣性大,狀態(tài)難以改變.

學生:與物體的質(zhì)量有關,質(zhì)量大的慣性大,狀態(tài)難以改變.

教師:如果慣性與運動速度有關,誠如同學所言,速度大的慣性大,速度小的慣性小,那么速度為0的物體是不是就沒有慣性了?從理論上論證,這個觀點是站不住腳的,試問同學們,我們還可以怎么論證剛才同學的觀點?

學生:實驗驗證.運動狀態(tài)改變的難易(快慢)就是加速度的大小,我們可以測量相同物體在不同運動速度情況下的加速度是否有差別.

情境7:(實驗) 如圖8所示,讓小車先后兩次以不同的初速度沿導軌滑行,根據(jù)小車先后通過兩個光電門的時間得出通過光電門的速度,再依據(jù)勻變速運動學公式求得加速度幾乎相等.

圖8 光電門測速度

教師:既然并不是速度大就慣性大,那為什么速度大的物體比較難以停下來,而速度小的物體卻容易停下來呢?

學生:本質(zhì)是因為兩個物體運動狀態(tài)改變的程度不一樣,只有運動狀態(tài)改變相同的程度比較起來才公平.

設計意圖:聯(lián)系學生的生活經(jīng)驗對牛頓第一定律進行剖析和解讀,提升了學生的閱讀能力.高度凝練的定律揭示了深刻的自然規(guī)律,具有普適性、抽象性,對于處于從形象思維向抽象思維轉(zhuǎn)變的高一學生而言,適度地關照不同學生的經(jīng)驗性認識,在思維交流、適時評價中引出思維進階的反饋信息,對存在于學生認知結(jié)構(gòu)中的前概念進行引導和糾正,加速了錯誤前概念的解構(gòu)和科學概念的重構(gòu).[4]順著學生已有對慣性的認識,提出探究慣性大小的影響因素問題,一方面是為了引出慣性和質(zhì)量的關系,一方面也是讓學生體會理論引領實踐探索、實踐推動理論創(chuàng)新的研究思路.

5.5 環(huán)節(jié)5——總結(jié)應用

情境8:(游戲)外形相同的兩只乒乓球,其中一只注滿水.透明的魚線穿過乒乓球,做成兩個等長的擺球,懸掛在同一個鐵架臺的橫桿上.請一個肺活量大的男生用盡全力吹球,注滿水的乒乓球基本不擺動,空的乒乓球很輕易就擺動起來.組織學生觀察、思考、發(fā)表自己的看法.然后讓幾名學生掂量兩只乒乓球,揭曉謎底.

學生:質(zhì)量大的物體運動狀態(tài)難以改變,也就是保持原先狀態(tài)的能力強,說明慣性大小與質(zhì)量相關.慣性又與物體的運動速度無關,所以質(zhì)量是慣性大小的唯一量度.

情境9:如圖9所示,在水平桌面上橫放的礦泉水瓶中有一段空氣柱,沿著瓶身向前突然拉動瓶子,空氣柱在瓶內(nèi)的位置如何變化?[5]

圖9 水平放置的礦泉水瓶

學生:(思考、討論、交流、表達)先說出判斷的結(jié)果以及判斷的依據(jù),然后同桌間按照圖示要求分組實驗.

教師:點評學生的判斷和分析,幫助學生選取研究對象,如圖10中水柱和空氣柱,組織學生進一步分析和論證,得出空氣柱在瓶內(nèi)位置向前移動的理論依據(jù).若是水瓶原先在水平桌面上滑行,碰到障礙物突然停下,空氣柱在瓶內(nèi)的位置如何變化?

圖10 研究對象的選取

學生:根據(jù)前面的分析過程重新構(gòu)建分析模型展開論證,分組實驗驗證.

情境10:播放我國航母艦載機進行起飛和著艦訓練時飛行員分別出現(xiàn)黑障和紅視現(xiàn)象的科普視頻.

學生:結(jié)合人的生理特征、艦載機要在極短甲板上起降的實際,用情境9模型的原理作出合理解釋.

教師:對學生的解釋進行點評,組織學生進行課堂小結(jié).提出牛頓第一定律對力和運動關系的論述是不是已經(jīng)完備.指導學生閱讀教材中拓展學習部分的慣性參考系內(nèi)容.

設計意圖:乒乓球很輕便,輕輕一吹就能動,但是小游戲環(huán)節(jié)男生卻吹不動,預料與現(xiàn)實之間的巨大反差激發(fā)學生產(chǎn)生強烈的探究欲望.經(jīng)過獨立思考、討論交流的理論建模,再到比較兩球輕重的實驗驗證,學生對慣性與質(zhì)量關系的理解完成了自主建構(gòu).情境9的現(xiàn)象是生活中常見但很少會引起學生深入思考的.這一次情境演進讓學生有了學以致用的體驗,難度屬于跳一跳夠得著的層級,但是要論證和解釋清楚,特別是用物理學視角來觀察和用物理學科語言來表達,需要教師的總結(jié)提升和幫助.運動情境轉(zhuǎn)換成由動而停,也是為了培養(yǎng)和考查學生的遷移能力,特別是后面結(jié)合艦載機訓練中的黑障與紅視現(xiàn)象,更是需要學生綜合人體學、物理學的知識來論證,是認知遷移的高層級要求.艦載機飛行員刻苦訓練精益求精的精神品質(zhì)是無形的育人資源,國家日益強大的國防科技力量也是增強學生民族自信的課程思政素材.組織學生進行課堂學習小結(jié),梳理人類關于力和運動研究的歷史進程,提煉出任何一個問題的研究都是在一代代人的接續(xù)奮斗中得以逐漸接近真相和本質(zhì),質(zhì)疑和批判始終是推動科學和技術不斷前行的重要品質(zhì).

6 結(jié)束語

鹽是人賴以生存的必備品,但是如果直接食用,卻是難以下咽.而將每天需要的鹽分溶化在美味的佳肴里,則不僅使人可以獲得美食的享受,而且也實現(xiàn)了鹽分的必要吸收.核心素養(yǎng)就是這樣的鹽,是人生存和發(fā)展的必備品,而適切的情境則是美味佳肴.唯有在教學設計和教學實施過程中重視情境的創(chuàng)設和轉(zhuǎn)化,讓學生獲得實際情境中解決物理問題的大量經(jīng)驗,才能實現(xiàn)將課堂教學轉(zhuǎn)化為學生課外日常生活當中的成長行為,并逐步變成他們的成長自覺,進而具備適應終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備品格和關鍵能力.

指向核心素養(yǎng)培養(yǎng)的“四主”教學模式在實踐過程中,注重緊扣核心素養(yǎng)發(fā)展這一主旨,注重基于學生認知規(guī)律、知識發(fā)展規(guī)律基礎的情境有序演進,注重協(xié)同情境演進中引導學生思維等活動的有序展開,注重問題聚焦、活動組織、總結(jié)反饋等要素的合理安排,注重研究學生主體地位的作用能夠在哪些教學環(huán)節(jié)上得到體現(xiàn)和發(fā)揮.通過具身性探究、可視化表達等策略,讓每一個學生實現(xiàn)探究過程與深度思維的融合,促進了思維的發(fā)展.

為了更好推廣和完善該教學模型,還有待于對該模型的實施條件和教學評價進行系統(tǒng)研究和探索.