从“物理核心素养”的视角思考物理复习教学问题——以“力与运动”章后小结为例

刘炳昇

(南京师范大学物理科学与技术学院，江苏 南京 210023)

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从“物理核心素养”的视角思考物理复习教学问题
——以“力与运动”章后小结为例

刘炳昇

(南京师范大学物理科学与技术学院，江苏 南京 210023)

名师简介：刘炳昇，南京师范大学物理科学与技术学院教授，课程与教学论博士生导师，任《物理之友》主编、义务教育课程标准初中物理教科书(苏科版)主编、中学科学(7—9年级)课程标准研制组核心成员.主要从事物理教学论和中学物理实验的研究工作，荣获国务院特殊贡献津贴、国家教委普通高校优秀教学成果奖等.曾任中国教育学会物理教学专业委员会副理事长、世界银行贷款“理科实践教学和低成本实验”研讨班中方主持人.

本文试图领会“物理核心素养”的内涵，以初中“力与运动”章后小结课为例，探讨以“核心素养观”引领的物理复习教学问题，着重在物理思想、科学方法、科学价值观的引领.就该章复习，提出了以下建议：突出一章的物理思想，以线带面，重组知识结构；围绕学生的前科学概念，让学生领悟科学方法的魅力；拓宽视野，促进科学价值观的升华.

物理核心素养；物理思想；前科学概念；人文精神.

2016年11月21—23日，江苏省基础教育青年教师教学基本功大赛(物理)在扬州举行，其中课堂教学的课题有两个：“力与运动”章后小结和“压强与浮力”章后小结.命题的指导思想是：在章后的复习课中要体现“核心素养”观念的引领.课题有很大的自由度和创造空间，有助于评价老师较深层次知识与能力的积淀.笔者听了参赛选手的一些课，想以“力与运动”的章后小结为例，谈谈自己的想法.

近期以来，物理教育界的学者和老师都在讨论一个话题，即物理学科的核心素养.从现实看，在中学物理教学中不少老师都很重视物理的知识和技能，解决物理问题的思维训练也是比较多的.由于考试的压力、所谓的教学效率的需要，使教学偏重于文字上解读概念、规律和解题，物理课程的教育功能不能全面地发挥出来，这对于学生的全面发展和适应社会发展的挑战是不利的.在深化课程改革中，提出物理学科的核心素养是必要的.笔者认为首先是观念意识上的引领，应当深刻理解“核心素养”的内涵.爱因斯坦指出：“用专业知识教育人是不够的，通过专业学习，学生可以成为一种有用的工具，但不能成为一个和谐发展的人.要使学生对价值(社会伦理、准则)有所理解并产生强烈的感情，那是最基本的.”物理学的发展，既创造了物理学的理论成果、系统的科学方法，又创造了科学思想与人文精神融合的成果.物理文化是“与生俱来”的、非常珍贵的教育资源.在物理教学中，学习知识是重要的，但不能只关注作为科学结论的理论知识，而使作为创造的探究过程、丰富的科学人文教育的资源被白白地浪费掉.我们应当从更高的层面上设计物理课程和教学，让科学思想、科学观念、科学的美成为物理课程的重要目标和内容，发挥物理的人文教育功能.

在“物理核心素养”观念引领下，章后复习课不同于现实“应试教育”指导下的复习课.需要重点考虑如下问题：(1) 如何指引学生学习梳理物理知识，形成有序的知识结构？(2) 如何从回顾探究的过程中，领悟科学方法？(3) 评价学生是否撼动了头脑中的前科学概念？是否领会知识的得来过程？在解释或解决实际现象和问题中是如何思考问题的？(4) 如何渗透人文精神，关注物理文化的熏陶？下面就“力与运动”章后复习提几点建议.

1 突出一章的物理思想，以线带面，重组知识结构

不少老师在复习该章时，按教材顺序，逐节、逐点回忆所学知识，逐个讨论或再现所做实验，并进行应用概念规律的习题训练，还带领学生梳理本章知识结构.例如，一开始复习“二力平衡”，首先讨论运动状态、平衡和不平衡状态，再回忆二力平衡条件的实验，提出了5个问题，不仅涉及实验的现象、说明的原理，而且涉及实验的设计、与其他方案的比较，然后用选择题和填充题来评价学生对二力平衡知识的理解.笔者总的感觉是知识点多、注意点细、记忆量大、结构松散、联系不紧密，关键是缺少一条贯穿全章的思维主线，即少了灵魂.

该章的主题是力与运动的关系，它是人类认识史上的重大课题.为什么亚里士多德的观点统治了数千年之久？因为他有经验和证据的支持.这种经验与人们经常看到的现象大多是一致的.时至今日，还有很多人不自觉地支持他的观点.他的观点之所以错，是因为没有揭示事物的本质.伽利略、牛顿等物理学家经过艰苦卓绝的探究，才揭示出亚里士多德的错误，改变了人们对自然世界中这一重大问题的认识，也提出了一种看待自然界的新方式.

复习“力与运动”这一章，不能不提及物理学史上这一智力苦斗的辉煌历程，以探讨力与物体运动的关系为主线也许是一个好的复习策略.

重组的结构如图1所示，它与教材提供的顺序结构不同.教材为什么把“二力平衡”放在第一节？那是因为二力平衡是现实中常见的平衡，可以直接通过实验得出规律，在此基础上探究力是不是物体运动的原因，认识力与运动的关系，这对学生而言，是困难较小的一种结构安排.在复习阶段，以物理学史中的这一场争论所提出的问题为主线展开.如果没有力，物体不能运动，那么力就是物体运动的原因；如果不是这样，没有力物体照样运动，那么，“力是物体运动的原因”这一结论就不成立.由此引出了“探究阻力对物体运动的影响”的实验，通过实验与推理，认识了牛顿第一定律.牛顿第一定律既揭示了物体不受力时的运动状态，也回答了“力是不是物体运动的原因”，提炼出“力是物体运动状态改变的原因”.最后，用力与运动的关系来解释现实中存在的平衡力与非平衡力作用(以二力为例)下物体运动状态的问题.这样的复习思路，突出了本章的核心思想，简洁、内在的逻辑性更强.

图1

2 围绕学生头脑中的前科学概念，使其领悟科学方法的魅力

一章需要复习的内容很多，很难做到面面俱到，抓住核心思想，就容易突出重点.学过这一章，看似学生解决了力与运动关系的问题，牛顿第一定律、惯性、力与运动的关系等内容也都能背出来，但潜在的前科学概念还是相当顽固的.复习中，应当围绕学生思维中的前科学概念，激发认知冲突，努力撼动前概念的基础.例如，在引入环节，让学生抢答(可让全体学生用手势抢答)：一列火车沿直线匀速行驶，车厢里的人竖直向上跳起，问该人落下时在起跳点的前方、后方还是原地？然后让学生说明理由.不少学生仍回答“在起跳点的后方”，即使答案正确，但在说明理由时，仍有学生回答：“起跳后，在水平方向不再受力，但仍保持原有与车相同的向前的速度，所以落回原点”，教师追问：“起跳前，地板对人的作用是怎样的？”学生回答：“有向前推动的作用”.这样引入，就使学生头脑中的前科学概念不自觉地暴露出来.

考虑初中学生的认知特点和水平，教材没有用伽利略提出的理想斜面实验，而是用“探究阻力对物体运动的影响”的实验.应当问学生：为什么要做这个实验？怎样做实验？实验能否得出牛顿第一定律？在从学生实验得出牛顿第一定律的过程中，对学生想象力的培养是应当重视的.为什么小车前进的距离越来越大，直至永远运动下去，就能得出做匀速直线运动呢？在对惯性是“原来运动的物体具有保持原有速度做匀速直线运动的性质”的理解中，学生的想象也是困难的.为帮助学生思维上实现“从路程到速度”的转换，可以将学生做过的实验，用频闪照相的形式表达出来(如图2).

图2

物理老师都清楚，基本概念是很重要的，它是某种物理事物本质的抽象.如果理解上有偏差，在物理规律、原理的得出及其应用环节就会出问题.因此，辨析概念常被重视，但常常停留在文字上的辨析.概念是人们思维和认识水平的反映，是随科学探究的深入而发展的.例如“力”和“运动状态”，在亚里士多德的年代，有静止和运动的概念，但没有力的科学概念，他认为轻物上升和重物下落都是由物体的本性决定的，是“自然”运动，还有一种“强迫”运动，要使物体运动或维持运动必须有外界的作用.伽利略在研究时，已经认识到速度、加速、减速等的意义，认识到水平面上摩擦是物体减速的原因，如果没有摩擦，速度将保持不变.他推广到如果物体不受外界的影响，它将继续保持运动.伽利略、牛顿认为：亚里士多德用物体从静止到运动的经验，得出没有外界作用(力)物体就不会运动的结论，实质上是没有力物体就不会由静止变为运动；同样，亚里士多德用运动物体“不受力”的经验得出没有力物体就不能维持运动的结论，实质上是阻力使物体由减速直至静止下来.在此基础上，牛顿提出了一系列的概念，如力、运动状态、运动状态的改变、惯性等，用“运动状态改变”概括了力作用的各种情况，总结出了牛顿运动定律.正是这些概念的建立，使规律和理论的描述更简洁、体系的逻辑性更强.在教学中，我们应当让学生了解相关的概念是怎样来的，这样才能更好理解概念的物理意义.我们可以用表格呈现亚里士多德和牛顿关于力、运动的概念(如表1)，请学生比较两者有何区别.

表1

课堂上给学生一些问题和练习，应将重点放在对物理意义的理解上，关注优化学生的认知结构，要更多地让“解题”转变为“解释”，让“选择题”转变为“简答题”，让“你知道了什么”转变为“你是怎样知道的”.要多一些“原生态的问题”，不应人为复杂化，力求符合学生的认知水平.例如，在听课中，有老师提出这样的问题：车厢里挂着一只小球，汽车停止后，小球来回摆动，在摆动过程中，哪点小球所受的二力平衡？这个题目考查学生对运动状态的理解，许多学生选择在最低点重力和拉力平衡.这个题目就比较好,使学生的错误观点暴露出来了.另一个问题是：运动的车厢内悬挂一只小球，小球偏向左侧摆动，问车厢受力情况如何？这一问题的情景较复杂，考查的目标没有针对本章的基本概念和规律，学生不具备分析小球受力的知识和能力，超越了学生的认知水平.

3 在总结阶段拓宽学生视野，促进其科学价值观的升华

在复习课总结阶段，应当突出如下两方面的收获：

(1) 通过本章的学习，增进了我们对自然界物体运动的认识，宇宙万物都在运动中，运动是物体的常态，静止只是相对状态，运动不需要力来维持；力是物体运动状态改变的原因，正因为有力的作用，自然界物体的运动才会多姿多彩，可展示赛车、过山车、摆钟、火箭发射、太阳系、扩散现象等运动图片或视频，表明：大到宇宙天体，小至微观粒子，一切物体都在运动中.

(2) 在本章学习中，我们了解了一种重要的科学方法，那就是“理想实验”的方法.理想实验不是真实的实验，是一种头脑中的实验，是通过推理和想象来进行的.在我们进行的“探究阻力对物体运动的影响”实验中，摩擦力小到一定程度，我们已经无法实验，靠头脑想象：摩擦力越来越小，行程越来越长，最终摩擦消失，物体将永远运动下去.实际上，当支持板延展到相当长时，它的另一端已经高于水平面，如图3所示，支持板就相当于一个斜面，即便摩擦可以消除，由于重力的作用，物体也不可能永远运动下去.但是，我们想象：不仅摩擦力消失，而且重力也不存在，即物体不受力的作用，它将永远地运动下去.

图3

理想实验的方法对物理学的发展有开创性的意义，在科学探究中具有广泛的迁移作用.例如，牛顿就曾设计了一个理想实验，论证了地球与月球间的引力作用，并为现代人造卫星成功运行奠定了理论基础.难怪“阿波罗”8号宇宙飞船从月球返回地球的途中，当地面控制中心问及“谁在驾驶”的时候，指令长回答说：“我想现在是牛顿在驾驶.”

随着科学技术的发展，有些“理想实验”中想象的现象已经可以呈现出来，例如，用气垫导轨，轻推滑块就可以看到滑块近似做匀速直线运动；用超导轨道几乎可以实现无摩擦的运动；在“天宫实验室”中，也可以看到精彩的失重现象.但是科学探究永无止境，许多未发现的规律，人们还不能完全用观察和实验来得出，理想实验体现了人类心智的结晶，仍将发挥重要的作用.

笔者在上面提出的一些案例，并非要大家模仿，只是为了说明让课堂设计更能体现培养学生素养的观念.苏科版初中物理教材在每章的章后创设了一个新的栏目“小结与评价”，内含两部分：知识梳理、反思与评价.前者重在帮助学生梳理一章的知识，使学生的知识有一定的系统结构，并学习梳理知识的方法；后者提出了几个问题，意在使学生认识知识由来，理解重要知识内涵，提升其科学方法，拓展其科学视野，这为老师们提供了复习的新思路.着眼于提高学生的核心素养，老师们可以把它们作为一种教学资源，结合实际进行再创造.

[1] [美]阿特·霍布森.物理学：基本概念及其与方方面面的联系[M].上海:上海科学技术出版社，2001.

[2] 刘炳昇.物理教育的灵魂——科学理性与人文精神的融合[J].物理教学，2007，(10).

[3] 刘炳昇等.义务教育教科书 物理(八年级下册)[M].南京:江苏凤凰科学技术出版社，2012.