优化课堂教学策略 提升物理核心素养——以一节“动力学专题”复习课为例

曾 晗

(桐乡市凤鸣高级中学,浙江 嘉兴 314500)



优化课堂教学策略 提升物理核心素养
——以一节“动力学专题”复习课为例

曾 晗

(桐乡市凤鸣高级中学,浙江 嘉兴 314500)

基于核心素养培养的高中物理教学是新一轮课程改革的必然要求.以一节“动力学专题”复习课为例,从依托本原性问题、融自主设计与独立操作于一体、创设可引发认知冲突的真实情境、联系生活实际4个角度出发,阐述了在课堂教学中培养学生物理核心素养,包括物理观念、科学探究、科学思维、科学态度与责任的具体优化策略.

物理核心素养;本原性问题;认知冲突;物理教学

《普通高中物理课程标准修订版》内部征求意见稿中指出:物理核心素养是学生在接受物理教育过程中逐步形成的适应个人终生发展的必备品格和关键能力,是学生通过物理学习内化的带有物理学科特性的品质.[1]新课程标准规定物理核心素养主要由“物理观念”、“科学探究”、“科学思维”、“科学态度与责任”等4个方面的要素构成(如图1所示),而教育教学实践是培养学生核心素养的关键一环,因此,如何通过优化物理课堂教学有效培养学生的核心素养将成为一个重点研究课题.

图1 物理核心素养的构成

下面就以一节“动力学专题”复习课为例,谈一谈课堂教学中培养学生物理核心素养的具体方法策略.

1 依托本原性问题,引领学生物理观念的形成

本原性问题是指能够揭示某一学习主题中最为原始、朴素、本质的观念、思想和方法的问题.[2]物理观念是指从物理学视角形成的关于物质、运动与相互作用、能量等的基本认识,是物理概念和规律等在头脑中的提炼和升华.通过高中阶段的学习,学生应该形成经典物理学的基本观念,并能用其理解自身生活的客观世界,认识自然界的构成、现象和规律,把握物质存在的多样性、复杂性和统一性,形成科学的唯物主义世界观.[3]物理观念主要包括物质观念、运动观念、相互作用观念、能量观念.课堂教学中,要求教师能够适时提出直击学生认知漏洞的本原性问题,并以此作为学生形成物理观念的“催化剂”.本原性问题的提出要以学生原有的认知结构为基础,旨在发现学生认知的疑惑点、停靠点及连接点.笔者在“动力学专题”复习课中布置了这样一道习题.

图2

例题.如图2所示,在倾角θ=37°的足够长的固定的斜面上,有一质量m=1kg的物体,物体与斜面间动摩擦因数μ=0.2,物体受到沿平行于斜面向上的轻细线的拉力F=9.6N的作用,从静止开始运动,经2s绳子突然断裂,求:

(1) 绳断瞬间物体的速度大小为多少?

(2) 绳断后多长时间物体速度大小达到22m/s?

学生在做第(2)问时,普遍都是结合上滑、下滑的受力分析,得出加速度后直接用运动学公式求解,但常常会忽略一个动力学中至关重要的问题: 物体滑到最高点时能否停得住?笔者提出这个问题时,学生先是感到诧异,随后便很快陷入沉思.留白之后,笔者随机提问了几位学生.

教学片断1:

生1: 因为题目中要求的是滑块速度达到22m/s时所需的时间,所以实际上已经默认了滑块在斜面上是停不住的.

师:题目只是为我们提供了一种物理情境,抛开题目本身,我们现在要解决的是“能否停得住?”这个问题.

生2: 滑块是由于重力才会向下滑的.

师:这确实是一个非常关键的因素,那么由于重力的存在滑块就一定会下滑吗?

生3: 应该从物体由“不动”到“动”的临界条件来讨论,就好比去推一张桌子,只有当推力大于桌子与地面间的最大静摩擦力时,桌子才会动起来．对于斜面上的物体,如果物体沿斜面向下的分力Gx大于物体与斜面间的最大静摩擦力fmax,那么物体就停不住.

师:很好!这位学生说出了物体在斜面上无法静止的本质原因.当重力沿斜面的分力Gx>fmax时,物体达到最高点后将无法静止,而是会反向加速下滑.即

mgsinθ>μmgcosθ.

通过化简得到物体在斜面上无法静止的动力学条件为μ

认知的发展在一定程度上就是问题解决的过程.在本原性问题“物体滑到最高点时能否停得住?”的引领下,学生完成了提出问题、理性分析、相互交流、归纳总结、形成结论等关键步骤,参与对话的各方在相互沟通的过程中,充分暴露自己,了解对方,进而通过相互影响、相互补充、融合视阈、生成观念.使学生在获取知识的同时,树立了多角度、多方位思考问题的意识;内化了物体由“不动”到“动”的动力学机制,形成了正确的“运动观念”.在具体情境的基础上提出问题不仅显得自然,而且顺应学生的认知逻辑,同时也符合物理的学科逻辑.学生经历了问题的解决过程,对“平衡条件”和“牛顿第二定律”的理解更加透彻、深刻.

解决了“能否停得住?”这个问题之后,笔者将情境进一步拓展.

图3

通过上述本原性问题的解决,此时的拓展情境可以说完全符合学生的认知期待,学生能够很好地领会教师的意图,并做出积极的回应.

2 融“自主设计”与“独立操作”于一体,助力学生科学探究能力的提升

探究能力是指提出问题、形成猜想和假设、获取和处理信息、基于证据得出结论并做出解释以及对探究过程和结果进行交流、评估、反思的能力.[4]通过高中阶段的学习,学生应具有科学探究意识,能在学习和日常生活中发现问题、提出合理猜测与假设;具有运用课本知识设计相关探究方案和获取证据的能力;能正确使用常见的物理实验仪器,独立完成物理实验,经历真实的探究过程;具有分析论证的能力,会使用各种方法和手段分析、处理信息,描述、解释实验探究结果和变化趋势;能主动将自己的想法与同伴交流,坚持正确的观点,积极修正错误想法.

能否运用物理知识与方法解决生活中的现实问题,是判断学生物理学科核心素养高低的重要标准.针对上述的拓展情境,笔者要求学生根据提供的实验器材,设计出可行的实验方案来佐证自己的猜想?首先面对的问题就是如何测出木块与木板间的动摩擦因数μ.经过学生分组讨论,确定了下列两种方案.

图4 实验装置图

图5 实验装置图

教学片段2:

生:方案1是错误的.

师:请问错在哪里?

生:用手拉时无法很好地控制木块的速度恒定,这样便导致传感器的拉力不等于木块受到的滑动摩擦力.

师:有道理!那“方案2”为什么就可行呢?(此处留给学生必要的思考时间)

生:方案2中,在向外抽木板时,木块受到了向左的滑动摩擦力,木块在这个力的带动下,就会向左运动,从而使传感器的拉力增加,当木块受到的拉力与滑动摩擦力相等时,木块就会一直处于静止状态.

师:也就是说,方案2能够减小实验装置的系统误差,不管抽出木板的速度多大,木块最终都会静止,从这一点上来讲,方案2优于方案1.

物理教学具有一个非常鲜明的特征,那就是“以物明理,物理渗透”,这里的“物”就是指探究实验.[4]教师在课堂中要为学生创设真实的探究环境,让学生运用所学的知识和方法,自主开展研究活动,让他们像科学家那样“独立地尝试用各种方法研究问题”,只有在真实情境中的自主探究,才能体现学生的探究能力和科学素养.

通过分组研讨,学生充分发挥各自的聪明才智,群策群力、自行设计,确定多种实验方案,尽管其中部分方案不尽完善,甚至是错误的,但学生的思维得到了锻炼,兴趣得到了培养.学生亲身经历了实验方案的设计、可行性论证、实验演示、误差分析等流程,切实体验了物理问题的实验探究程序和方法,从而对探究有了从感性到理性更为深层次的认识和理解.同时也实现了以教师讲授和学生练习为主的传统教学方式向以学生亲自动手、自主探究为主的新型教学方式的转变,使教学成为了师生共同解决问题的过程,让知识的掌握成为学生实验探究能力提升的副产品.[5]

3 创设可引发认知冲突的真实情境,促进学生科学思维的发展

科学思维主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要求,它是人脑反映客观世界的机理.通过高中阶段的学习,学生应能从不同角度思考问题,能针对问题建构理想模型,能寻找并运用证据对问题进行描述,解释和预测,能从定性、定量两个方面进行科学推理,能在质疑批判中形成结论.[3]由于受高考制度的影响,传统的灌输式教学侧重知识的理解,在应用上侧重方法和模式的套用,阻碍了思维灵活性、开放性的发展,导致学生普遍缺乏批判性思维.课堂教学中教师要积极探索能够促进学生批判性思维品质提升的多种途径,其中,创设可引发认知冲突的真实情境,便是有效的策略之一.

图6

根据上述实验,得出木块与木板之间的动摩擦因数μ=0.3,若要木块在倾斜的木板上无法静止,则木板的倾斜角度应θ>16.7°.笔者请了两位学生上台为大家演示,一人用量角器确定角度,另一人控制木板和木块．演示之前,每一位学生的内心都有着相同的期待:当木板倾角达到16.7°时,木块将会下滑.但实际发现,当木板倾角为18°,甚至更大时,木块都无法下滑(如图6所示).看到的现象与内心的期待相悖,学生对此异常困惑,从而引发了强烈的认知冲突,进而怀疑先前得出结论的正确性.

教学片段3:

师:谁能够解释刚才看到的现象?

生1:可能刚才木块放在木板上的位置比较粗糙.

师:这是一个很可能的原因,我们不能保证木板上各处的粗糙程度一样.除了这个原因以外,有没有其他观点?

生2:先前的结论是在假设最大静摩擦力等于滑动摩擦力的前提下得到的,而实际两物体间的最大静摩擦力可能大于它们之间的滑动摩擦力,所以要使木块下滑,必须让木板倾斜的角度更大.

师:非常好.最大静摩擦力是否比滑动摩擦力大呢?我们能否通过实验来验证呢?

……

思维是智力活动的核心,而思维的生长需要精心设计的“环境土壤”.相比于直接将“最大静摩擦力大于滑动摩擦力”的结论告知学生,上述做法起到的效果可谓事半功倍.首先,为学生思维的发展提供了必要的台阶.由于之前已经历了铺垫性的环节,此处问题的提出显得流畅自然而不突兀,学生内心易于接受;其次,认知冲突激活了学生的求知渴望.学生原本满心期待的结果没有发生,触发了深层的思维机制,进入了深度学习，提升了学生的思维品质.学生的认知需要在教师的引导下逐步完善并实现螺旋式上升,原先为了处理问题时方便而假定的结论可能在实际情境中不再适用,促进学生在解决问题的同时发展其批判性思维,能够在质疑批判中形成结论、完善结论.

笔者在师生对话后设置了如下的“生活体验”环节:让学生去推动放满书本的课桌(放满书本是为了增加课桌的重量).完成之后,学生普遍的感受是“使课桌动起来比较费力,但推动的瞬间突然变得省力”.这也恰恰说明结论“f滑

4 联系生活实际,激励学生科学态度与责任的养成

“科学态度与责任”是指在认识科学本质,理解科学、技术、社会、环境(STSE)关系的基础上形成的对科学和技术应有的正确态度以及责任心.具有学习物理和探索自然的内在动力,严谨认真、实事求是和持之以恒的探索精神,独立思考、敢于质疑和善于反思的创新精神,以及保护环境、推动可持续发展的责任感.能尊重自然、遵守科学伦理和道德规范,主要包括科学本质、科学态度、科学伦理、STSE等要素.

笔者在课堂上先让学生观看了一段交通事故的视频,随后给出了下面一道习题.

例题.2016年5月31日深夜,某市发生了一起交通事故,造成一死一伤.警方在案发后通报称,肇事人属于酒驾,肇事车速达130码.如果由你来调查这起事故肇事车辆的车速,你需要掌握哪些信息?

教学片断4:

师:如果你是一名交警,上级派你来勘查现场,你如何确定肇事车辆超速与否?

生1:用皮尺测出刹车时轮胎在马路上所留痕迹的长度,再确定刹车的时间,便可根据运动学公式求解初速度.

师:刹车时间如何确定呢?

生1:(经过短暂思考)调监控.

生2:这样获得时间不妥,因为事故发生在深夜,光线可能会影响监控画面的质量,而且有些地方是监控死角,无法看到事故的全过程.

师:那还有什么其他办法?

生2:可以通过查阅汽车使用说明书,得到刹车时的加速度大小;或是得到轮胎与地面之间的动摩擦因数μ,汽车刹车时的加速度a便等于μg,再根据v2-v02=2ax即可得到初速度.

师:很好,我们已经具备成为一名交警的潜质了.希望同学们树立“安全行驶”的意识,切忌逞一时之快.

物理源于生活,用于生活.新课程改革要求课堂教学中彰显学生的主体地位,树立学生的“主人翁”意识,提高课堂参与度．向学生呈现贴近生活、“有血有肉”的真实情境,不仅可以促进他们对知识的掌握,还可以提升他们解决实际问题的能力.

教学不仅仅是知识的传递,能力的提升,还需要有态度与责任的浸染.从发生在学生身边的事情出发,通过观看交通事故的视频以及实际问题的解决,时时告诉我们,教天地人事,育生命自觉,建立安全行驶的态度与责任，夜晚行车须慎重,安全时刻放心中.引导学生树立“交通安全”意识,尊重他人,敬畏生命,并能正确把握科学(S)、技术(T)、社会(S)、环境(E)之间的关系,经历理论与实践的结合,将在课堂上学到的知识运用到实际的生产生活当中,遵守社会规范,抵制违背科学伦理道德的行为.

5 总结

知识与能力能够在后天习得,但素养的形成却要靠经历、反应、等待、领悟和升华.诺贝尔物理学奖获得者劳厄说过:“重要的不是获得知识,而是发展思维能力.教育无非是一切学过的东西都遗忘掉的时候,所剩下来的东西.”[6]这位物理学家一语道破了教育的真谛,即教育追求的并不仅仅是知识,还在于学习知识过程中沉淀下来的东西,亦即人的素质.

在全面深化课程改革的背景下,高中物理教师应该深谙高中物理学科教学对培养学生核心素养所具有的育人价值,明确物理学科核心素养的构成,积极探索优化课堂教学的策略,从“物理观念”、“科学探究”、“科学思维”、“科学态度与责任”等4个方面提升学生的核心素养.虽然在实践中需要付出必要甚至大量的时间,但只要能为学生的终身发展留下最有价值的东西,那就是值得的.值得一提的是,每种策略的采取并不只是针对于一种素养的形成,它们彼此交融、彼此促进、相互影响,共同为学生物理核心素养的提升服务.

1 彭前程.积极探索基于核心素养理念下的物理教学[J].中学物理:高中版,2016(2):1-2.

2 王俊.运用本原性问题驱动物理概念教学[J].中学物理教学参考,2014(7):6-8.

3 余华云.基于核心素养的高中物理教学探析[J].中学物理教学参考,2016(10):2-5.

4 王俊.核心素养导向的“问题 对话 体悟”教学——以高中物理“功”的教学为例[J].中学物理教学参考,2016(11):21-24.

5 江山,张平昭.基于核心素养拓展物理实验课程[J].物理教师,2016(11):35-37.

6 张新华.教学设计视角:关注学生的物理核心素养[J].物理教学,2016(5):7-10.

2017-01-11)