课堂教学培养学生物理核心素养的途径

作者简介：周智良，重庆市教科院中教所副所长，物理教研员，高级教师，重庆市物理学会副理事长，兼任中学物理教学和科普工作委员会主任。近10年来，发表论文、研究报告、调研报告22篇（其中3篇在北京大学图书馆公布的中文核心期刊发表）。参编人民教育出版社、山东科学技术出版社等出版社出版的教材15种，合计编写国家教材25万余字、地方教材25万余字。参与科研课题8项，主持国家级课题1项，主研国家级课题4项，主持市级课题2项。在人民教育出版社报刊社《课程·教材·教法》组织的“全国基础教育课程改革成果”征文活动中荣获二等奖。获得重庆市政府教学成果一等奖、二等奖各一项。

摘 要：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身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力。笔者结合自己高中物理《焦耳定律》的教学设计与实施，提出了课堂教学培养学生物理核心素养的途径：提高老师备课环节对物理学和物理教育的认识、加强对课堂教学各个环节的研究与优化、突出物理实验在教育教学中的重要作用、聯系生产和生活实际、发挥物理学史在教育教学中的重要作用、学生课外探究等。

关键词：课堂教学；物理核心素养；焦耳定律

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2017）12-0001-5

近年来，不少国家或地区都在探索一个问题：21世纪培养的学生应具备哪些最核心的知识、能力与情感态度，才能成功地融入未来社会，在满足个人自我实现需要的同时推动社会发展？

我国经过多年教育改革，素质教育成效显著，但与立德树人的要求还存在一定差距。2016年9月13日，《中国学生发展核心素养》正式发布，中国学生发展核心素养共分为文化基础、自主发展、社会参与三个方面，综合表现为人文底蕴、科学精神、学会学习、健康生活、责任担当、实践创新六大素养，具体细化为国家认同等十八个基本要点。核心素养是连接宏观教育理念、培养目标与具体教育教学实践的中间环节，从中观层面深入回答“立什么德、树什么人”的根本问题，引领课程改革和育人模式变革。在全面深化普通高中课程改革的背景下，各学科课程建设都聚焦于人的核心素养的培养。普通高中物理课程标准（征求意见稿）提出，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身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力，是学生科学素养的关键成分，是学生通过物理学习内化的带有物理学科特性的品质。物理核心素养主要由“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”四个方面构成，这四个方面是相互联系、共同发展的。下面结合高中物理《焦耳定律》的教学设计与实施，谈谈课堂教学培养学生物理核心素养的途径。

1 提高教师备课环节对物理学和物理教育的认识

物理学是自然科学中一门普遍适用的基础科学，它研究的是大到天体、小到基本粒子的各种物质的性质和相互作用，以及它们的运动规律。物理学是一门以实验为基础的学科，观察实验及实验方法是物理学发展的基础，实验既是建立物理概念、探索物理规律、认识物理世界最基本的手段，又是验证物理假说、检验物理理论真理性的唯一标准。物理学是所有自然科学和工程技术的理论基础，物理学代表着一套获得知识、组织知识和运用知识的有效步骤和方法。物理学的一些概念、理论、实验手段与精密测试方法，已成为其他许多学科，如天文学、化学、生物学、地学、农学和医学的重要组成部分。物理学推动了材料、能源、环境、信息等科学技术的进步，促进了人类生产生活方式的变革，对人类文明和社会进步作出了巨大贡献。

在进行备课时，要有培养学生物理核心素养的意识，需要站得高一些，要有眼界、境界和情怀来准确理解课程标准，理解教材编者的意图，揣摩教学内容在教材中的地位和作用。在聚焦课标、研究教材、分析学生的基础上，确定贯穿单元教学全程的学习主题，引导学生建立有组织的知识网络、经历有明确意义的学习过程。在对高中人教版选修3-1第二章第五节《焦耳定律》的教材分析中，一方面要意识到初中也有这个内容，认真思考初高中教学的衔接以及区别，另一方面，焦耳定律的理论推导涉及前一章电场力做功与电势能变化的关系，还与本章的欧姆定律以及后面的串并联电路、闭合电路欧姆定律有关。从物理核心素养来看，焦耳定律的理论推导、纯电阻电路和非纯电阻电路的能量转化涉及物理观念中的“能量”，通过实验创新来落实科学思维、涉及科学探究，通过焦耳定律与生产、生活的密切联系来落实科学态度与责任。

2 加强对课堂教学各个环节的研究与优化

在把握学情的基础上对教材进行研读，对教学资源进行筛选、加工、提炼，形成目标明确、重点突出、脉络清晰、方式灵活、学法指导切合学生实际的教学设计，精心设计精彩的引入、主要问题、学生活动、实验探究、小结、作业布置等教学环节。以学生为主体，教师主导，创设有效的问题情景，关注学生的创造性和新的课堂生成，学生同伴之间的互助，教师要多鼓励、激励学生，注重教学的艺术。教学过程要关注学生在学习活动中表现出的精神状态与学习效果。

在《焦耳定律》的教学实施中，用“电功和电功率”“焦耳定律”“非纯电阻电路”三个小标题，使得教学条理清晰，逻辑合理，重点突出。通过精彩的夜景照片引入，提出“美丽夜景来源于什么？”激发学生学习电能转化的求知欲。用视频“电炉的工作情况”和小实验“玩具四驱车的工作情况”创设情景，初步认识纯电阻电路和非纯电阻电路。通过学生的观察和交流，形成电流流过电炉电能转化为内能和电流流过电动机电能转化为机械能和内能的初步认识。在推导焦耳定律环节，考虑理论推导比较枯燥，采取提出问题“从理论上推导电功公式的要点是什么？”后，学生自主学习为主，学生讨论交流后，老师引导学生，强调功能关系“静电力对电荷做正功，电荷的电势能减少，电势能转化为其他形式的能”是推导的理论基础，同时也是能量观念的具体体现。推导过程中，挖掘教材中的图片（图1），是科学思维中的模型建构，是对非常抽象的W=qU的形象直观的情景诠释，也更好地理解“静电力对电荷做正功，电荷的电势能减少，电势能转化为其他形式的能”。之后介绍科学家焦耳的生平事迹，通过举例初步认识进入到本节课的难点——非纯电阻电路。在演示一个小实验让学生明白非纯电阻电路中部分电路欧姆定律不成立后，又让学生自主学习非纯电阻电路的能量转化，把教材上的例题用一个创新实验来引导学生观察探究，既是对新课内容的巩固，更是创设真实情景让学生经历解决问题的过程，真正突破了本节课的难点。在对知识小结之后，又与学生一起总结了本节课的“能量的转化与守恒思想、对比学习的方法、理论探究的方法、实验探究的方法，联系实际，学以致用，知识就是力量”物理思想、学习方法，进一步落实物理学科核心素养。最后，还给学生布置了三个具有实践性的课外思考题。endprint

3 创新实验，突出物理实验在教育教学中的重要作用

自然是沉默不语的，它不会自动地告诉人们掩藏在现象背后的本质、规律和内在联系，可以把实验看作是人类与自然界的一种“对话”，正是靠着这种对话，迫使自然界作出回答，才能有所发现和收获。通过物理实验，可以紧扣教学主题，创设有效学习环境，引发认知冲突，激发学生的学习兴趣，拓展思维空间，促进学生物理观念的形成，训练学生的科学思维，培养学生的科学探究能力、科学态度与责任。物理概念的形成过程、物理规律的发现过程、物理问题（习题）的解决过程都可以通过物理实验得到很好的达成。在课堂教学中还要不断改进和创新，应该多利用生活用品自制实验教具。实验可以用于课堂教学的引入，用于课堂教学中突破难点、突出重点，用于课堂教学巩固环节分析问题、解决问题。课堂教学结束时，布置课外小实验、小制作等，把物理学习延伸到课外。对物理实验教学的研究，还可以提高教师的研究能力和教学水平，体会教学的乐趣。

在《焦耳定律》的教学实施中，一共进行了3个创新实验。一是演示多数学生熟悉的“玩具四驱车的工作情况”，注重学生的亲身体验，充分调动学生的视觉、听觉、触觉，认识电动机工作时电能转化为机械能和内能。二是电动机和电流表直接连成闭合电路（图2），转动电动机，学生观察到电流表指针会偏转，说明电动机工作时会产生电压，进一步理解非纯电阻电路中部分电路欧姆定律不成立。三是将教材中枯燥的“例题1”，改变为对玩具四驱车的工作情况进行定量研究，给出实验器材：玩具四驱车1辆、干电池2节、电压表和电流表各 1 只、导线若干。明确实验步骤：步骤1，用电压表直接测得2节干电池串联的电动势（图3），并记录。步骤2，用电压表、电流表测得玩具四驱车工作时电动机两端的电压和流过的电流（图4、图5），并记录。步骤3，用电压表、电流表测得玩具四驱车电动机卡住不转时两端的电压和流过的电流，并记录。实验后，循序渐进地提出了以下问题：步骤2中，电能转化成什么能量？根据步骤2的数据，可以求得电动机工作时的什么物理量？根据步骤2的数据，可以求得电动机工作时的热功率吗？步骤3中，电能转化成什么能量？根据步骤3的数据，可以求得电动机的什么物理量？现在可以求出四驱车工作时电动机的热功率了吗？ 你还可以求出什么物理量呢？这样，通过實验创设真实情景并让学生思考解决具有挑战性的问题，培养了学生的兴趣，激发了学生的求知欲，创设学生有效学习、理解、掌握、运用知识的学习环境，很好地巩固本节课的重点内容，也很好地突破了难点，进一步培养了学生物理核心素养。

4 联系生产、生活实际，注重课堂教学素材的积累和运用

科学是基于情境的，科学教育也是基于情境的，教学情境应该是真实的或模拟真实的，应该是浸润在科学的学习过程中的。苏霍姆林斯基说过：在人的心理深处，都有一种根深蒂固的需要，那就是希望自己是一个发现者、研究者、探索者。而在儿童的精神世界中，这种需要特别强烈。创设问题情境也正好满足了学生这一需求，学生有了问题，才会主动探索，才会有深度学习。生活无处不物理，物理知识和物理原理贯穿于日常生活之中。通过教学素材的积累和运用，可以提供大量的直观、感性材料，创设问题情景，让学生多体验、多观察、多思考，符合学生的认知心理，激发学生的兴趣，激活学生的思维，联系生产生活实际，学以致用。

在《焦耳定律》的教学实施中，一开始，就通过精彩的夜景照片激发学生的求知欲，用视频“电炉的工作情况”和小实验“玩具四驱车的工作情况”创设情景，初步认识纯电阻电路和非纯电阻电路，形成电流流过电炉电能转化为内能和电流流过电动机电能转化为机械能和内能的初步认识。在学习焦耳定律认识纯电阻电路时，又列举生活中的多个电热用电器（图6）创设情景，让学生明确纯电阻电路中的电能全部转化为内能，同时也认识到物理知识对生产力提高和人民生活水平改善的巨大作用。在学习非纯电阻电路时，有用电风扇、擦鞋机、手机充电的图片（图7）创设情景， 让学生直观认识到，非纯电阻电路就是电路中含有电动机、正在充电的电池，电能只有一部分转化为内能，另一部分转化为机械能或化学能等其他形式的能量。

5 发挥物理学史在教育教学中的重要作用

物理学史含有极为丰富的科学思想、科学精神与人文思想，物理学史集中体现了人类探索和逐步认识物理世界的现象、特性、规律和本质的历程。任何一个具体的物理知识和理论体系都是汇集许多人的研究成果而建立起来的，它包含着认识论和方法论的因素，包含着探索者的艰辛与悲欢，又体现着认识过程中理论与实践、继承与突破、理性与非理性的辨证统一。由于物理事实、规律较具体，较容易把握，而科学思想与科学方法隐含在其中，较为抽象，容易被我们忽略。在英文What、When、Where、Why 、Who和How中，我们往往只重视第一个，学生不知道这个定理或定律在何时（When）何地（Where）为什么（Why）被谁 （Who）提出来作为研究的前沿问题，不了解当时某个问题是如何（How）解决的。物理教学要让学生经历科学探究过程、了解物理学的研究方法、理解物理学的发展历史，深刻地理解物理学与人的存在之间的关系以及科学的发展对人的精神世界的影响，逐步形成科学态度和科学精神。

在《焦耳定律》的教学实施中，通过网络百度“焦耳”，从几万字的内容里面，精简了以下内容让学生学习了解：焦耳（1818—1889）英国杰出的物理学家，曾经师从著名化学家道尔顿。1840年，焦耳把环形线圈放入装水的试管内，测量不同电流强度和电阻时的水温来研究电流的热效应，12月在英国皇家学会上宣读了电流通过导体产生热量的实验定律。在1840—1879年焦耳用了近40年的时间，先后用不同的方法做了400多次实验，得出热功当量是一个普适常量，与做功方式无关的结论。十八世纪，“热质说”在物理学史上统治了一百多年。无论是在实验方面，还是在理论上，焦耳都是从分子动力学的立场出发，是对热学进行深入研究的先驱者之一 ，是焦耳为最终解决这一问题指出了道路。1850年焦耳被选为英国皇家学会会员，此后他仍不断改进自己测量热功当量的实验。由于他在热学、热力学和电方面的贡献，皇家学会授予他最高荣誉的科普利奖章，并用他的名字作为功和能量的单位。在去世前两年，焦耳对他的弟弟说：“我一生只做了两三件事，没有什么值得炫耀的。” 一方面，让学生了解焦耳生平，另一方面了解焦耳定律是实验定律，焦耳不懈地钻研和测定了热功当量，为物理学能量观念的提出打下坚实的基础，也是从分子动力学的立场出发，对热现象进行深入研究的先驱者之一，让学生学习焦耳的钻研精神和谦虚品格。endprint

6 注重学生实践，促进学生课外探究

教育家叶圣陶先生提出“做中学”的教学理念，只有通过亲身的观察、操作、体验，才能有更深的体会，学到的东西才是真正属于自己的，做中学动手又动脑，心灵又手巧，不至于养成迷信书本知识和权威的习惯。物理教学要与学生的研究性学习、综合实践活动、科技小论文写作和科技小制作等有机结合，为学生提供机会和平台，把物理学习、探究延伸到课外。学生学会观察社会、生产、生活，学会发现和提出问题、设计解决问题的方案，锻炼学生的表达能力、思维能力，学以致用，提升学生物理核心素养，以适应社会和科学发展对人才培养的需要，同时也转变物理教师的教育教学观念，提高物理教育教学质量。

在《焦耳定律》的教学实施的最后，老师提出了三个课外实验、探究与思考的问题：四驱车使用一段时间后，为什么电池会发烫？刚才的实验探究，三个步骤中电压表的读数不同，说明什么问题？使用充电器给手机充电一段时间后，为什么充电器和手机电池均会发烫？让学生联系生活实际，积极观察思考，为后面的闭合电路欧姆定律作很好的铺垫，为学生提供课外学习的问题、机会、平台和要求，将物理的学习、探究延伸到课外，学生自觉主动地观察、实验、（下转第6页）（上接第4页）思考、研究物理问题，有时候还可以布置学生撰写科技小论文。布置作业后，还需要落实，通过检查对学生进行评价和鼓励。

德国教育学家第斯多惠说过，“教学的艺术不在于传授本领，而在于激励、唤醒和鼓舞。”学生是一个个富有个性、富有思维的鲜活的生命个体，教师要以学生为本，了解、理解、尊重学生，创造民主的教学氛围，让学生成为学习的真正主人。通过物理教育教学，培养学生“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”的物理核心素养，激发学生对自然、对生活、对生命的热爱，学会思考和生活，学会感恩和珍惜，学会探索和创新，引导学生逐步樹立起崇高的理想以及人生观和价值观。任何一种改革很难做到一帆风顺，只要我们不断地学习培养学生物理核心素养的新理论、探索新思路、创造新方法，大胆实践探索，我们的物理课堂教学一定会有利于学生的全面和谐发展，有利于培养新时代需要的具有健全人格、创新意识和实践能力的建设者和接班人。

参考文献：

[1]李艺，钟柏昌.谈“核心素养”[J].教育研究，2015（9）：17-23.

[2]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，2016（2）：1-2.

（栏目编辑 廖伯琴）endprint