指向核心素养的高中物理教学微设计

徐永明

(江苏省滨海中学,江苏 盐城 224500)

教学微设计,是指在课程标准指导下,根据教学对象和教学目标,确定合适的教学起点与终点,从课堂教学内容解构出某些特定微主题,对微主题精准设计.微主题素材的选用、组织、展示要与学生的认知能力、生活经验、学科思维特点、已储备知识和技能相匹配,满足学生核心素养发展的要求,体现人文情怀.

微设计具有目标明确、内容精简、主题突出、预设可期等特点,是整体教学设计的重要组成部分.良好的微设计针对性强,能为学生提供更多的质疑与探究机会,拨动物理学科教育与核心素养生成的触发点、联结点和落实点,使教学整体设计趋向完善、便于操作.微设计的内容丰富多彩,可以是一句话、一个手势,也可以是情境创设、实验改进和创新、教学程序等.根据课程理念,本文从以下几个方向思考教学微设计,实现教学效果最优化.

1 增强实践意识,发展学生物理观念

物理观念主要包括物质观念、运动与相互作用观念、能量观念等要素.这些要素素养只有在真实情境中解决问题时才能表现出来,因此,学生的物理观念也应在解决实际问题中形成.

案例1.夏天开空调时,教室里有一盏悬线日光灯因空调风吹而来回摆动,摆角可达15°左右,学生感到很不安全,光线摇曳,眼睛不舒服.后来班主任用铁丝和钉子把日光灯固定,很不美观.

微设计意图:发展物理观念、培养迁移能力和解决实际问题能力.

学习相关内容时,问学生:去掉铁丝后,怎样才能做到开空调而日光灯不摆动?

开始学生不知怎么办,很难将所学的知识与方法迁移到处理日常生活遇到的物理现象,经启发引导,有学生想到共振.当教师确认应用共振相关知识解决问题时,学生立即活跃起来,提出方案:改变悬线长度,改变灯的质量.

图1

次日,如图1所示,在日光灯盒上多了几本厚书(如不仔细看,还真发现不了),固定灯的铁丝不见了,灯也恢复了往日的平静.

图2

评价:把应用知识和训练能力的重心转移到实践中去.[1]微设计应多给学生实践机会,在解决实际问题中内化物理概念和规律,提升学生提出问题、分析问题和解决问题的能力,增强实践意识.

2 创新改进实验,培养学生科学思维

质疑创新是科学思维的重要要素,创新或改进实验,使现象更明显,可视化程度更高,更能精彩呈现,学生不仅觉得“有意思”,而且能为学生提供良好的思考问题情境,扫除思维障碍,对培养学生科学思维起到潜移默化的作用.

图3

案例2. 如图3所示,这是人教版选修3-2教材的习题实验,左管是完整的铝管,(a)管是开缝的铝管,管长约1m.圆柱形强磁铁轻轻放入左铝管上管口,约6s从管的下端落出,同样操作,磁铁在(b)管中约0.5s就落出.现象明显,学生惊讶不已,引发思考与讨论.学生疑问:铝管不透明,铝管中有没有机关?磁铁在铝管中怎样运动?是否受到管壁的摩擦作用?

微设计意图1:让学生观察到磁铁在铝管内运动.

如图4所示,在铝管侧壁开些小孔,可以观察到磁铁在管中慢慢经过小孔.学生疑问:磁铁不在小孔处是否受到管壁的摩擦作用?

图4 图5

微设计意图2:通过对比实验,说明下落延缓是电磁阻尼作用而不是摩擦作用.

如图5所示，强磁铁在1m长竖直透明有机玻璃管中下落时间约0.5s;在有机玻璃管外再套上完整的铝管后,磁铁在玻璃管中下落时间约6s;完整铝管再换成开缝铝管套在玻璃管外,强磁铁下落时间约0.5s.学生疑问:仍然不能直接观察强磁铁究竟在玻璃管中做怎样运动.通过铝管的缝隙观察强磁铁,强磁铁下落不延时.

微设计意图3:让学生观察到磁铁在电磁阻尼作用下的真实运动情况.

图6

如图6所示,取1m长的玻璃管,下半截用铜线缠绕,中间留有间隙,当玻璃管适当倾斜时,磁铁轻放入上管口,先是加速运动,进入线圈部分,立即减速,以极慢的速度下滑,阻尼现象直接曝露眼前．学生疑问:摩擦力起多大作用?玻璃管竖直放置,磁铁又怎样运动?竖直放置,由于线圈的电阻等因素,磁铁延缓下落并不明显.

微设计意图4:让学生观察到磁铁在电磁阻尼作用下竖直下落的运动情况.

图7

如图7所示,在玻璃管上固定一系列铜环,圆柱形强磁铁轻轻放入上管口,可看到强磁铁立即以极慢的速度做匀速运动,磁铁与管壁几乎不接触,延时效果明显,磁铁运动情况一览无余,尽收眼底.

评价:新颖的、生动的、惊险的和富有悬念的实验有利于学生萌发热爱物理学的情感,激发学习动机,产生旺盛的求知欲．[3]这4个微设计是笔者和学生不断探索、改进创新的成果,微设计过程很好地培养了学生质疑创新精神.

3 突破探究困境,确保务实科学探究

科学探究是人类探索和了解自然、获得科学知识的主要方法,主要包括问题、证据、解释、交流等要素.以证据为基础,运用各种信息分析和逻辑推理得出结论,公开研究结果,接受质疑,不断更新和深入,是科学探究的主要特点.[2]教学中要避免让学生按教师或教材的既定步骤进行虚假“探究”,[3]务必把科学探究落到实处.

案例3.学习人教版普通高中物理选修3-2教材“楞次定律”时,教师一般处理方法是通过如图8所示实验绘制表1.教材指出根据图表信息很难概括感应电流方向跟磁通量的变化有什么关系,于是强行地引入“中介”——感应电流的磁场.从课堂反应看,学生觉得“中介”很突然,有假探究之嫌,也有教师提出类似质疑.[4]

图8

微设计意图:基于证据,教师引导,分析相关现象,师生以老子哲言分析和逻辑推理,调控探究方向.

指导学生分析表1,正常情况下学生得不出感应电流方向的判定方法,探究陷入困境.此时出示老子名言:“天之道,损有余而补不足”.意思是“自然规律是减损有余的而弥补不足的”,这里可以理解为“自然规律,增加的就得减少,减少的就得增加,即阻碍变化”.请学生们观察表1中“N极插入”列,问: (1) 什么量在增加? (2) 怎么减少这个量增加?答:线圈中磁通量增加,唯有感应电流的磁场才能阻碍这个磁通量的增加.学生自然地想到感应电流的磁场及其方向,在表1下方再加两行,如表2(课堂教学时表1与表2合并在一起),学生在“天之道,损有余而补不足”引导下很快填好表2中的所有信息(此是笔者2017年江苏省优课一等奖的教学设计片段).

表1

表2

评价:贯彻落实科学探究,务必认真设计好科学探究的每一个要素,设计好每一个细节.学生能从“损有余而补不足”迁移到“感应电流的磁场阻碍线圈中原来磁通量的增加或减少”.设计一句名言,引领探究方向.

4 回归科学本质,培养学生科学态度

物理学作为科学,学习时必须抓住科学本质,不能死记硬背一堆公式,更不能记住一些二级结论随便套用.

图9

案例4.如图9所示,A和B两颗卫星分别在圆轨道和椭圆轨道绕地球运动,在图中位置哪颗卫星速率大?

微设计意图:回归科学本质,避免滥用、乱用一些结论.

有的学生往往根据教辅资料中“越高越慢”错答为A速率大,正确答案是无法比较.

“越高越慢”的本质是卫星绕地球做圆周运动时,万有引力提供向心力,得到轨道半径越大速率越小.而对于一个是圆轨道,另一个是椭圆轨道的情况就复杂了.

图10

再如,如图10所示,长直螺线管AB中通以恒定电流,闭合铜环放置在螺线管正中间,当恒定电流突然加倍时,则铜环有收缩还是扩张趋势?

当电流加倍时,螺线内外磁场都增强,穿过铜环的磁通量变大,所以绝大部分学生立即根据“增缩减扩”得到错误结论:铜环有收缩趋势.

磁通量是指净磁通量,螺线管内外磁感线疏密和方向不同,图中铜环具有向上的磁通量,当电流加倍时,铜环中顺时针电流(俯视),而铜环所在处磁场方向向下,根据左手定则得到铜环有扩张趋势.

铜环的收缩和扩张,本质是感应电流在磁场中受到安培力的作用,效果是阻碍磁通量的变化,此题中铜环有扩张趋势,扩张阻碍磁通量增加.

评价:科学本质是指对于科学知识、科学研究过程、科学方法等方面最基本特点的认识.在教学中通过知识的学习和探究,让学生逐步理解科学本质,并能从科学本质出发解决和处理问题(包括应试),而不是让学生记住或套用一些二级结论.微设计这两道题,希望能正本清源,从本质出发认识事物,培养正确的科学态度.

5 结语

不论是改进的还是原创的微设计,都是笔者从教学实际情况出发,使物理情境更合理,激发学生求知欲,让学困生不讨厌物理,一般生喜欢物理,优等生着迷物理.有针对性的教学微设计,有利于培养学生的物理观念、科学思维、科学态度与责任,更能把科学探究落到实处,促进学生物理学科核心素养的全面发展,也有利于教师业务的发展和学校办学软实力的提升.