核心素养视阈下高中物理教学的实践与探索——以科技前沿知识的融入为例

张晓顺，尹雄杰

一、问题提出

基于发展中国学生核心素养的课程改革正在进行，核心内容是要将核心素养融入到课程标准，并体现在课程实施、教师培训、考试评价等教学改革的各个环节之中。［1］为此，各学科纷纷基于学科特点制定了学科核心素养，其中《普通高中物理课程标准（2017年版）》（以下简称“新课标”）提出高中物理课程要“注重体现物理科学的本质，从物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任等方面”培养学生的核心素养，要“注重课程的时代性，关注科技进步和社会发展需求”，并“引领学生认识科学·技术·社会·环境（STSE）的关系”，选修课程所列三个模块的宗旨是“关注物理学前沿对学生视野的拓展”，并鼓励学校开设自己的选修课程。

作为一门自然基础学科，物理学对化学、生命科学、地球与宇宙科学等自然科学都产生了重要影响，并且推动了材料、环境、信息等科学技术的进步。所谓“科技”，就是科学与技术，科学是技术背后的原理，技术是科学原理的具体应用，“科技前沿”是指最新的或领先的科技成果。当今世界科技发展日新月异，今日之新成果，或许明天就会成为旧技术。［2］但是为了保持课程的连续性与稳定性、结合学生的知识结构特点，教科书中所涉及的科技前沿知识只是沧海一粟，且多是远远滞后于当今时代科技的静态知识。

教师如果能突破知识本位，适当地将科技前沿知识引入常规物理教学，会有利于培养学生用动态的、发展的、普遍联系的观点看待问题，纵向可以贯通学科的过去、现在和未来，横向则可以打破学科壁垒，引领学生认识和关注科学·技术·社会·环境（STSE）的关系。将科技前沿知识引入课堂教学，有利于培养学生的科学精神和人文底蕴，因此在常规教学中体现时代性和大量增加物理前沿知识是“新课标”的一个主要特征。当然，在具体教学过程中，有些技术从时间上来看已经不新了，但相对高中生的知识储备和认知水平而言，应该还可以当做新技术、新知识来处理。

二、在物理教学中融入科技前沿知识

为了在常规教学中有效落实立德树人的教育任务、落实“新课标”所提出的物理学科核心素养的育人要求，笔者及所在教研室尝试了多种不同方式将相关科技前沿知识融入常规物理教学之中，在教育教学实践中起到了很好的育人效果，现将其方法和途径梳理如下。

（一）挖掘教材科技前沿知识

高中物理教材的很多章节中都以正文或阅读材料的形式呈现了一些前沿知识，这些前沿知识推动了科技社会的进步，更好地服务于人类生活，能激发学生的学习兴趣，应该引起教师的足够重视。教师在讲授基本概念和基本原理时，如果能将教材中相关的科技前沿知识素材渗透到教学实践中去，可以在加深学生对相关概念、原理理解的同时，运用科技前沿的观点和方法延伸这些基础概念和原理，进而开阔学生视野，启迪学生思维。［3］以人教版教材为例，选修3-4“光的衍射”在“科学漫步”栏目中设置了“X射线衍射与DNA的双螺旋结构”，属于生物物理交叉学科。“光的偏振”在“科学漫步”栏目中设置了“立体电影和偏振光”，选修3-5“放射性元素的衰变”在“科学漫步”栏目中设置了“碳14测年技术”和“碳13与胃病检测”，后者也属于生物物理交叉学科。“不确定性关系”在“科学漫步”栏目中设置了“显微镜的分辨本领”。通过在教学中引导学生关注教材中与科技前沿相关的知识，使学生了解到牛顿经典力学理论和麦克斯韦的电磁学理论并不是物理学的全部，物理学是一门外延不断延伸发展的学科。

（二）关注国际国内前沿信息

图1 地球在轨漂浮物

教师能将科技前沿知识渗透在教学中，前提是要对科技前沿知识资源能及时地了解，能分析其与高中基础知识之间的关系，能从海量资源中恰当筛选并能深入浅出地应用到教学之中。这就要求教师多关注国际国内科技新闻媒体及学术网站。笔者将平时浏览到的美国及欧洲等一些发达国家的优秀教学素材搜集整理，并应用到平时的教学之中。如图1所示，讲授“宇宙航行”时，在课堂上实时打开美国的“地球在轨漂浮物”网站（http://stuffin.space），该网站采用3D形式展示了地球在轨漂浮物（包括卫星、箭体、太空垃圾等）的名称、国际标识符、类型、远地点、近地点、倾角、实时高度、速度、周期等内容。同一节课中还以访问网站的形式介绍了美国的GPS，我国北斗导航三号系统的组网现状及有望到2020年建成世界一流的全球卫星导航系统，实现全球服务能力等相关前沿科技。在讲“能量守恒定律与能源”时，引入我国2017年5月在南海北部海域成功试采储量惊人的清洁能源可燃冰，有望推动整个世界能源利用格局的改变。在讲到“粒子和宇宙”一节时，登录欧洲核子研究组织（CERN）的网站，观看其内部结构的3D图片，介绍其大型强子对撞机（LHC）以及成立以来在粒子物理方面所做出的巨大成就。在同一节课中，与CERN形成对比，介绍了中国天眼，即在贵州省于2016年7月建成的500米口径、目前世界上最大的单口径球面射电望远镜FAST，使学生了解到FAST性能卓著，未来20至30年将会保持世界领先地位。

教师有意识地将国际国内科技前沿信息呈现给学生，会潜移默化地增强学生关注科技前沿的意识，紧随时代步伐，而非仅关注高考，将知识学死。此外，国际前沿展示会激发学生的责任担当与忧患意识，而国内前沿的展示则有利于增强学生的民族自豪感和自信心，更加热爱自己的祖国。

（三）开展研究性学习和项目学习

美国哈佛大学著名课程专家埃利诺·达科沃斯（Eleanor Duckworth）说过，“如果知识领域对学习者是可获得的，它们必须以其全部复杂性呈现出来。当我们过于简化了课程，我们也就消除了学习者与之建立联系的具体方面。”［4］为此，我们在常规课程之外开展了研究性学习和基于项目的学习（Project-Based Learning，简称PBL）。项目学习即学习过程始终围绕某个具体的学习项目，充分选择和利用最优化的学习资源，在实践体验、内化收敛、探索创新中获得较为完整和具体的知识，形成专门的技能和得到充分发展的学习。［5］如在学习了“多用电表的原理”以后，喜欢“较真儿”的学生提出了很多比较深刻的问题：每次换档都要换电源么？欧姆表盘为什么左密右疏？电池老化对电阻的测量结果会有什么影响？用欧姆表不同档位测二极管正向电阻时为什么测量结果不同？交流电压2.5V档位为什么单设了一条不均匀的刻度线？有些问题难度较大，按照“考纲”要求老师是不需要在课堂上讲解的。面对这些“较真儿”的同学，在教师的建议下，学生组成了兴趣研究小组，通过查找资料（含电表说明书）、原理学习、电表拆卸、小组讨论、交流分享等方式进行研究学习，并最终形成了研究报告。正所谓“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”，这种基于真实问题的研究性学习会惠及学生的一生。

再如，学习了电磁波一章以后，教师将班级同学分成若干小组，针对电磁波在工农业生产生活及军事等领域的应用展开了项目学习。教师提供了几个相关方向，学生也可以自选角度进行研究，最终有五个做得比较好的小组在班级进行了分享交流。这五个小组的方向分别是电磁波在广播电视信号及网络信息传输方面的原理、电磁波在现代军事中的应用、电磁波对现代医学的影响、与电磁波有关的家用电器的设计原理及使用方法、电磁波的危害与预防。学生对这样的学习形式很有热情，每次这样的交流分享都会收到非常好的学习效果。学生通过亲自参与、实践的方式，既了解到了科技前沿与生产生活的关系，又受到了查找资料、撰写报告、探究方法、分享交流等方面的学术训练，同时也有利于培养学生对物理学习的兴趣，以及对科技前沿知识的探究热情。

（四）组织各种参观实践活动

充分利用区域内的大学、科研院所、高科技公司等优质资源，带领学生进行实地的参观、考察学习。如带领学生参观考察中客长春轨道客车厂、中国一汽、科大讯飞吉林省分公司、东北师大物理学院科学馆、吉林大学物理实验室、吉林省工业美术博物馆、吉林省科技馆等。在学习考察程序上要做到前期有资料查询、知识储备，带着问题走进参观考察单位；在参观考察过程中要做好对专业人士的访谈记录；在参观考察之后要做出文字及图片整理，写出考察学习报告、学习心得或科技小论文，并与其他同学做学习分享；在分享形式上，除了在班会、课堂上进行之外，还可以利用社交媒体（如班级空间、微信公众号推送等）。

学校每年会举办为期一周的科技节，其中有一项内容是请本校或校外专家进行科普讲座。如本校特级教师以“第一性原理与科技创新”为主题，针对未来的科技发展对人类生命的影响做了介绍，香港中文大学深圳校区朱世平院士做了题为“改变未来的智能材料”的科普讲座。当科学的道理深入浅出地展现在学生面前时，当体会到科技发展必不可能停留在现在，更不可能回头，出路就是不断向前时，学生对于科技发展对人类影响的理解更深了一步，也立下了将来为科技发展做出自己贡献的志向。

（五）开设科技前沿校本课程

校本课程和校本教材是对国家课程和国家教材的有益补充，开发优质校本课程、编制优质校本教材可以完善学校的课程体系。作为基础自然学科的物理是与当今许多科技前沿知识紧密联系的，并且是青少年同学特别关注和充满好奇心的话题，可以作为开设校本课程的内容。如我们开设了介绍与物理学各个学科分支相关的科技产品应用的校本课程“物理学与科技文明”，并在此基础上编写了校本教材。

（六）在智慧课堂中使用新技术

智慧课堂，是实施智慧教育的主要形式之一，也是核心素养视阈下进行学生教育的主要阵地。智慧课堂是指在信息技术的支持下，通过变革教学方式方法、将技术融入课堂教学中，构建个性化、智能化、数字化的课堂学习环境，从而有效促进智慧能力培养的新型课堂。［6］《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》指出：“信息技术对教育发展具有革命性影响，必须予以高度重视。”从新媒体联盟《2017地平线报告（2017基础教育版）》在一张2012-2017年的“技术进展”的表格中可以看出，创客空间、可穿戴技术、分析技术、人工智能、虚拟现实、增强现实、物联网、自带设备、云计算、3D打印、移动学习、在线学习等新技术以平均每年新增4-5个的速度出现。［7］［8］如何将这些新技术有效融入课堂教学，真正为实现对学生的“智慧教育”服务，而非走入“新技术封装旧教育的改革误区”［9］，需要进行理论与教育实践的探索。

学校2015年开始筹建的智慧教室系统，在软件上包括网络云平台、智慧课程应用系统；在硬件上安装有电子白板、投影设备、教学终端机、教师端手持设备、学生端手持设备等。在课堂上，通过PAD终端的对接，教师可以实现课堂控制、资源管理、即时反馈和互动演示等功能；学生可以完成信息获取、问题解决、答案反馈、互动分享等功能。在课后，教师可以实现备课、任务布置与回收、在线辅导等功能；学生可以实现教学资源共享、学习帮助获取等功能。“2017全国智慧教育系列观摩研讨活动”中笔者上了一节“静电场单元验收试卷讲评课”，由于平时师生对教学设备使用熟练，观摩课收到了很好的现场效果，得到了评课专家的肯定，并被新华网、搜狐网等采访报道。在教育教学中使用的新技术本身就属于科技前沿产品，能够在常规教学中引入并熟练地使用教学新技术，既能有效地辅助教学，又能让学生感受到新技术离我们并不遥远，而且是触手可及。

三、小结

培养学生物理核心素养和关注科技进步与社会发展需求是“新课标”的基本理念。坚持将科技前沿知识合理有效地融入常规课堂教学，能够培养学生的社会参与意识和社会责任感，培养学生的学习兴趣和志向，使学生了解科学与技术之间的相互依存关系，增强学生从理论到实践的解读意识、应用意识和创新意识，为学生终身发展、应对现代及未来社会发展的挑战打下坚实基础。在核心素养视阈下，教师一定要有去功利化的思想，要从关注学生终身发展出发，努力探索在常规教学中融入科技前沿知识的多种方法及途径。