基于核心素养的高中物理教学标准编写初探

石睿 林立灿

摘  要：文章尝试在课程标准与课堂教学之间搭建一座“教学标准”的桥梁，用以规范和强化物理课堂的学科教学效果，课程标准是宏观的，对日常教学的指导是高屋建瓴的，教学标准则是微观的，对日常教学的指导是体贴入微的。文章以“自感”这节课的几个教学片段为例，来探讨在课堂教学中核心素养的培养，初探教学标准的编写。

关键词：自感;物理教学标准;物理核心素养

中图分类号：G633.7 文献标识码：A    文章编号：1003-6148（2019）11-0004-4

在信息时代的要求下，对公民教育的要求在不断变更，“核心素养（key competencies）”已成为各国教育近十年来发展的支柱性理念。由于物理学本身的特性，它对学生自然观、世界观、思维方法和思想方法的形成具有直接而重要的作用。所以，物理教育不能只停留在知识传授、定律应用这个层面，而且要义不容辞地担负起提高学生科学素养的责任。在我国2017年版的《普通高中物理课程标准》中，明确指出物理学科核心素养由物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任四个要素组成。

如何在物理课堂中体现物理学科教育的功能？如何在日常教学中落实物理学科核心素养的培养？是否可以在课程标准与课堂教学之间搭建一座“教学标准”的桥梁用以规范和强化物理课堂的学科教学效果？如果说课程标准是宏观的，对日常教学的指导是高屋建瓴的，那么教学标准则是微观的，对日常教学的指导是体贴入微的。本文试以“自感”这节课的几个教学片段为例，来探讨在课堂教学中核心素养的培养，初探教学标准的编写。

1    灵活渗透物理学史，培养科学态度与责任感

物理学史记录了人类物理学科进展的过程，而物理课堂中我们要把几十年甚至几百年来物理学科的进展浓缩在一节课或者几节课中。课堂上学生物理思维的发展与历史上物理学科的进展有许多相似的地方，物理学史的适当渗透有助于发展学生的科学思维。另外，让学生知晓许多物理学家对科学研究的执着、对名利的淡泊，有利于培养学生的科学态度与责任。

教学片段1（结合历史实验导入）：围绕自感现象的发现者约瑟夫·亨利的事迹展开课程，设计实验模拟历史情境，充分发挥物理学史在课堂中的积极作用。

师：谁发现了电磁感应现象？

生：法拉第。

师：1831年，法拉第屡遭失败后终于发现了电磁感应现象。但其实还有一个人也独立发现了磁生电的现象，甚至发现的时间比法拉第还早一年。他就是美国的科学家约瑟夫·亨利，被称为美国科学大厦的奠基人。亨利因种种原因没有及时发表他的研究成果，故发现电磁感应现象的优先权最后属于法拉第。

（1）介绍亨利生平与其对电磁铁的研究和改进

亨利家境贫寒，在半工半读中完成了学业，成为美国奥尔巴尼学院的数学和物理学教授。为改良课堂上有关电和磁的演示实验效果，亨利决定改进当时的电磁铁。由于没有现成的绝缘导线来制作电磁铁，亨利往往要用好多个夜晚来绕制绝缘导线。1831年，耶鲁大学请亨利制作一台大型电磁铁。亨利用尽了他手头所有的丝线和绸布也没有把绝缘金属线缠绕完，最后扯掉了他妻子心爱的裙子，才使最后一段导线绝缘。

经由亨利改进的电磁铁可以提起1600公斤的重物，这在当时的历史环境下是非常了不起的。改进电磁铁对电磁感应现象的发现和电磁电报的发明有着决定性的意义，它大大增加了感应电流的强度，使人们有可能觉察到感应电流的存在。法拉第就是在亨利改进的电磁铁基础上，用绝缘导线制成了著名的感应圈。

（2）介绍亨利关于断电自感的实验

1837年，亨利应邀观看英园皇家研究院里的实验。当时几位英国的一流科学家法拉第、惠斯通、丹聂尔等人正试图从温差电堆里引出电火花。他们拿起和温差电堆连接的两根导线， 把它们的端部在一起不停摩擦。但无论怎么摩擦，导线末端也没有产生火花。他们泄气了， 觉得电堆产生的电流太小， 不足以引起火花。

最后， 法拉第希望亨利也来试一试。只见亨利把一根长导线在手指上绕成密集的螺线，又在螺线里面插进一根软铁棒，然后把它们安到线路中去。当他把两根导线的端部在一起摩擦时，明亮的火花出现了。

（3）模拟亨利的实验，发现自感现象

演示实验1：

师：我们也模拟一下当时的情景，使用两节9 V的锌锰电池作电源，可以看到由于电压太低电路两端之间并没有电火花产生。当电路断开时，断开端之间的电压等于電源电动势，远小于击穿电压（空气击穿电压一般为3 kV/mm）。

如图1所示，在电路中串联一个线圈，电路两端逐渐靠近，有异常吗？

生：没有！

师：但是把电路两端接触再断开，（演示）在电路断开瞬间出现了明显的电火花。

这说明增加一个线圈使电路断开的瞬间，电路两端间的电压大大增加。多出来的这部分电压是哪里来的？

提问1：电路始终保持断开时，有火花吗？

生：没有。

提问2：电路闭合再断开时，有火花。二者的区别在哪里？

生：电路中的电流有变化。

提问3：这说明了什么？

生：这个电压是在电流变化过程中出现的。

师：感应电动势也是在电流变化的过程中出现的。这个现象可能也属于一种电磁感应现象。

2    促进认知整合，使用科学推理，培养科学思维

中学物理是以为数不多的核心概念和规律为主干知识构成的完整体系，物理知识本身具有关联性、层级性和系统性。

学生之所以觉得物理难学，主要原因之一是学生无法把所获得的概念、规律和方法建立联系，在他们的头脑中这些都是孤立的存在。而随着教学的深入，学习内容的增加，学生无法自如地调用所学的知识解决日渐复杂的问题，就会觉得物理学习越来越困难。

在物理教学中除了关注概念的获得、规律的形成外，还应该有意识地引导学生逐步实现认知整合，有效排布、梳理知识，由点到线，由线到面，形成完整的知识体系。

这种科学思维的方式，不仅适用于物理学习，也是学生认知世界所需要的。

教學片段2：整理已学习过的互感现象内容，与本节课的新内容对比。梳理旧知识，为了解新知识做好准备

师：（回顾电磁感应现象）如图2所示，我们熟悉的电磁感应现象是：闭合或断开线圈A的开关时，线圈A的电流变化引起线圈B中磁通量变化，使得线圈B中出现感应电动势与感应电流。感应电流的效果是——

生：阻碍引起感应电流的磁通量的变化。

师：如果只有一个线圈。断开电路瞬间，线圈中电流变化引起线圈磁通量变化，是否也会引起感应电动势？

如果有感应电动势，这个电动势引起的感应电流是不是也会起到阻碍的效果？

仅靠一个实验是无法得出可靠的结论的，让我们再做几个实验。

“科学思维”主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素。其中，科学推理包括以下几个方面：分析与综合、守恒、猜想与假设、图示与图像、等效、对称、分割与积累、归纳与演绎、类比、求异、数学物理方法等。

在物理课堂教学过程中，教师有意识地交叉使用各种科学推理方法，以达到发展学生科学思维的目的。

教学片段3（通电自感分析）：从分析直观的实验现象（电灯亮暗），到描绘I-t图线，最后通过问题串引导学生逐渐总结出结论，在此过程中运用了分析与综合、图示与图像、类比、求异、归纳与演绎等科学推理方法。

（1）演示与分析实验

演示实验2：

如图3所示，两个灯泡分别与电阻箱串联后并联在电源两端，闭合开关，两灯同时亮，断开开关则同时暗。把电阻换成线圈（1400匝），闭合开关，L2先亮，L1后亮，断开开关，同时变暗。把线圈与电阻箱位置对调，效果一样。

师：观察到什么现象？

生：当灯泡与线圈串联在一起，它就比另一盏灯泡亮得慢。

师：当开关闭合，小灯泡由暗变亮反映了哪个物理量的变化？

生：流过它的电流增大。也就是L2的电流先增大，L1的电流后增大。

师： L1与线圈是串联的关系。流过L1的电流就是流过线圈的电流。可知开关闭合后流过线圈的电流较另一支路的电流增加得更为缓慢。

（2）画I-t图线（图4）

师：能否用I-t图线来粗略地描绘开关闭合后流过两支路的电流随时间变化的关系？（请学生作图）

师：是否如此，我们可以用什么工具验证？

生：电流传感器。

师：（演示）看到什么现象？

生：相比于I2，I1缓慢增大。

（3）现象解释

提问1：闭合开关时，通过线圈的电流变化了吗？

生：变化了，电流增大。

提问2：线圈的磁通量有变化吗？

生：有，磁场增强，磁通量变大。

提问3：从实验中我们看到线圈所在支路的电流相比于另一支路增大得慢，说明电流增大过程中受到了什么？

生：阻碍的作用。

师：说明线圈中出现了感应电动势，而感应电动势引起的感应电流阻碍磁通量的增加。故感应电流与电源引起的电流反向使总电流并不是一下子增大。

提问4：这个感应电流有没有一直抵抗下去？

生：没有。

师：作用了一段时间后，它就失去了“战斗力”。这个时间的长短与电路及线圈的性质有关。

线圈中感应电动势是由于线圈自身电流变化而引起的，这种感应电动势称为自感电动势。而这种电磁感应现象称为自感现象。

师：在没有线圈的那个支路，自感电动势很小或者为零，所以电流增加得快。但与其他电磁感应现象一样，自感现象只是阻碍而非阻止。

3    切换思考角度，巩固物理观念

“物理观念”指学生通过物理学习，在深入理解物理学科特征的基础上所获得的对物理的概括性认识，主要包括物质观念、运动观念、相互作用观念、能量观念及其应用等要素。

随着岁月的流逝，物理学研究的事实和结论会被学生忘记，但通过具体物理知识的学习凝练而成的物理观点、思想和方法即物理观念却植根于学生头脑中，时刻影响着他们的思维习惯和行为习惯。

教学片段4（断电自感中灯泡闪亮现象分析）： 从能量观念、运动观念的高度理解自感现象。

演示实验3：

如图5所示，闭合开关，灯泡亮，发光二极管不亮。断开开关，发光二极管亮，灯泡闪亮后缓慢熄灭。

师：断开与电源的连接后，灯泡仍然闪亮，这个现象是否违背了能量守恒？

生：不违背。

师：闭合开关时，线圈中电流增加，建立了磁场，储存了磁场能。断开开关后，线圈中的电流逐渐减小，线圈中储存的磁场能逐渐释放出来。

师：不论是断电自感现象还是通电自感现象，由于自感电动势的存在，使得线圈所在支路电流不能立即变化，而是从原值开始逐渐变化，这种现象有点像力学中的惯性现象，因此自感现象也称为“电磁惯性”。

教学片段5（推导自感电动势定量表达式）：联系已学知识，推导定量物理规律。

师：自感电动势大小如何定量表示？

L为自感系数，它的数值与线圈的大小、形状和匝数有关，有铁芯的线圈的自感系数L比空气线圈大得多。自感系数的单位以“亨利”命名正是为了纪念约瑟夫·亨利。

一节四十五分钟的物理课所承载的学科教育功能是丰富的，同时也是有限的。“自感”这节课的教学要素如表1所示。

不同的老师对同一课题可能选取不同的演示实验或者不同的数据处理工具等，但是以“自感”这节课为例，只要抓住这八个环节，相信这一节课的学科教育功能可以基本实现，对核心素养的培养也能得到落实。我们可以把表1中左侧的八个环节归纳为“自感”这节课的教学标准。

物理学科对学生核心素养的培养，只有通过概念课、规律课、实验课、习题课等不同类型、不同内容的课程才可能得以完整实现。如果可以对这些课程中一些重要的课题进行研究并罗列相应的教学标准，相信对培养学生核心素养的达成有着实际的意义。

参考文献：

[1]解道华.约瑟夫·亨利——为美国科学大厦奠基的人[J].自然辩证法通讯，1989（5）：72-76.

[2]郭玉英.中学物理教学设计[M].北京：高等教育出版社，2016.

（栏目编辑    赵保钢）