“真问题”在物理教学中的实践——高中物理主题教研活动探索

◎ 汤清修

编者按

《普通高中物理课程标准（2017 年版）》提出了物理学科的核心素养，在物理课堂教学中如何落实学科核心素养的培养，成为学科教研的重中之重。学生的学科核心素养高低主要看他在解决真实问题过程中的综合表现，因此培养学生的学科核心素养也应该在学科学习的过程中，不断展现与学科内容相关的真实问题解决过程。2015 年，国际青年物理学家锦标赛（International Young Physicists’Tournament，以下简称“IYPT”）被引进上海，更名为上海市中学生物理学术竞赛（Shanghai Young Physicists’Tournament，以下简称“SYPT”）。参赛学生用一年的时间对IYPT 公布的17 个开放性的真实问题开展研究，并给出令人信服的解决方案，提升了他们解决复杂科学问题的能力。该竞赛至今已经举办五届，涌现了一批优秀的竞赛指导学校，如上海市控江中学、上海市第二中学、上海市松江二中、上海市南洋中学等。上海市教育委员会教学研究室在上海市控江中学举办了主题为“‘真问题’在物理教学中的实践”的教研活动，旨在将这些学校取得的成果与经验进行交流推广。本期刊登的3 篇文章分别从主题教研策划推广和基础学校教师的实践经验层面呈现。

一、教研活动的主题和期望目标

（一）现实背景和面临问题

“核心素养”近年来成为教育界的热门词语。在学校的课程与教学中，“核心素养”的核心既不是单纯的知识技能，也不是单纯的兴趣、动机、态度，而在于重视运用知识技能、解决现实课题所必需的思考力、判断力与表达力及其人格品性。各学科课程标准反映了国家对学生学习结果的期望，承载了落实立德树人根本任务在各个学科中的具体要求。《普通高中物理课程标准（2017 年版）》提出了物理学科的核心素养，现在大家基本认同核心素养主要是在解决真实问题的过程中所反映出的综合表现。那么，在物理课堂教学中如何培养学生的学科核心素养将成为今后一段时期内需要不断探索与实践的问题。

上海“二期课改”非常重视科学探究，课标中将科学探究细分为六个要素，在概念规律的学习中，非常关注探究的过程，积累了大量探究教学的经验。然而对于知识的应用，更多的是通过做题目，考查学生运用知识解决问题的能力。这些题目往往是理想化、模型化的，与真实生活中的问题有较大的差别，然而学生经常在真实问题面前束手无策。因此，课堂上如何让学生经历“真问题”的研究，成为我们亟待解决的问题。

（二）关于应对策略和活动主题的思考

我们在2015 年成功举办了首届SYPT，至今已经举办五届。上海的一些教师开始熟悉这一原本针对国际中学生的比赛，逐渐对SYPT很感兴趣，愿意去关注和了解比赛的题目和形式。SYPT 大体情况为：①题目选自IYPT 每年公布的 17 道题目，全部来源于生活中真实开放的问题，如2019 年的一道比赛题为“漏斗与球——一个轻质小球（如乒乓球）可以通过向漏斗吹气而被拾起。解释这个现象并探究相关影响参数”。②赛事采用团体辩论赛的方式进行，关注了学生表达和现场应变的能力。中学生针对这些开放性物理问题的基本知识、理论分析、实验设计、研究方案、结果讨论等进行辩论，深具科学教育价值。这项比赛提倡知识学习与实验探索相结合，将物理问题与日常生活相结合，有助于培养参赛学生运用物理学的基础知识和技术以及物理实验的研究方法解决与日常生活相关的某些真实问题，注重学术研究能力以及流畅表达学术观点与人际交往的能力，注重个人能力与团队合作相结合，培养团队意识和协同研究的能力。

学术竞赛毕竟是少数学生的一项比赛，如何增加学生的受众面？一些基层的教师甚至学校都在探索。观摩教师感受到参赛学生在研究课题时所展现出来的智慧和热情，感受到学生在丰富的经历中收获的喜悦，感受到学生在提问讨论、评述环节中碰撞出来的思维的火花，之后就尝试把 SYPT 的形式引入物理基础课程的课堂教学。

参赛学校都十分支持和认可这项比赛。有些学科负责人认为SYPT 对于物理课堂教学和学科建设有着非常积极的意义，特别是在新高考改革背景下，为学生学习能力的培养、创新潜质的激发、团队意识的提升提供了非常好的平台。上述体会激发了学校将这项活动纳入校本课程体系的愿望，因此近两年来尝试借鉴SYPT 中“真问题研究”理念，“再构”学校物理课程体系。

鉴于上述思考，我们确定了本次教研活动的主题为“‘真问题’在物理教学中的实践”。通过控江中学的教学展示及教研组活动，展示在物理课堂上让学生经历“真问题”的解决过程，展示学校层面对课程设计的整体思考。

（三）关于活动目标和期望成果

本次活动的主要目标确定如下。

（1）结合学术竞赛课题研究，探索“真问题”在物理学科教学中的应用。

（2）探索以问题解决为特征的课堂教学模式，落实对学生学科核心素养的培养。

（3）探索学校以物理为主，开展跨学科综合课程的机制建设。

本次活动期望解决的问题有：①选择怎样的“真问题”，适合与物理课堂教学结合？②以问题解决为特征的课堂教学基本结构如何？③控江中学的学校课程模式是否可以借鉴？

二、活动方式和基本流程

（一）活动方式（见表1）

表1 活动方式

（二）活动基本流程（见图1）

图1 活动基本流程

三、活动过程和重要环节

（一）准备阶段

（1）确定展示课的内容与形式。 确定“跳舞的硬币”作为教学内容，考虑到这项“真问题”的研究，学生需要经历较长的时间。为了完整呈现学生学习和交流的过程，我们将这个内容分成三个部分进行：①采用短课形式，完成“真问题”的布置与初步分析；②学生组队课外研究，完成研究报告；③采用长课形式，完成各小组的交流汇报。

（2）进行教学设计与磨课。执教教师完成教学设计，然后与区教育学院的教研员等核心组成员一起进行磨课并修改教学设计，直到完成短课视频的拍摄。

（3）确定教研组交流内容与形式。教研组从基础型课程、拓展型课程和学生社团等不同方面，开展“真问题”在教学中的应用实践汇报。由三组教师用说课、专题发言、交流实施体会等形式进行汇报。

（二）现场活动

（1）短课的说课活动。考虑到教学的完整性，教学展示课前，执教教师用 10 分钟介绍短课的教学流程及设计意图。

（2）长课的现场教学。学生分成三组汇报，每组 10 分钟交流展示自己组的研究过程以及得出的结论，其他小组同学倾听，然后进行 5 分钟的提问与回答环节，接着完成互评的评价表。三组汇报完成后，由执教教师完成总结和点评。

（3）参观社团活动专用教室。在专用教室展示不同研究组针对一部分参赛题创作的研究成果。

（4）教研组的经验交流。首先由两位执教教师谈教学设计与实施全过程的收获与反思，介绍“真问题”在基础型课堂的教学实践。然后由拓展型课程的负责教师介绍学校无人机和航模项目中开展的“真问题”教学实践。最后由教研组长介绍物理学术竞赛的社团对参赛题目的准备情况。

（三）后期总结

（1）研讨在教研网络平台上延续。由于研讨时间有限，许多参与活动的教师没有办法进行现场交流，只能将此活动放在教研网上继续进行探讨。

（2）完成本次教研活动的总结。整理本次教研活动资料，对活动进行反思，完成教研案例的撰写。

四、活动的持续和跟进行动

（一）对主题教研的思考

本次“真问题”选择“跳舞的硬币”为课题，内容为“把一枚硬币放在一个充分冷却的瓶子的瓶口上。过段时间你会听见声响并看到硬币在跳动。解释这个现象并设计实验以验证你的观点”。这一课题首先要求操作观察，其次思考背后涉及的物理知识，最后解释这个现象，并设计实验验证你的想法。

1.问题的描述不需要非常精准

上述课题是一项研究新任务，不是一次考试，因此它的问题描述不需要非常精准。这样做可以使任务具有一定的挑战性，要求学生在尝试操作观察的过程中，逐渐发现一些实验的关键点，尝试改进后才能复现问题中描述的现象。“跳舞的硬币”中，有意未说明“硬币需要沾取液体（如水）”来密封一个充分冷却的瓶口，一段时间后，就能看到硬币的跳动。

2.问题涉及的知识与物理教学结合紧密

“真问题”要与基础课结合，其涉及的知识必须与基础型物理课程内容结合紧密。因此，需要选择合适的“真问题”。“跳舞的硬币”中的硬币在未跳起的过程中，我们可以将其归为玻意耳定律适用的情况进行分析。学生可以将课堂学习的知识、实验技能、分析能力等充分运用在解决这一真实、有趣的问题中，体会到学习的价值和乐趣。

3.以问题解决为特征的课堂教学结构

在以问题解决为特征的课堂教学结构中，学生交流表达机会较多，例如，在问题抛出后，学生围绕问题进行解析，分享各组的想法；在设计初步方案后，又需要增加交流的环节，相互之间可以质疑和解释；在研究之后，介绍小组研究过程，分享研究成果，再次围绕研究进行质疑和解释等。教师阐述时间少，在这个过程中，主要引导活动能够进行下去，在活动的最后评价学生参与的情况。这样的课堂交流表达、动手操作往往占据了课堂 80%的时间。

4.经历问题解决和交流表达的过程时间成本很高

在问题解决的过程中，学生经历“真问题”的研究和模型不同，需要学生对影响该问题的主要因素、次要因素进行合理判断，然后简化为可研究的物理问题，这个过程学生可能会经历“失败—改进—再失败—再改进”这样曲折的过程。在相互交流的过程中，教师鼓励学生站在对方研究者的立场上，指出他们研究中可能存在的问题等。这些都需要充分的时间保障。

（二）对教学的改进建议

1.设置问题解决的环节

在平时的物理课堂教学中，教师可以设置一些小的问题解决环节。这样的问题不宜太大、太开放，教师要设置好阶梯式的问题，帮助大多数学生在有限的时间内达成。例如，“力的合成”这节课中，过去教师会讲解实验步骤后，反问学生“为什么一个力拉弹簧测力计是要橡皮绳的结点位置与两个互成角度的力拉时的结点位置重合？”学生能根据合力、分力的知识解释这一操作背后的方法。然而经过改进后，教师要求学生依据等效的方法，使一个力和两个互成角度的力成为合力与分力的关系。

上述这样就变成问题解决的模式了，不仅需要学生理解合力、分力等效的关系，理解力的效果相同的本质含义，还增加了操作技能方面的要求。

2.阶段学习后设置合适的“真问题”

教师在学生进行阶段学习后可以设置比较完整的“真问题”的研究，让学生经历相对完整的问题解决过程。例如，在学习牛顿运动定律后，教师可以设计一个“超重、失重现象的研究”或者“智能手机横屏变竖屏的研究——加速度计”等，可以结合课内外时间安排一个相对完整的“真问题”的研究过程。由于学生学习物理的时间比较有限，所以需要合理布局。

3.满足不同类型学生的个性化需求

学校层面可以设置长、短课的实践，以满足不同课型的需求。学校可以开设不同的选修拓展型课程，让学生在自己感兴趣的领域得到充分发展。对于能够独立学习的学生，学校可以通过开放实验室、组建学生社团、联系相关高校等，充分满足学生个性发展的需求。这些做法可以借鉴控江中学的学校课程模式。

然而本次活动还存在不足之处，比如教研组经验交流环节中，教研组教师的发言还不够聚焦本次教研活动的主题，需要进一步梳理教研组经验中与本次活动相关的内容，进行统整后规定交流时间。本次活动最后应该安排一个微报告，将实践提升到理论层面，同时也适当介绍全市其他相关学校、区域好的做法，以扩大参与面和影响力。