基于科学思维能力培养的高中物理教材解读与教学设计——以“重力与弹力”教学为例

郭 颖

(江苏省南京市中华中学，江苏 南京 210019)

《普通高中物理课程标准(2017年版)》是我国新一轮高中物理教学改革的指导性文件，它凝练了物理学科核心素养，为教材编写、考试评价和教学实施指明了方向。物理学科核心素养包括物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任四个方面。

培养学生的科学思维能力是物理课堂教学设计的核心目标，面对新教材，我们应充分挖掘其内在价值，寻找其在内容、结构、方法等方面的变化，弄清教材的编写意图。笔者以“重力与弹力”为例，通过解读教材、教学设计和教学实施，切实培养学生的科学思维能力。

1 基于科学思维能力培养的教材解读

1.1 人教版教材的变化

人教版新教材的每一节的结构大致相同，都是由问题引入，创设情境进行理论(或实验)探究，得出结论，再应用结论去解决问题。关于“重力与弹力”的内容，新旧教材的变化如表1所示。

表1

1.2 新教材的编写意图

(1) 在顺序上作了调整。新教材编写者根据学情，突出以学生为学习主体的理念。学生在初中已学过力的概念以及重力、弹力等内容，课题引入采用问题串形式，既回顾了旧知识，又为新知识的学习作了铺垫。而力的图示是新知识，对画图要求较高，放在后面较妥。

(2) 在内容上作了增删。四种相互作用概念太大，不适合放在此处，新教材果断做了取舍，干净利落。旧教材中重力这节内容太少，又要自然过渡到弹力，所以新教材就把重力和弹力放在一节。胡克定律实验虽难度不大，但探究性较强，所以新教材根据课程标准的要求增加了这个学生实验。

(3) 在习题上作了优化。新教材增加了开放性习题，以培养学生的发散思维。如书后练习第5题：你还能想到什么方法来观察微小形变？画图说明；新教材还增加了设计类习题，以培养学生的知识应用和创新能力，如书后练习第7题：设计自动冲水装置。

2 基于科学思维能力培养的教学设计

2.1 玩具引入，思考与“重心”有关的概念

演示“饮水鸟”玩具(图1)，把鸟的头部用水浸湿，观察它的运动。

图1

师：鸟为什么能够不停地低头饮水、又抬起头呢？通过这节课的学习，我们来解密。

设计意图：让“重心”成为贯穿本节课始终的主线，“重心”这个概念是本课的难点。化解难点的办法之一，是通过创设情境激发学生的兴趣，从感性的观察引发理性的思考。接着引导学生解密，呼应开头，激发学生的学习热情。最后让学生设计自动冲水装置，培养其知识应用和创新能力。

2.2 回顾旧知，复习力和重力的概念

师：在初中学习过力的概念，咱们来回顾一下，什么叫力？

生：物体对物体的作用。

师：上述两个物体分别叫什么物体？

生：一个是施力物体，另一个是受力物体。

师：力的作用效果有哪些？

生：使物体发生形变，改变物体的运动状态。

师：你们学过哪些力？

生：重力、弹力、摩擦力…

师：对力需要分类，可从力的性质、作用效果角度进行。我们从性质上按顺序逐一进行探讨。先看重力，它是怎么定义的？它的大小、方向如何确定？

学生回答问题，教师用PPT同步展示。

设计意图：以问题串形式，层层深入，开拓学生的思维。复习的虽是“旧知识”，但只要有“新视角”，就可以激起学生学习的欲望，加深思维的深刻性。同时，学生觉得初中学的知识很有用，了解其在整个知识板块中的关联，由此产生的“掌控感”可以激发其内在学习动力。

2.3 实验探究：用悬挂法等寻找物体的重心

师：重力的作用点叫什么？

生：重心。

教材以长杆为例，利用示意图进行讲授。长杆的各部分均受重力作用，运用等效方法，可认为长杆所受重力集中于一点。

教师出示质量分布均匀、形状规则的物体。

师：如何确定它的重心位置？

生：在几何中心。

教师出示圆环。

师：如何确定它的重心位置？

生：在圆心处。

师：重心一定在物体上吗？

生：不一定。

教师出示形状不规则的薄木板。

师：如何确定它的重心位置？

生：可用悬挂法。

师：该方法运用的原理是什么？

生：二力平衡。

教师出示图片：手托椅子静止。

师：如何确定椅子的重心位置？

生：用支撑法。

师：其原理是什么？

生：二力平衡。

师：重心在过支撑点的竖直线上。如果重心偏离这个竖直线，结果会怎样？

生：椅子会发生转动、翻倒。

设计意图：物理概念的建构是循序渐进的，必须经过多次循环，才能实现最终的同化。在寻找形状不规则物体重心位置的过程中，基于科学思维培养的要求，以实验为基础，通过二次悬挂，学生逐步印证自己的猜想。既加深了对物理概念的理解，又提升了科学思维能力。

2.4 构建模型，科学推理

师：如何解释饮水鸟低头饮水、抬头的原理？

生：开始时饮水鸟内乙醚沿玻璃管上升，重心升高到一定高度时饮水鸟发生倾倒而低头饮水，此后玻璃管内乙醚又流回尾部，饮水鸟抬起头，产生连续动作，其原理是重心位置发生变化和杠杆平衡条件。

师生总结：重心位置一般会随着形状或质量分布的变化而变化。

教师出示书后练习第7题：设计一个自动冲水装置。

让学生分组讨论，交流设计思路。学生积极上台展示，结合示意图说明自动冲水装置的结构和原理，富有创意。

设计意图：呼应开头，解密饮水鸟饮水原理；学以致用，设计自动冲水装置。模型建构是在对客观事物进行抽象和概括的基础上，抓住关键因素、构建能反映其本质特征的理想模型的科学抽象过程。科学推理是基于经验事实建构物理概念、发现物理规律的过程，是发展科学思维的重要途经。在真实情境下，学生经过科学推理，他们运用恰当的物理模型解决实际问题的能力会有所提升。

2.5 运用科学思维方法，引出弹力概念

教师展示常见的形变图片，引导学生观察，归纳总结形变的种类，提出将微小形变放大的方法，进而引出弹力概念的定义、产生条件和方向。

设计意图：从观察现象、提出问题到分析问题再到解决问题，科学思维是灵魂，在弹力概念的构建过程中，学生运用了分析、归纳等思维方法。

3 基于科学思维能力培养的教学反思

3.1 教学设计要基于教材解读指向教学达成

好的教学设计依赖于准确的教材解读，教师把握了教材编写意图，就可以选择高效的策略实施教学。教材编写者用心良苦，一线教师应认真钻研、用好新教材。因为有开课任务，笔者仔细研读新课标和新教材，经反复推敲，最终从书后习题中找到了灵感，顿悟了新教材的意图，才有了本节课的教学设计。

3.2 课堂教学要基于真实问题，提升学生的科学思维能力

物理教学的目的是要增长学生的智慧，集中体现在对科学思维方法的领悟和运用上。笔者将学生思维上的经历和体验贯穿教学始终，在设计中花心思、做调整。开头的科学玩具一下子吸引了学生的注意力，在接下来的知识回顾环节学生非常专注，在创新设计环节更是创意连连，在上完课的第二天，还有学生汇报新想法。笔者对学生的积极表现予以肯定，他们也明白了科技创新需要借助团队的力量。