素养导向下的高中物理学科深度学习教学实践

◎ 刘宗民

一、引言

《普通高中物理课程标准（2017年版）》（以下简称《2017版课标》）提出的物理学科核心素养反映了国家对学生学习结果的期望，承载了落实立德树人的根本任务。物理学科的核心素养是学生在接受物理教育的过程中形成的适应个人终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力，是学生通过物理学习内化的带有物理学科特性的品质，是学生科学素养的关键成分。落实核心素养，要求教师的教学理念、教学设计、教学行为进行适切的转变，不能仅仅停留在“三维目标”，而是更多地从发展学生学科核心素养的课程目标出发，站在学生学习和成长的角度重新定位教学目标、教学内容、教学过程和教学评价。［1］

深度学习是落实核心素养的一种重要途径。深度学习是在教师的引领下，学生围绕具有挑战性的学习主题，全身心积极参与、体验成功、获得发展的有意义的学习过程。在这个过程中，学生掌握学科的核心知识，理解学习过程，把握学科的本质及思想方法，形成积极的内在学习动机、高级的社会性情感、积极的态度、正确的价值观，成为既具有独立性、批判性、创造性又有合作精神，基础扎实的优秀的学习者，成为未来社会历史实践的主人。深度学习是教学活动而不是一般学习者的自学活动，它强调教师对作为主体的学生学习活动的引导与帮助。［1］有意义的学习与通常所说的死记硬背、机械学习不同，是具有实在意义的，学习者具有与新知识进行关联的先行知识并能够积极主动地将新旧知识进行关联。［2］

教不等于学，所有有深度的物理教学必须建立在促进学生有深度的学习的基础上。笔者以探究“牛顿第二定律”为例，介绍科学认知物理的教与学的过程，明确教学过程的核心要素和关键环节及其基本定位，并在教学设计的基本方法和策略上进行设计，首先要考虑以下两点：①什么样的学习内容更有价值？（侧重掌握实验的操作技能还是侧重设计实验方案的思维过程？）②什么样的学习目标更有意义？（侧重物理概念与实验技能的掌握还是侧重为解决物理问题形成一种科学的研究方法及严谨的科学态度？）

沪教版高中物理必修一教材中“牛顿第二定律”第一课时的课堂教学通常借助位移传感器进行实验探究，在知识与技能上要求通过实验提高学生的操作技能，培养学生观察分析与归纳总结的能力。《2017版课标》则更加关注学生的核心素养提升，在教学目标上要从物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任上进行落实。以探究“牛顿第二定律”的教学设计实验为例，学生通过学习能逐步形成运动与相互作用的物理观念。为更好地落实科学思维、科学探究的教学目标，笔者对教学设计、教学策略提出了新的想法，引导学生完成深度学习。

中学物理课程是以观察和实验为基础，以物理现象、物理概念和规律、物理过程和方法为载体，以科学探究为主线，以提高全体学生科学素养为基本目标的基础性自然科学课程。笔者在探究“牛顿第二定律”的教学过程中，紧紧围绕活动目标，牢牢遵循“问题→猜想→设计→实验→结论→应用”的思路，逐步培养学生运用物理知识解决实际问题的能力。笔者在落实学生实验技能的前提下，更加关注学生经历猜想与假设、设计实验方案、实验验证、归纳结论的全过程，也关注探究过程中学生表达的完整性。

二、教学过程

（一）把握核心素养，确立教学目标

物理学科核心素养是物理课程育人价值的集中体现，是学生通过物理课的学习而逐步形成的重要观念、必备品格和关键能力。物理学科核心素养主要由“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”四个方面构成。其中，“物理观念”是概念和规律等在头脑中的提炼和升华；“科学思维”素养中的模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新四个要素需要有深度思考的过程；“科学探究”需创设科学探究的真实情境，在探究中提升学生的科学素养；“科学态度与责任”包括学习兴趣、求真精神和团队作风等。基于问题、基于探究、基于挑战、基于项目等具有创造性和实践性的深度学习能较好地落实物理学科核心素养。

深度学习强调教师主导下的学生主动参与、积极建构，强调学生的教育性发展。 深度学习主要聚焦认知能力、人际能力、个人能力这三个领域。在认知能力方面，为促进学科核心知识的掌握、批判性思维的养成，教学设计中侧重实验方案的设计，使学生在完成有难度、有挑战的学习任务的过程中，因经验与实际不符的观念冲突引发思考，形成批判性思维。自主活动的开展促使学生感受到自己是活动的主体，并能够独立操作这些内容，发生积极主动的学习活动，从而认识到运动与相互作用间的物理观念，初步掌握利用控制变量法来研究物理问题的方法，体会研究物理问题时运用到控制变量法的思维方式。在人际能力方面，通过小组讨论、合作学习的方式，来培养学生有效沟通和团队协作的能力。在个人能力方面，通过参与教学决策、优化实验设计方案，促进学生形成科学思维模式，学会学习。

（二）聚焦深度学习，设计教学流程

图1 教学流程

在探究“牛顿第二定律”的教学过程中，笔者设计了如图1所示的教学流程：在情境引入环节中，设计大小和形状相同、质量不等的空心和实心钢球在相同档位风扇的作用下加速运动；在课堂引入环节中创设真实情境、展示实物并进行演示，使学生直观地认识到物体速度变化快慢和物体质量相关；通过追问方式引发学生认识到生活现象背后的物理规律，促使他们对真实情境进行思维加工，从而形成加速度与质量、力相关的物理观念；演示实验可优化教学方式，激发学生的兴趣，也强化了物理知识和实践情境的关联。

图1中，学生活动1为实验方案设计环节，要求学生能根据教师的引导及储备的基础知识设计出能准确测量加速度和力的实验方案。学生活动2为实验探究环节，要求学生能利用两种不同的测量加速度的手段进行探究实验。学生活动3为实验分析阶段，要求学生能根据图像获得结论并能评价不同方案的优劣。

在教学设计环节中，笔者更加侧重实验方案的设计，需要学生结合以往所学知识并在生活中得以实践的经验，设计出不同的探究方案，比如小车的加速度如何测量、小车所受合力如何测量等。这种设计不仅仅要求学生具备较高的知识迁移能力，也要求学生必须在教师的引导下完成深度学习。深度学习迫切需要教师对教学设计进行相应调整。

（三）尊重学生主体，落实深度学习

1.经验与知识的相互转化

学生来到课堂绝不是一张白纸，是带着已有经验来的。这些经验，有的是日常生活经验，有的是以往所学知识的内化并在生活中得以实践的经验。例如，在学习牛顿第二定律之前，学生已经学习如何使用位移传感器测量物体的速度、加速度以及使用光电门传感器测量物体的速度。如教学案例1所示，在教师引导及同组同学的讨论下，学生需把已有经验进行迁移从而设计出测量加速度的不同方案。

教学案例1

教师：根据已学知识，在学生活动卡上写出你们小组的实验设计方案：如何方便且较为精确地测量小车的加速度？

学生1：利用分体式位移传感器进行测量。小车在倾斜的导轨上做的应该是匀加速直线运动，利用传感器画出小车做运动过程中的v-t图像，在v-t图像上选择一段较为平滑的直线，从而得出小车的加速度。

学生2：利用频闪相机。让小车在有刻度尺的倾斜轨道上运动，利用频闪相机对匀加速直线运动的小车进行拍照，利用Δs=at2即可算出加速度。

学生3：利用光电门传感器。小车在倾斜轨道上静止释放，利用光电门传感器测出小车运动位移为s时的速度v，然后利用v2=2as计算出加速度a。

学生4：利用两个光电门传感器进行测量。小车在倾斜轨道上运行时，利用光电门测量出小车在不同位置处的速度v1、v2，然后利用计算出小车的加速度a。

学生根据当前的活动去联想、调动、激活以往的经验，以融会贯通的方式对如何测量加速度进行组织，从而建构出自己的知识结构。个体经验与人类知识在深度学习中不是对立的，而是相互成就、相互转化的。由于有了经验的参与，知识的学习就有了生长的根基，能够将知识转化为与学生个体有关联的、能够操作和思考的内容。

2.学生主体活动与内心体验相伴

本文提到的“活动”是指以学生为主体的主动活动；“体验”是指学生在活动中生发的内心体验。活动与体验相伴相生。若是主动活动，必会引起内心体验。学生学习牛顿第二定律不仅要知道物体加速度与物体受到的力成正比，与其质量成反比，更要体验如何通过探究的方式得出牛顿第二定律，理解牛顿第二定律中文字描述的真正要义。

当然，学生的主体活动并不是自发的，而是依赖教师的引导以及教师对教学内容及学生学习过程与方式的精心设计的。例如，在学生活动环节“如何测量加速度”中，教师要强调如何利用学过的知识方便且较为精确地测量出加速度，“方便且较为精确”这几个字在于引导学生能够想到用位移传感器或光电门传感器，而不是用秒表等工具进行粗略的测量。

学生的主体学习活动，伴随与老师、同学的交流、沟通、合作等。例如，在设计实验方案环节中，学生若选择用光电门来测量小车的加速度，就会出现诸如“选择一个光电门还是两个光电门”“选择一个光电门时对小车释放的位置以及初速度有何要求”等问题。这些问题不仅引发学生个人的思考，也会促使其与其他同学进行交流，优化设计方案，进行精确测量。教师在探究活动中引导同一组学生进行明确分工：一名学生负责计算机界面的数据输入；一名学生负责小车运动的初始位置定位；还有一名学生负责增减小钩码或小车上的载重片。课堂讨论中的相互启发、小组作业中的相互依赖与信任、小组间的竞争等也典型地再现了知识发现过程中人与人的相互依赖、信任、竞争、合作关系。

教师在教学活动中，可以融入现代教育技术手段，比如利用多媒体技术，及时呈现学生的实验设计方案，并对实验结果进行时时分享与评价，这有利于提高学生学习的主动性、积极性。除此之外，教师更要巧妙地引入问题或者资源，搭设支架，促使学生有更多的时间进行思维进阶发展，进而促进学生批判性思维的发展。如图2所示，学生设计利用两个光电门传感器测量加速度的方案中，需要对v1、v2、s进行多次测量，且要对数据进行处理才能得到加速度，繁杂的数据处理会耗费学生大量时间，即使教师为学生编制好处理数据的软件，数据的输入也会花费大量时间，这样与我们教学设计中侧重实验方案设计的意图不符。基于这样的现实，在实验时可通过相关软件直接读取小车经过光电门1和2处速度的大小v1和v2，小车从光电门1运动到光电门2需要的时间t，利用a=Δv/t即可算出加速度。软件界面如图3所示，小车运动的加速度通过光电门传感器及计算机可以直接获得，避免了数据记录及繁琐的数据处理过程，为课堂设计实验方案预留了时间。教师在课堂上为学生同时提供分体式位移传感器和光电门传感器等测量手段，使得学生可以根据自己设计的方案选取相应的器材，学生活动变得更加自主，更加凸显课堂上学生的主体地位。这样的教学设计也为学生后续能够比较并评价不同方案的优劣提供了可能。

图2 利用光电门传感器测加速度示意图

图3 用两个光电门传感器探究牛顿第二定律的输入界面

3.富有挑战性的学习任务促进高阶思维的形成

好的学习任务可以将学生带入学习情境，激发学生强烈的学习动机，使学生能够积极主动地提出问题、分析问题、解释问题。学生学习必须要经历探索未知、解决问题的过程，学生要与真实的任务情境持续互动，这样有意义的深度学习才可能发生。

在探究“牛顿第二定律”的教学过程中，一般教师对“钩码重力大小是否等于细绳拉力大小”这个问题往往是避而不谈的，而更倾向于在讲授完“牛顿第二定律”后，利用牛顿第二定律的知识反过来解释小钩码重力大小不等于细绳拉力的大小。学生具备牛顿第二定律知识后，此问题就变得过于简单，无法促使学生进行高阶思维的训练。鉴于此，笔者另辟思路，如教学案例2所示，通过无线力传感器的演示，带给学生已有经验与实际不符的观念冲突：小钩码重力大小不等于细绳拉力的大小，结果完全颠覆学生的认知，激发他们强烈的学习动机，使他们能积极主动提出问题：在什么样的状态下，小车受到拉力大小与小钩码重力大小相等；分析问题：教师通过无线力传感器演示小车拉力与小钩码重力大小不等的原因是小车处于加速状态；交流推理：小车加速度越来越小，无限趋近等于零，小车的运动变为匀速直线运动，此时小车受到拉力等于小钩码的重力大小；解决问题：小车通过细线挂小钩码的个数越少，小车的加速度就会越小，小车受到的拉力用小钩码重力大小来代替就越精确。这样的高阶思维过程，学生也能深刻理解实验过程为什么选择质量较小的小钩码，而没有选择一个质量相对较大的大钩码。在这样的学习过程中，学生与学习任务深度互动，真思考、真去做、真遇到困难、真解决问题、真锻炼意志品质，真正实现学科核心素养的培养，而避免出现学生只有实践的形式，没有实践的深刻体验的问题。

教学案例2

教师：如何测量小车运动时所受合力的大小？

学生：用细线一端系着小钩码重力的大小代替小车所受合力的大小。

教师：小车所受摩擦力不考虑吗？

学生：小车有轮子，在轨道上运动受到的滚动摩擦力比较小，在一定情况下可以忽略。所以小车所受合力的大小近似等于绳子拉力的大小。

教师：小钩码重力的大小等于绳子拉力的大小吗？

学生：等于呀！

教师：老师在课前做了一个这样的实验，把无线力传感器固定在小车上，细线的两端分别和小钩码、无线力传感器连接，那么无线力传感器可以测量细线每个时刻力的大小，如图4所示，0—0.7s内小车处于静止状态，小钩码也处于静止状态，此时绳子上力的大小等于小钩码的重力大小。0.7s后释放小车，小车做加速直线运动，从图中明显看到绳子上的力变小了，即绳子上力的大小要小于小钩码的重力大小。请解释原因。

学生：小车做加速直线运动时，小钩码也在做加速直线运动，故此时小钩码做的运动不是匀速直线运动，所以小钩码受到的重力大小和绳子对其拉力大小就不再相等。

教师：能否根据刚才讨论的内容来解释做实验时提供给我们的是质量很小的小钩码，而不是质量较大的钩码？

学生：细线一端挂钩码的质量越大，小车的加速度也越大，反之小车的加速度就越小，小车加速度越小，意味着钩码的加速度也越小，当钩码的加速度趋近等于零时，钩码的重力大小和绳子拉力大小就相等了。提供质量较小的小钩码能保证小车运动有较小的加速度，从而可以用钩码的重力大小来代替绳子的拉力大小。

图4 细线每个时刻力的大小变化

三、总结与反思

以核心素养为导向的教学，从关注“学科知识获取”到关注“核心素养提升”，从单一考试到持续性评价，对教师素养提出了更多、更高的要求。这些要求多是教师在大学没有学过的知识、技能或理念，需要教师去主动研究、主动实践以提升自身洞察问题、研究问题、解决问题的能力和勇气。

笔者通过对探究“牛顿第二定律”教学设计的不断实践和反思，逐渐理清物理学科中这一类探究实验的一般教学过程：①发现和提出有探究价值的物理问题；②依据探究目的设计、优化实验方案，完成实验操作；③对实验现象和记录的实验数据进行加工并得到结论；④与他人交流实验探究的成果，提出进一步探究或改进实验的设想。要想让学生的实验探究素养得到发展，教师首先要了解、理解其内涵，并具备实验探究的基本素养。这就需要集体学习，与教研组同事进行探讨交流。

为了更好地落实物理学科核心素养，教师必须能够清楚把握物理学科对于学生发展的独特价值和贡献，以明确物理教学的终极目标，也必须准确认知物理学科的体系结构、物理观念、科学思想、科学探究方法及科学态度和责任，以选择和确定教学内容载体；必须熟练掌握有利于学生核心素养培养的独特途径和方法，以确立适宜的教学过程与方法。总之，指向物理学科核心素养培育的教学改革对教师的挑战是全方位的，检验着教师对学生的理解及对学科知识、教学知识的掌握和运用能力。