指向物理观念建构的高中物理教学设计

谢金哲 戴瑞 贾艳

摘 要：物理观念是物理学的核心，然后才是概念、方法、理论.宏觀的物理观念建构，仅仅靠渗透是不够的，需要适度的显性化.观察、操作、思考、研究、实践等是物理观念培养内化的重要方式.为了帮助学生建构物理观念，培养学生物理学科核心素养，以“光的偏振”为例进行教学设计，以液晶显示屏中光的偏振现象“魔法式”在课堂的呈现为切入点，探寻亮暗变换的现象为核心活动，借助灵活追问指向学生物理观念的建构.引导学生以知识为基础，在思维、情感和价值体验的协同参与下建构物理观念.

关键词：物理观念;光的偏振;物理教学;教学设计

中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）03-0042-04

基金项目： 2018年度吉林省本科高等教育教学改革立项课题;2020高等学校教学研究项目（DJZW202004db）;2020年度东北师范大学物理学院教学改革培育项目.

作者简介：谢金哲（1996-），女，黑龙江七台河人，硕士研究生，研究方向：课程与教学论（物理）;

戴瑞（1976-），女，吉林松原人，博士，副教授，研究方向：物理教育;

贾艳（1974-），女，辽宁本溪人，博士，副教授，研究方向：物理实验教学研究.

我国颁布的2017年版《普通高中物理课程标准》（以下简称新课标）提出物理学科核心素养的构成要素，具体包括物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任.对于“物理观念”的界定是：物理观念是从物理学视角形成的关于物质、运动与相互作用、能量等的基本认识;是物理概念和规律等在头脑中的提炼和升华;是从物理学视角解释自然现象和解决实际问题的基础.物理观念主要包括物质观念、运动与相互作用观念、能量观念及其应用等要素[1].据此，教师的教学能力以及观念等均需随之改变，如何架构一个有密度、有梯度、有深度的教学设计，以建构学生物理观念，培养学生从物理学的视角正确描述和解释自然现象，运用物理知识解决实际问题，有效指导工作和生活实践，便成了现今物理教师的首要现实问题.

“光的偏振”一节的教学，学生在异于日常现象的视觉冲击下，便会萌生出强烈的求知欲望，进而问题驱动思考，提出合理猜想与假设，同时在教师的引导下通过不同的方法和手段来分析处理已知信息，分析显示结果和变化趋势，最终在主动学习的前提下学生能够准确地评估和反思结果.

1 教学目标的确定

结合新课标中对物理核心素养的描述，教学目标的确定要从实际生活出发，遵循科学性、阶段性和灵活性等原则，同时需具有较强的可操作性.教师要依据物理课程标准，在理解物理学科知识和教学知识及具体学生学情的基础上，结合外部实际教学环境，针对学生学习和自身发展需求，施加引导，以设计问题为途径、以培养学生物理学科核心素养为指向，确定教学目标.

1.1 课标分析

按照新课标对物理观念的界定，我们可以看出形成物理观念的基础是物理概念和规律，因而“物理观念”的建构，要对物理概念、规律进行深度理解和确切把持，并适时加以提升.

“光的偏振”是新课标选择性必修1模块第三主题“光及其应用”的内容，其基本内容要求是：“观察光的偏振现象，了解偏振现象产生的条件，知道光的偏振在生产生活中的应用，知道光是横波”.活动建议是：“通过调查研究，收集光的偏振现象应用的实例.观看3D电影，查阅资料，了解3D电影的原理[1]”.

1.2 教材分析

“光的偏振”的教学内容选自人教版普通高中物理课程标准实验教科书《物理（选择性必修1）》第四章第六节.光的偏振位于“光及其应用”这一章的最后一节，在学习这节知识之前，学生已学习了光的折射、全反射、干涉及衍射等光学知识.光的偏振现象与科学发展、技术手段以及现代社会的紧密联系，体现了新课程内容的时代性和选择性.

1.3 学情分析

通过前面的学习，在知识层面学生已对“光”有了较为充分的认识.在科学探究层面，学生对光现象具备了一定的观察、类比和分析推理能力.除此之外，学生在日常生活中接触过光的偏振现象，具有丰富的实践感性认识，有利于在原有认知基础上建构物理观念.但对于光的偏振知识仍是比较陌生的，缺少系统的科学认知.例如，液晶显示屏在学生的实践生活中随处可见，致使去掉偏振片的液晶显示屏呈现出的差异现象会极大地激起学生对本节课物理知识的学习兴趣，新奇于物理学习与生活现象的紧密结合，更有益于引导学生以“物理观念”审视万物，以“科学思维”明辨原理，以“科学探究”挖掘真知，以“科学态度与责任”丰富认知，进而借助嵌入式教学培养学生的物理学科核心素养.

1.4 教学目标

确定基于核心素养的教学目标与确定知识教学目标有一定差异，知识教学目标往往是明确的，核心素养的其他部分教学目标往往与学习资源、学生学习活动形式等相关，教学目标的确定与教学活动的设计之间应存在“互动”[2].在涉及物理概念、规律的教学时，教学目标的设定应在符合学生“认知过程”的同时具有超距性，以更好地建构物理观念，培养物理学科的核心素养.

（1）能清晰系统地认识自然光、偏振光，能够抽象概括出两者的物理概念（物理观念、科学思维）.

（2）能在光的偏振的实验探究中合理利用实验仪器，并能根据现象进行分析，能用专业术语总结结论（物理观念、科学思维、科学探究）.

（3）对变换的物理现象提出质疑，采用多种角度分析物理问题（物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任）.

（4）能根据生活中与光的偏振有关的现象提出可探究的物理问题，并能加以解决（物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任）.

（5）能将物理知识与实际联系，初步认识科学技术对人类生活的影响，具有创造人类美好明天的责任感（物理观念、科学态度与责任）.

（6）在光的偏振实验中，培养探究科学知识的兴趣和实事求是的科学态度，养成良好的与他人合作的习惯（科学态度与责任）.

2 教学过程的设计

就如同物理思维一样，物理观念是迁移性最强的心理品质，教师应当根据具体的教学目标，从学生已有的认知水平出发，结合学生生活实践经验，按照学生认知发展规律，层层递进式教学，引导学生掌握有意义的知识，在指向具体问题解决的过程中体现其价值.在具有相应的意识和能力情况下，才能够精准地以物理观念来指导实践.

2.1 呈现日常事物之异常，激发学生求知的欲望

教学环节1：首先教师打开“特殊的电脑液晶显示器”，显示器屏幕呈现为亮白色（如图1a），而后将显示器前方的偏振片还原，呈现出“猪小屁”动画画面（如图1b）.让学生在有无偏振片比较情况下观察现象，体会物理在生活中的奇妙应用.而后教师提出问题：“这张薄片是什么呢？为什么薄片放在液晶显示屏前猪小屁就会出现呢？这其中的秘密究竟是什么？”从而引出本节课的题目——光的偏振.

设计意图：倘若学生对运用物理知识指导实践产生了兴趣，自然逐渐就会产生相应的意识和能力.教师通过“魔法式”的呈现方式，动态地向学生展示了电脑液晶显示屏有无偏振片的差异——有偏振片可以看到图像，没有偏振片看不到图像，“魔法式”的变换效果激发了学生的学习兴趣，充分调动了学生学习的内在驱动力，在学生了解液晶显示屏与光的偏振相关联的过程中亲身体验，打破原有认知.每个学生在认知过程中都会构成千差万别的认知结构，物理观念的培养正是打破原有认知状态，加强学生从物理思维的角度思考生活实践问题[3].形成具有科学性和逻辑性的思维体系，有利于促进学生物理观念的建构，进一步推动了科学思维的培育.

2.2 聚焦学生深度学习，详细讲解物理概念

教学环节2：学生利用教师分发的偏振片，根据教师引导，自主观察现象，同时结合学生的观察现象，教师给出偏振片及其透振方向的定义，同时指出偏振片是由特殊材质制成的，引导学生总结普通光源发出的光及通过偏振片的光的特点，随后根据实例为学生呈现自然光及偏振光的物理概念（如图2）.

设计意图：通过学生独立观察得到的实验现象，引起同学们思考薄片的特殊之处，培养学生善于发现、敢于提问的好习惯.同时学生在这一阶段经历了“观察—抽象—比较—概括”的過程，在原有知识的基础上习得新知识.对物理观念的培养有着叠加性的效果，在渗透的基础上逐步显性化，强调在理解和掌握物理概念和规律的过程中，关注问题的学习历程，了解物理学在研究自然现象的过程中形成了什么观念，又是如何演进成为今天的物理观念.

2.3 巧用“问题串”，诱发学生思考

教学环节3：光的偏振现象及其产生原因是本节的一个重点，教师利用自制实验器材进行演示实验，并根据实验的难度梯度，设计了具有递进性的引导式问题串，利用问题串引导学生思考和分组讨论，结合PPT课件学习光的偏振现象产生的原因.进一步巧改演示用具，升级成带有“物理”字样的偏振片，并开展基于项目的学习，引导学生以小组合作方式完成制作，从光的偏振产生原因的角度分析“物理”字样亮暗变换的原因，再结合机械波的学习得出光是一种横波.

问题1：教师询问：想不想知道偏振光通过偏振片后会产生怎样的现象？

问题2：旋转第二个偏振片，观察透射光亮暗的变化.

问题3：再次旋转第二个偏振片，观察第二个偏振片旋转到哪个角度时透射光最亮或最暗？

问题4：更换“物理”字样偏振片后，观察现象，布置任务：分析原理，利用手中材料进行制作.

问题5：利用完成的作品，展示现象并解释两者产生明显对比性反差的原因.

设计意图：教学活动应具有矢量性，课堂问题设计可视为教学设计的灵魂，教师根据学生的认知发展规律，围绕固定主题设计具有逻辑性、推动型、逐步深入的“问题串”，能够督促学生深入思考，由表及里地分析光的偏振现象.问题1抓住了学生“好奇”的心理特征，能够达成学生认真观察显现这一显著效果;问题2和3逐步深入，借助教具学生不难得出“在转动检偏器过程中光强发生了明暗变化，当两偏振片透振方向平行时光强最强、垂直时完全没有光透过（如图3）”这一结论，此时正确结论的得出也为学生增添了继续探究的动力;升级实验后，问题4和5以科学探究的形式，能够让学生基于项目自主动手探究，在操作中发现、讨论、解决问题，同时分组合作的形式有助于培养学生的协作意识.通过递进式的问题层层深入，逐渐攻克学生的学习难点，引导学生的思维深度延伸，培养了学生的科学思维、科学探究及科学态度与责任等物理学科核心素养.

2.4 揭秘“魔法”之源，科学知识与实践镶嵌

教学环节4：教师利用生活中常见事物：手上的电子表，介绍电子表等物品中液晶显示屏的工作原理，结合PPT演示光在显示屏中的传播过程，简要介绍液晶的特性，帮助学生理解光的偏振在显示屏中的应用：“在电荷的作用下，晶体分子整齐排列，于是光能够在通过第一个偏振片后毫无变化地通过液晶盒，直到被第二个透振方向垂直的偏振片所挡住，于是我们看到屏幕上呈现出的黑色图案（图4a）.如果没有电荷作用，晶体便处于自然放松状态，会使通过液晶盒的光发生旋转，这样光线便能够顺利地通过第二个透振方向垂直的偏振片了，在屏幕上呈现白色（图4b）.”由简单的电子表显示屏亮暗的讲解过渡到揭示上课之初的“魔法”：“因为上次老师的电脑发生了些小故障，在修电脑屏幕时老师忘记把显示屏前方的偏振片放回去了，因此将显示器打开时，背光总是亮着的，光通过显示屏后的第一个偏振片进入液晶盒后呈现在屏幕上，也就是同学们观察到的显示屏全白现象，就看

不到可爱的猪小屁了，当我们将显示屏上的偏振片还原回去时，前后两偏振片垂直，我们便看到了可爱的猪小屁.”

设计意图：教师根据这个环节的学习，指导学生利用物理知识解决新课导入的实际问题，既首尾呼应，有始有终，又锻炼了学生将生活情境与知识相关联的能力.进而培养学生以物理观念审视生活实际，巧借科学思维辨析生活问题，善用科学探究解决实践疑惑等的物理学科核心素养.

2.5 布置课后实践任务，驱动学生科学探究

教学环节5：在课堂教学最后，带3D眼镜观看3D电影片断.布置作业，引导学生在课后合作探究3D电影的观看与播放原理.

设计意图：布置开放性作业，能够增加学生完成的欲望，同时在课堂知识学习的基础上安排与生活实际密切相关联的实践作业，学生能够切身体验物理学与我们的生活实际并不遥远，增强学生在生活实际中以物理学视角正确描述和解释自然现象的意识，培养学生运用物理知识解决实际问题的能力，最终能够有效地促进物理观念的建构，以指导工作和生活实践.

3 总结与反思

要想使核心素养理念真正落地，就要从课程、教材、教学、评价等多方面进行实践探索[4].综合以上实践教学探索，通过设定教学目标，利用日常之物“电脑液晶显示屏”之异常激趣启疑，强调科学、技术、社会三者的相互关联，根据环环相扣且具有矢量性的教学活动递进式教学，依据教学内容开放性的特点，总结科学认知，借助物理情景，升华学生认知，整体非线性的教学过程使得教学效果叠加式呈现，辅助学生构建物理观念，嵌入式地培养了学生的物理学科核心素养.

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[2]梁旭.基于核心素养的教学设计需要关注的几个问题[J].中学物理，2018，36（09）：2-8.

[3]边媛，赵振宇，冯立峰.刍议在教学设计中如何培养学生的物理观念[J].中学物理，2020，38（19）：35-37.

[4]彭前程.物理学科核心素养的理解与践行——以人教版高中物理教材为例 [J].物理教学，2020，42（02）：6-12.

（收稿日期：2020-12-05）