探物明理 逐本溯源——基于核心素养培养的物理教学主张

夏雄纠，吴 邵

(1.麻城市思源实验学校,湖北 麻城 438300；2.南京市滨江中学，江苏 南京 210015)

“探究式教学”“合作学习”“自主学习”等教学方式值得教师广泛推崇。但是，如果教师对这些教学方式在理解上出现“泛化”或“神化”的偏差，导致不管对什么样的教学内容都冠以“探究”的标签，或者在探究活动中只求“主体”地位，忽视“主导”作用，只求形式，不求内涵，那便偏离了初中物理教育的本源。长此以往，学生的思维能力浅表化，核心素养得不到落实，更谈不上创新能力的发展。

在大量调研及参与区域内众多听课、磨课、赛课等活动的基础上，经过不断地思考和探寻，笔者提出“探物明理 逐本溯源”的物理教学主张。“物理”从字面上理解，即“物”之“理”。“探”就是探索的意思，“物”指的是生产、生活实际或学习活动中所经历的物理现象，“明”是明白、明辨之意，“理”即事理，指的是物理现象中揭示的物理规律，以及物理学科中包涵的物理思想。“探物明理”的含义是：物理教学既要探究自然界中的物理现象，注重科学与实际、科学与社会的联系，也要明白物理现象所揭示的物理规律，以及物理学科中蕴含的思想方法，通过一定的科学教育，帮助孩子们形成对世界的完整认识，形成终身受用的物理观念，发展学生的科学思维，掌握解决问题、改造世界的能力和本领。“探物”是手段，“明理”是目的，二者相辅相成，不可偏颇。从这个意义上讲，“探物明理”这一教学主张的提出，回归了初中物理教育的本源，并且与发展素质教育和培养核心素养的目标相一致。所以，“探物明理”是物理教学“逐本溯源”之策。

在物理教学中如何践行“探物明理”的教学主张呢？笔者根据当前物理教学现状，结合时代对教育提出的新要求，将重点放在以下四个方面。

1 关注生活，明应用之理

贴近学生生活来开展物理教学，符合学生认知特点，易于激发兴趣，掌握知识与技能，为以后的学习、生活和工作打下基础。

笔者在名师工作室的工作及区域教研活动中，提出了“清风物理·生态课堂”这一教学理念。清风源于自然，蕴含科学，清风充满遐想，令人探索。“清风物理·生态课堂”体现了“从生活走向物理，从物理走向社会”这一课程基本理念，并且将“生活物理”“探索物理”等教学理念融合在一起，还揭示了物理教学要构建生态课堂，培育和谐共生的师生关系，“清风物理·生态课堂”与“以人为本”“和谐发展”的育人理念以及核心素养的培养目标相统一。“清风物理·生态课堂”的教学实践，建立了物理与生活相联系的有效途径，为确保课堂高效率提供了有效的可操作的具体方法和策略。在课题研究中，我们收集到大量的“清风物理·生态课堂”的实验成果(论文、导学案、创新题设计、创新实验设计等)。这些成果从实践层面诠释了“清风物理”蕴含的教育教学理念，深入挖掘了初中物理教材中“清风物理”的元素：声学、热学、力学、电学等，体现了“清风物理”与核心素养的深度融合。通过“清风物理·生态课堂”的教学实践，师生们在物理生活化方面取得了大量的成果，学生的学习兴趣浓厚了，物理课堂变得生动有趣了，学生们学习的内容变得丰富多彩了，老师们在教学中变得更得心应手了。

关注生活开展物理教学，一方面要求教师在教学内容选择上要注重挖掘生产、生活中的实例。在呈现方式上，可采用学生喜闻乐见的形式。教师还可以结合生活实际提出一些相关的小课题让学生开展调查研究。例如，通常人们看完电视节目后只用遥控器关电视机而不断开电源，电视机始终处于待机状态。在学习电能的相关知识时，教师让学生在家中用电能表、计时器这些工具测量电视机在待机状态下所消耗的电功率，然后估算一个家庭一年由此所浪费的电能。

在平常的命题中，可选取贴近学生生活实际、社会热点、科技动态等方面的素材。如下述几则实例：

实例1在2020年抗击新冠肺炎疫情期间，深圳某公司研发一套抗击疫情的无人机巡查技术，并且成功应用到抗疫一线。如图1所示是一款无人机正在巡查作业，在无人机匀速上升过程中，对其分析正确的是( )

图1 无人机正在巡查作业

A. 动能增加 B. 动能减少

C. 重力势能增加 D. 机械能不变

参考答案 C

实例2如图2所示，中国“人造太阳”——大型核实验装置“东方超环”(EAST)取得重大突破，创造世界新纪录，在上亿度的高温状态下，物质呈现等离子态，它们可以被磁场约束。“东方超环”就是利用强大__________所产生的强大磁场把等离子体约束住。“东方超环”的反应原理与太阳类似，通过__________(填“裂变”或“聚变”)释放巨大的核能，原子核能又转化为__________，从而获得上亿度的高温。

图2 大型核实验装置“东方超环”(EAST)

参考答案 电流；聚变；内能

这些题材拓展了学生的视野，激发了学生“探物明理”的兴趣，让他们从关注生活之中，明白所应用的物理原理。

另一方面，要开展综合实践活动，带领学生进行社会调研，开发和利用社会资源。如参观污水处理厂、生活垃圾处理场、风力发电站、火力发电厂等，把科技展品引入学校供家长、学生参观学习。这些活动，使学生在近距离接触中学到物理知识，体验科技的奥秘。因此，关注生活是学生“探物明理”的重要方式。

2 创新实验，尝发现之理

实验是物理课程的特点，也是物理教学的基础，是落实科学素养的重要途径。正如物理学家帕格尔斯所言：“没有实验的物理理论是空洞的，没有理论的实验是盲目的。”[1]

如图3所示，86.7%的学生表示喜欢有较多的动手操作或亲身实践、讨论交流或自学等课堂教学方式，12%的学生喜欢以老师讲授为主的方式。由调查统计可见，实验是学生最喜欢的课堂教学方式之一。

图3 学生最喜欢的教学方式调查统计

笔者工作室的很多成员在实验创新方面进行了大量的尝试。一位老师为了帮助学生理解重力方向竖直向下，设计并制作了“重力方向探测器”，轻松解决教师难教、学生难学的问题。小制作，大用途，教师教得轻松、学生学得愉快。学生既学到了知识，又陶冶了情操；既培养了协作意识，又增进了感情。另一位老师演示液体的热胀冷缩时，设计了“酒精‘爬树’”的精彩实验，抓住了学生的好奇心，激发学生的求知欲望。将一根塑料细管缠绕在绿植小树上，当滴入了红色墨水的酒精受热膨胀时，红色液体沿着细管上升，慢慢向上攀爬，一会儿到达树顶。现场演示让所有学生都十分震惊！实验采用给酒精加热来代替传统给水加热，因为酒精膨胀比水更明显。在酒精中加入了红墨水，让红色的酒精绕着绿树爬升，增加了观赏效果和现场震撼力。还有很多老师自制了大量实验教具，如“滑跃式光电显示变阻器”“低压触电实验模拟演示器”“阿基米德原理数字化改进装置”“固定在讲桌上的可升降多方位演示台”等等，在课堂教学中发挥了重要作用。

长期以来，实验成为了物理教学的薄弱环节。虽然很多老师思想上认识到实验的重要性，但是在实际教学中为省事而弱化了这一环节，采取说实验或以虚拟实验代替真实实验的做法。这是我们物理教学的误区。物理教学中要利用学校的实验条件，开发一些实验资源，使实验教学真正落到实处。实验教学的另一个误区是为实验而实验，或者是“玩实验”，只求气氛上的活跃，或者形式上的创新，而没有真正发挥实验教学的功能。

实验是科学探究的重要方式。如图4所示，物理实验的教学功能表明，实验教学对核心素养的形成起到重要作用。在物理实验中，教师要引导孩子们像科学家那样不只是观察现象，还要弄清楚现象背后的奥秘，要以“怀疑”的眼光审视所观察到的现象，并就观察所得进一步提出可以通过科学探究来解决的问题。学生开展物理实验，进行科学探究，这正是“探物明理”的自觉行动。

图4 物理实验的教学功能

霍金说：我们都是鱼缸里的一条“金鱼”。由于光在进入水时发生了折射，在我们看来做直线运动的一个物体，在金鱼的眼中就是沿着曲线运动的[2]。如果金鱼足够聪明，那么，金鱼也可以在它们的世界里总结出一套物理学规律。虽然，这样的规律对于金鱼缸外的我们来说，根本就是胡说。但是，相对于更广阔的世界而言，我们不也是处在一个我们没有观察到的“圆形金鱼缸”里吗？(图5)

图5 “圆形金鱼缸”中的我们

换一个角度就是另一个世界，物理实验不能缺少“学生”的视角。江苏省著名特级教师汤金波老师多年从事学生自主创新实验研究，他以丰富的实践经历表明“创新实验是点燃智慧的发动机，也是不断丰富智慧的永动机”。受汤老师影响，笔者也在不断创造条件让学生独立开展实验，让学生网购实验器材，自主完成课本实验；发动他们利用身边的器材自制教具；或者在家里创造实验条件，开展自主创新实验。特别是在2020年网课期间，学生宅居在家里完成了大量的物理创新实验，这不仅丰富了他们的网课生活，更重要的是在动手实验中体验到了“刷题”过程中无法感受到的灵感和快感。

研究表明，孩子养成做物理实验甚至创新实验的习惯，经历发现问题、分析问题、解决问题的过程，对开发学生的智力、发展学生的思维、丰富学生的智慧起重要作用。开展物理创新实验是物理教学中“探物明理”的重要手段。

3 构建模型，悟形成之理

所谓物理模型，是人们为了研究物理问题的方便和探讨物理事物的本身而对研究对象所作的一种简化描述[3]。

例如，在研究小孔成像原理的教学中，教师可先介绍一段科学史话：两千四百多年以前，我国的学者墨子和他的学生做了世界上第一个小孔成像的实验，并解释了小孔成像的原因，早于牛顿2000多年就已经总结出相似的理论，这也是世界上对光沿直线传播的第一次科学解释。然后利用蜡烛、打火机、小孔屏、塑料薄膜光屏等器材进行小孔成像的实验探究，按图6中甲、乙、丙、丁所示的操作方法放好蜡烛、小孔屏和薄膜光屏。点燃蜡烛，调整蜡烛和屏的高度，使烛焰、小孔和薄膜光屏的中心大致在一条直线上。调整烛焰和小孔屏的距离，直到在薄膜光屏上看到烛焰倒立清晰的影像。实验中会观察到点燃的蜡烛发出的光经过小孔后，成倒立的影像。

进而引导学生思考：小孔成像的原理是什么？教师作出该装置的模型图(如图6戊)，通过分析可知，烛焰上某点A发出无数条光线，在空气中沿直线传播，其中有条光线刚好穿过小孔，照射在光屏上形成点A的影像A'，烛焰上其它各点的光同样在光屏上都能形成对应的像点，这样在光屏上就形成了烛焰倒立的实像。由此得出，小孔成像的原理是光沿直线传播。

图6 研究小孔成像原理

还可进一步探究：小孔成像的大小与什么因素有关？学生提出猜想和假设：小孔成像的大小可能与物距有关，小孔成像的大小可能与像距有关……再次设计并进行实验，可探究得出：“小孔成像的大小与物距和像距都有关(当物距一定时，像距越大，像越大；当像距一定时，物距越大，像越小)”的结论。然后利用光沿直线传播原理通过光路作图验证该结论是否正确。

该案例中，学生亲身体验观察小孔成像的特点，然后用作图等手段将实验情景抽象为物理模型，从而真正明白小孔成像的原理，知道了小孔成像的有关规律。这样既锻炼了学生的探究和模型建构能力，又加深了学生对物理知识的理解，使知识内化为物理观念，促进了科学思维的发展。

再看下面几则实例：

实例3家庭电路用电器漏电时，通过火线与零线的电流不相等，漏电保护器中检测装置(如图7，在图中虚线框内，未画出)检测到这一差异后，便切断电源，起到保护作用。漏电保护器中另有试验电路，由开关S与电阻R组成，如图7所示，火线与零线间的电压为220V，导线的电阻忽略不计。下列有关说法正确的是( )

图7 漏电保护器中检测装置模拟电路

A.漏电时，用电器两端的实际电压低于220V

B.当开关S闭合时就能模拟用电器漏电

C.漏电时通过 A、B两处的电流IA>IB

D.不论是否漏电，通过 A、B两处的电流IA=IB

参考答案 B

实例4如图8甲，2020年6月21日，我国时速600公里高速磁浮试验样车，在上海同济大学磁浮试验线上成功试跑，标志着我国磁悬浮技术已达到世界领先水平。列车上电磁体始终通有直流电，铁轨上线圈通电后，电磁体和线圈会变成一节节带有N极和S极的电磁铁，列车所受磁力如图8乙所示。下列有关说法错误的是( )

A.磁悬浮列车是利用同名磁极相互排斥的原理悬浮在轨道上的

B.图中列车在磁力作用下正在向右行驶

C.要保证列车一直向前行轨道驶，线圈的N极和S极就要不断变换，则铁轨上线圈中应通直流电

D.为了节约能源，列车行驶时应对铁轨上线圈分区段供电

参考答案 C

实例5手机无线充电方便了人们的生活，其中电磁感应无线充电是应用最多的无线充电方案。如图9所示，它的原理是送电线圈通过一定频率的交流电，线圈的周围形成交变的磁场，通过电磁感应在受电线圈中产生一定的感应电流，从而将能量从发射端转移到接收端。下列选项中和受电线圈工作原理相同的是( )

图9 电磁感应式无线充电

A. 电动机 B. 扬声器

C. 电磁继电器 D. 动圈式话筒

式中，A为车体的振动加速度；f为车体的振动频率；F(f)为与振动频率有关的修正系数，详见文献[9]。经过计算，将不同车速交会下的车辆运行横向与垂向平稳性指标列于表3。由计算结果可知，在各种工况下的车辆横向平稳性指标均大于垂向平稳性指标，说明车体的横向振动受到会车流场的影响较垂向振动更大。

参考答案 D

上述实例3设计了一个漏电保护器的模拟电路，学生看图便能弄清家庭电路中漏电保护器的原理；实例4将高速磁浮试验样车运行的原理，图形化为由一些磁体组合而成的简单模型，学生能直观地根据电磁铁及磁极间相互作用的规律理解这一领先技术中应用的最基本的原理；实例5展示手机无线充电的原理，即“电磁感应”，尽管该装置和教材上提供的“磁生电”实验装置有些差别，但学生根据“电磁感应式无线充电”工作原理图和图中标注，很容易弄明白该装置的工作原理。

物理模型以观察和实验为基础，采用理想化的办法来创造，能再现事物本质和内在特性。学生在分析实际问题中，建立与之相适应的物理模型，是形成物理观念、发展科学思维的重要途径。

初中物理教学中的模型有很多，例如：匀速直线运动、力的图示、重力场、连通器、杠杆、物质结构的微观模型、光线、电路图、磁感线、宇宙模型、原子模型、微观粒子模型等等。通过让具体的物理现象不断地“模型化”，并且运用分析综合、推理论证等方法，对不同观点和结论提出质疑、批判，进而抽象形成能反映客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的概念、原理或方法。不但能为学生进入以后的学习留下发展空间，而且能帮助学生深化对科学本质的认识。构建物理模型，是科学方法教育的重要手段，也是物理观念形成、科学思维发展的有效途径，能促使学生由具体到抽象，亲身经历知识形成的过程。

4 综合渗透，达素养之理

“探物明理”这一教学主张还表现在，物理教学中必须让学生了解自然界事物的相互联系，注意知识间的前后联系以及学科间的渗透。教学中经常通过一定的载体，把教材内容进行整合，建立知识间横向与纵向的联系，把课内与课外相结合，把书本内与书本外相结合，让学生真正体会学习的快乐，能力真正得到提升。

例如，“瓶”是一种常见的生活用具，在人们的日常生活中充分展示了它的魅力，在物理教学中也有不俗的表现，无论是力、热、声、光、电都有它的身影。

“小小音乐会”：利用8个相同的玻璃瓶，向其中灌入不同高度的水，可制作水瓶琴，说明音调与频率的关系(图10)。

图10 水瓶琴

“自制温度计”：在小瓶里装满带颜色的水，给小瓶配一个橡皮塞，橡皮中插入一根细玻璃管，使橡皮塞塞住瓶口。教学中教师可以借用这一实验很好引入温度计的原理、结构和使用方法(图11)。

图11 自制温度计

图12 降温沸腾实验

瓶子装满水就是凸透镜(图13)。将一支铅笔水平地放在空玻璃瓶的后方，透过玻璃瓶观察到的情形；将玻璃瓶灌满水后，将铅笔由靠近玻璃瓶的位置向远处慢慢地移动，同时透过玻璃瓶观察铅笔的像。与前面用凸透镜所做的实验相比，学生可更深入地体验和理解凸透镜成像的规律。

图13 透过装水的玻璃瓶观察铅笔

“喷水”实验(图14)，在瓶子不同方向开口，水都能喷射出来，说明液体内部各个方向都有压强；在不同高度开口，水喷射的距离不同，开口越是往下水喷射越远，说明深度越深液体内部压强越大。

图14 喷水实验

以瓶子为载体，还可做“瓶子形变”“自制气压计”“气体分子扩散”等很多实验。

“让我们荡起双桨，小船儿推开波浪，海面倒映着美丽的白塔，四周环绕着绿树红墙。”请结合其中的一句，找出其中包含的物理知识。思路点拨：“让我们荡起双桨”，划桨时，桨是一个杠杆；“让我们荡起双桨”，划桨时，手对桨施力，手是施力物体，桨是受力物体；“小船儿推开波浪”，船漂浮在水面上时所受浮力与重力是一对平衡力；“海面上倒映着美丽的白塔”，水面相当于平面镜，水面下的“白塔”是白塔的等大的虚像，这是光的反射现象；“四周环绕着绿树红墙”，绿树反射绿光，红墙反射红光……

物理考题中经常出现诗词、音乐、体育、科技、史实等多方面的题材,需采用物理科学方法结合数学、哲学等工具解决问题，甚至将初高中物理知识进行衔接，这些方式都是丰富学生科学思维，发展学生能力素养的有效手段。

综合渗透这一手段的运用，要求教师在物理教学中应当整合跨学科资源，注重跨学科知识的渗透，注意前后知识之间的衔接，适当延伸教材内容，关注智力发展和道德成长相统一。将物理观念、科学思维、科学方法、科学态度与责任等要素，自始至终贯穿在教学活动之中。

总之，“探物明理，逐本溯源”这一教学主张的提出，是物理学科知识建构的需要，是物理教育本源的回归，是学生学习方式变革、构建高效课堂和教育高质量发展的的客观要求。呼唤“探物明理”，是走出当前教育误区、发展学生的核心素养的有效途径，只有正确处理好物理教学中 “探物”与“明理”的辩证关系，才能让我们的课堂充满生命灵动，才能使我们的物理教学步入正确的轨道，才能为社会培养出更多的具有实践能力和创新精神的高素质人才。