指向核心素养的“四主”教学模式的教学设计

周枫 曹会

[摘   要]以“核心素养为主旨，学生为主体，教师为主导，情境演进为主线”为核心框架的“四主”教学模式是在新一轮高中课程标准修订中，课题组基于认知科学等理论依据构建出来的。在《机械能守恒定律》的教学设计中以学生对常见的能量分类和几种功能关系为认知起点，设计合适的情境，以问题链形式引导学生合作探究得出规律，充分体现了“四主”特点，把培养学生的核心素养落到实处。

[关键词]核心素养;“四主”教学模式;教学设计

[中图分类号]    G633.7        [文献标识码]     A        [文章编号]    1674-6058（2021）20-0037-03

《普通高中物理课程标准（2017年版）》（以下简称《标准》）实施以来，培养学生学科核心素养，实现学科育人的目标已成为高中教学的主旋律[1]。在教学形式方面，《标准》特别建议在教学设计和教学实施中要重视情境的创设，以“核心素养为主旨，学生为主体，教师为主导，情境演进为主线”为核心框架的“四主”教学模式（如图1）应运而生。 “四主”教学模式多次尝试以“实验”“模型”“事例”等来创设教学情境，运用情境的演进串设课堂教学主线，搭建基于学生视角的台阶，学生通过情境体验、科学探究等学习活动，实现物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任等物理核心素养的发展[2]。我们以公开课《机械能守恒定律》的教学设计为例，谈谈在这一节课中如何设计有效的教学环节，引导学生自主探索与解决问题，最终达到提升学科核心素养的目的。

一、教材、学情分析

《机械能守恒定律》是新人教版高中物理必修2第8章第4节的内容。通过前面几节内容的学习，学生知道了重力做功会引起重力势能的变化，弹簧弹力做功会引起弹性势能的变化，合外力做功将引起动能的变化。学生对在初中学过的一些定性的东西逐渐找到了定量的联系，对功能关系的认识加深了，也萌发了继续探究的兴趣。那么，在动能、重力势能和弹性势能都参与转化的过程中，情况又将如何呢？这是学生亟待解决的问题，机械能守恒定律的建立已经到了“水到渠成”的时候了。从知识发展的线索来看，本节内容，既是对前面几节内容的总结，也是对学习能量守恒定律的铺垫[3]。

本节教学设计以学生的认知情况为起点，在学生已经具有了一定的功能关系的认知基础上不断创设新的情境，提出新的问题，然后聚焦问题，不断启发学生认真思考，提出方案，合作探究，运用科学思维方法从实验探究和理论探究两个方面对相关问题进行科学实验、逻辑推理、找出规律、形成结论。

二、教学环节设计

环节一：看视频，做实验，萌生问题

情境1：首先播放一段郭晶晶跳水的视频，请同学们欣赏。

情境2：找一名同学来做“小球碰鼻子”的实验（如图2），注意观察该同学在小球朝着鼻子冲过来时的表情。

问题：通过观看刚才的视频和实验，结合前面学过的内容，同学们能提出哪些问题？

学生经过思考提出如下问题：（1）动能和势能是怎么转化的？（2）动能和势能在转化过程中遵循怎样的规律？

环节评价： 观看视频、参与实验这些情境体验，不仅激活了课堂气氛，而且调动了学生的学习积极性。接下来教师的开放性提问促使学生积极参与、认真思考。学生结合前面所学内容和刚才的情境体验，提出了本节课所要解决的两个问题，充分体现了教师的主导性和学生的主体性。

环节二：聚焦问题，解决问题

聚焦问题1：动能和势能是如何转化的？

针对这一问题，教师可以启发学生从做功的角度去考虑，因为功是能量转化的量度，能量之间的转化是通过做功来实现的。教师带领学生一起分析，可以先从简单的单摆模型入手。

情境3：从做功角度分析单摆模型（如图3）。如果忽略空气阻力，摆球只受到重力和绳子的拉力，绳子的拉力不做功，只有重力做功;从高到低摆动的过程中，重力做正功，重力势能减小，动能增加;从低到高摆动的过程中，重力做负功，重力势能增加，动能减少。

提出新问题：如果在小球运动的过程中，用直尺挡一下，改变小球圆周运动的圆心和半径，发现小球仍然摆到原来的高度，这说明了什么问题？

情境4：接下来再分析一个弹性势能和动能相互转化的例子——弹簧振子模型（如图4）。忽略空气阻力和摩擦阻力，对弹簧振子来说只有弹簧弹力做功，如果弹力做正功，弹性势能减少，小球动能增加;如果弹力做负功或者克服弹簧弹力做功，弹性势能增加，动能减少。

提出新问题：滑块只在一固定范围内往返运动，这又反映了一种什么思想？

这个时候机械能概念的界定已经迫在眉睫而且水到渠成，教师可以顺势进行概念的界定：重力势能、弹性势能与动能统称机械能。通过重力或彈力做功，机械能可以从一种形式转化为另一种形式。动能和势能在转化过程中，机械能的总量怎么样呢？ 学生通过思考提出猜想：机械能的总量保持不变。

聚焦问题2：动能和势能在转化过程中机械能的总量是否不变？

1.实验探究

首先引导学生选定并建立模型，学生通过讨论选定比较简单而常见的自由落体运动模型;然后探讨实验方案，结合以前学过的研究运动的实验方法，学生很容易想到可以利用打点计时器来进行研究（如图5），关于这个实验方案，学生可以在下一节课去实验室完成。

情境5：在这节课的教学过程中，我们介绍一个自由落体演示仪（如图6），利用自由落体演示仪，同时借助两个光电门和数字计时器来测量速度，通过测量小球从不同位置下落的高度和速度，来研究小球减少的重力势能和增加的动能是否相等。

活动过程：找几名学生协助操作实验，改变两光电门距离及小球释放位置的高度，多次实验。具体实验时可利用小球通过两光电门的时间差来计算小球通过光电门时的速度，同时让其他学生共同记录实验数据，最后处理实验数据（如表1）。分析数据后发现：小球减少的重力势能总是比增加的动能稍大，这时教师应引导学生进行误差分析：主要原因是小球在下落过程中受到了空气阻力。如果忽略空气阻力，小球减少的重力势能和增加的动能相等。

2.理论探究

情境6：在只有重力做功的情况下（如图7），根据重力做功与重力势能的关系[WG=EP1-EP2]，再根据动能定理[WG=Ek2-Ek1]，联立两个方程可得：[EP1+Ek1=EP2+Ek2]。同理，可以证明在只有弹簧弹力做功的系统内，弹簧和滑块组成的系统机械能守恒。

环节评价：这一环节是本节教学设计中的重点环节，采用了问题聚焦的方式。针对第一个问题采用了“模型情境”的方法，引入“单摆模型”和“弹簧振子模型”从做功角度进行分析，让学生对动能和势能转化的过程有一个清晰的认识，接下来界定了机械能的概念，很好地发展了学生的物理观念。针对第二个问题，教师引导学生通过实验探究和理论探究两种方式展开探索。在探究中，学生经历了“提出猜想——建立模型——进行验证——得出规律”这样的科学探究过程，在实验探究的过程中经历了“探讨实验方案——实验操作——数据处理——误差分析——得出结论”的过程，学生通过合作交流、自主探索并通过用不同方法解决问题这一系列活动，发展了科学思维，培养了科学探究能力。

环节三：得出规律

通过实验探究和理论探究，顺理成章地得出机械能守恒定律的内容：在只有重力或弹力做功的系统内，动能与势能可以相互转化，而总的机械能保持不变。可以对机械能守恒定律做如下解读。

解读1.机械能守恒的条件：只有重力或弹力做功。可以理解为：物体只受重力或弹力，不受其他外力，或者物体受其他外力但其他外力不做功，或者其他外力做功代数和为零。

解读2.机械能守恒的判断方法：可以从机械能守恒的条件进行判断;也可以从能量转化形式上去判断，在系统能量转化过程中只有动能和势能相互转化，没有其他形式的能出现。

解读3.机械能守恒的表达式：[EP1+Ek1=EP2+Ek2]或者[?Ek=-?EP]。

解读4.机械能守恒的是系统，单个物体机械能往往不守恒。

环节评价：本环节从机械能守恒定律的内容、条件、判断方法、表达式以及守恒的对象等多角度进行解读，引导学生由表及里、由浅入深地思考，把物理观念目标落到实处。

环节四：学以致用

教师列举一些生活中存在的运动形式。

情境7：比如从滑梯上匀速下滑的小孩、匀速下降的降落伞、抛出去的篮球等，让学生根据所学知识判断机械能是否守恒。

情境8：谈谈要想跳得高，为什么背越式跳高比跨越式跳高优越。

情境9：某些地铁或列车站的站台都设计有一个小的坡度，这是为什么？

环节评价：“学以致用”环节中，学生通过运用所学知识和规律解决了日常生活中的常见问题，既巩固了课堂所学知识，又使学生在理解“科学、技术、社会、环境（STSE）”关系的基础上，逐渐形成对科学和技术应有的正确态度和责任意识，发展了学科核心素养。

环节五：归纳总结

本节课的上课流程可以用图8表示：

环节评价：本环节是本节课的一个收尾总结，可以带领学生重温上课的历程：观察现象、提出问题;设计方案、实验探究;建立模型、理论探究;得出规律、定律内容解读;学以致用、巩固所学知识。该环节强化了知识、规律的形成过程，有助于学生在头脑中建立自己的知识体系，形成正确的物理观念。

三、教学反思

本节教学设计的预设和生成配合得非常好，充分体现了“四主”教学模式：以探索动能和势能转化过程中遵循的规律为载体，在学生认知的基础上，通过看视频、做实验、模型分析、生活情境分析等一系列具有物理特色的情境主线“串烧”出独具“物理味”的知识、思维和情感，凸显了教师的主导地位，贯彻“生本教育”理念，让学生主动学习，自主发现问题，提出问题，并聚焦问题，解决问题。学生在探讨方案、科学实验、处理数据、交流反馈等一系列情境和活动中理解了动能、势能、机械能的相关物理概念，树立了能量守恒的物理观念，培养了科学思维习惯，掌握了科学探究的方法，发展了科学探究能力，树立了科学态度与责任意识，把核心素养的理念落到了实处。这种教学模式不仅适用于物理概念和规律等新授课，同样也适用于习题课的教学，我们在教学实践中多次尝试这种教学模式，课堂气氛显得生动活泼，有血有肉，收到了良好的效果。

[   參   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）[S].北京：人民教育出版社，2017：53-59.

[2]  曹会，郁建石.指向核心素养的“四主”教学模式的构建与实践研究[J].中学物理教学参考，2019（11）：1-4.

[3]  人民教育出版社课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.物理必修2教师教学用书（2010年版）[M].北京：人民教育出版社，2018：121-122.

（责任编辑 易志毅）