基于物理核心素养的教学案例研究——以“固体”教学为例

许卫国

(江苏省锡山高级中学，江苏 无锡 214174)

《普通高中物理课程标准(2017年版)》基于中学物理的本质特征,凝练并明确提出了物理学科核心素养．它不仅集中体现了物理学科独特的育人价值,而且明确了通过物理学习后学生应达成的正确价值观念、必备品格和关键能力．物理学科核心素养是对知识与技能、过程与方法、情感态度价值观三维目标进行整合与凝炼而形成的,因此,教学过程中落实培养学生物理学科核心素养的任务,就必须基于具体的教学内容,充分挖掘教学内容中蕴含的核心素养要素及培育的生长点,创设物理学习情境,引导学生经历科学探究、科学思维等真正的学习过程．本文以“固体”一节的教学为例,结合自己的教学实践,就关注物理观念、引导科学探究和驱动科学思维等进行探讨．

1 深化知识理解,关注物理观念

2017版新课标把物理观念置于物理学科核心素养之首,足以表明物理观念对学生终生发展的重要性．从《标准》对物理观念的界定中我们可以看到,物理概念、规律是物理观念的基础,把握住了概念和规律,就把握住了物理观念的主体．这就要求我们在教学过程中明确目标,重视知识的形成过程,帮助学生内化知识、深化理解,形成正确观念．

在“固体”一节中关于物理观念、教学目标和教学策略可以设计如表1所示.

表1

续表

2 创设问题情境,引导科学探究

“科学探究”是指基于观察和实验提出物理问题、形成猜想和假设、设计实验与制订方案、获取和处理信息、基于证据得出结论并作出解释,以及对科学探究过程和结果进行交流、评估、反思的能力．实验与探究奠定了物理学的实证基础,也是形成学生“用实验验证假设,用数据表达结论”的良好科学探究素养的实践基础．教师在教学设计时应根据教学内容考虑落实科学探究,使其润物无声般进入到学生的物理学习中去．

在“固体”的教学中,晶体的各向异性和非晶体的各向同性是教学重点也是教学难点．2003版课标人教版教材和2017版课标人教版教材在内容上都安排了实验,这部分内容适合培养学生实验探究素养,因此把教学目标设计为:通过实验,学生能看到晶体在物理性质上具体各向异性．如何安排才能更有利于学生实验探究素养的提升呢?

按照培养学生科学探究素养的要求,从“实验目的、操作过程、观察记录处理实验数据得出结论、实验评价”等科学实验要素用问题情景引导学生进行实验设计:

(1) 实验目的是什么?

(2) 如何设计实验方案才能外显玻璃和云母的导热性能?

(3) 能根据什么现象得出怎样的结论?

(4) 影响实验现象的因素有哪些?

问题(2)和问题(4)比较有挑战性,培养的是学生设计、制订实验方案和对科学探究反思的能力．教学实践证明:在特定的教学情境里,学生的思维是发散的,甚至是教师始料未及的．对于问题(2)有的学生提出了用温度传感器来感测不同方向的传导热量;有的学生说能否找到一种物质,热量传导所到之处其颜色发生变化?多数学生提出的是用石蜡熔化的方法.这也许学生有这方面的生活经验,也许是看了课本才有的想法．对于问题(4)多数学生意识到石蜡涂抹得一定要均匀,但在实验操作中如何才能将石蜡均匀地涂在玻璃片和云母片上呢?由于学生没有实践经验而回答不出来,根据笔者在实验室的反复摸索得出的窍门是:把融化到冒烟的石蜡倒在用石棉网预热的玻璃片或云母片上,并迅速抖动即可获得．有的学生问道:如何才能获得单晶体的云母片?这确实是实验成败的关键问题,在网上购得的云母片多是多晶体,笔者向学生介绍了获取石墨烯方法,学生用封箱的宽胶带把多层云母片粘成单晶云母片．也有学生问:对电烙铁有要求吗?经过讨论学生们认为:为了使石蜡迅速融化,其功率应该有一定的要求．另外,为了热源均匀,本实验使用的是尖形烙铁头,其尖端细小,可理想化为点热源．为了避免电烙铁非尖端热量对石蜡的烘烤,可在薄木片上钻一略大于尖形烙铁头的小孔,让烙铁头通过小孔接触玻璃片或云母片的背面(实验装置如图1)．

图1

经过以上问题的思考与讨论,学生对此实验理解得比较透彻,大多数小组观察到了明显的实验现象(如图2),得到了云母晶体在导热性能上的各向异性和非晶体玻璃在导热性能上的各向同性的正确结论．

图2

3 巧设疑难问题,驱动科学思维

“科学思维”是从物理学视角对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识方式；是基于经验事实建构理想模型的抽象概括过程;是分析综合、推理论证等方法在科学领域得具体运用;是基于事实证据和科学推理对不同观点和结论提出质疑和批判,进行检验和修正,进而提出创造性见解的能力与品格．“科学思维”主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素．科学思维是从认知方式和过程的维度对学生的物理核心素养提出的要求．

在固体性质的微观解释教学中,需要建构微观模型、要运用到科学推理、科学论证、质疑创新等诸多科学思维要素.这是学生思维能力的体现所在,也是学生核心素养培养的必经过程．笔者设计了以下几个问题来引导学生思维的进阶.

(1) 宏观与微观结合是因果分析的基本方法,也是人们探索客观世界常用方法,你能从学过的知识中列举几例吗?

经过思考和小组讨论,学生基本能举出所学实例:电阻的微观解释、电流的微观表达式、压强的微观解释、安培力与洛伦兹力、涡旋电场等等．通过以上实例的回顾,学生在宏观层面进行感性认识,在微观层面进行理性认识,建立了宏观与微观的联系,体悟了“宏微结合”在物理学习中的重要性,理解了“微观结构决定宏观性质”的思想,为后续问题的思考引导了方向．

(2) 如图3表示一个平面上单晶体物质微粒排列的情况,请你观察沿不同方向相同长度上的物质微粒的数目是否相同?思考晶体为什么具有物理性质的各向异性?你能据此解释多晶体和非晶体的各向同性吗？

图3

(3) 如图4表示岩盐(盐矿中开采的NaCl)晶体的平面结构:实心点为氯离子,空心点为钠离子,如果把它们用直线连起来,将构成一系列大小相同的正方形,作分界线AA1,使它平行于正方形的对角线, 作分界线BB1,使它平行于正方形的一边．在两线的左侧各取一个钠离子M和N,分别以M、N为圆心,作两个相同的扇形,不考虑扇形以外远处离子的作用,用F表示两个相邻离子之间引力的大小,M、N所受扇形范围内的正负离子对它作用力的合力是F的多少倍?(为使问题简化,设所有离子都是质点,而且它们之间的相互作用遵从“平方反比”规律．)根据计算结果解释:为什么敲碎的岩盐总是呈立方形状,而不会沿图中AA1分界线断开?[2]

图4

(4) 食盐晶体的结构可以用钠离子和氯离子空间分布晶体结构图表示(图5),图中相邻离子的中心用线连起来了,组成了一个个大小相等的立方体．现在要估算相邻两个钠离子中心的距离,除了知道食盐的密度ρ外,还要知道哪些数据?请用字母表示这些已知数据,推导出相邻两个钠离子中心距离的表达式．(提示:图中最小立方体的个数与离子数目相等．)[2]

图5

(5) 从石墨烯的六边形的晶格结构(如图6),你能推知它具有哪些物理性质?

图6

力学特性:是目前人类已知的强度最高的物质之一．强度比世界上最好的钢铁还要高百倍之多．具有很好的韧性,可弯曲．

电学特性: 电子在石墨烯中“奔跑”的速率(即迁移率)比在硅材料中高出数十倍甚至上百倍,这有利于进一步提高计算机处理器的运算速率．

热学、光学特性:薄,导热系数高;透光性好,单层石墨烯透光率高达97.7%.[2]

以上通过“固体”一节的3个教学维度与物理核心素养的结合分析,例说了如何在物理学科教学中落实和践行核心素养．站在新课标、新教材、新高考的起点,理性分析教材,创造适合的问题情境,寻找到与物理核心素养的结合点,努力探索在课堂教学中落实核心素养的方法和途径．