基于核心素养的高中物理情境化教学设计——以“高空抛物”情境教学片段为例

文∣谭海兰 袁勇

新一轮课程改革强调通过学科核心素养的培养来突出学科的育人价值。《普通高中物理课程标准(2017年版)》提出了物理学科核心素养包含“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”四个方面。其中科学思维又包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新四个要素。[1]课程标准在教学建议中指出，“创设情境进行物理教学，对培养学生的物理学科核心素养具有关键作用”。因为任何知识要具有生命力，都必须作为一个“过程”存在于一定的生活场景、问题情境或思想语境之中。[2]情境是学生认识的桥梁，是知识转化为素养的桥梁。

一、情境化教学的内涵及作用

情境化教学是教师在教学过程中有意识地引入或创设一定的情境，把知识转化为与知识产生或具体运用的情境具有相似性结构的组织形式，让学生参与、体验类似知识产生或运用过程的情境，从而直观地、富有意义地、快乐地理解或发现问题乃至创造知识。[3]也就是说，在学习新知识和应用知识的过程中，要注意通过创设情境，促进学生的学习。

情境对教学活动的积极作用包括三个方面。第一，可以有效刺激学生，不仅使学习过程成为对知识本身的接受，更会使学生产生情感的共鸣；第二，可以使枯燥乏味的知识产生丰富的附着点和切实的生长点，让教育具有深刻的意义；第三，增加了学习活动的生动性、趣味性、直观性，让学生在理论知识与应用实践的交互碰撞中真正理解知识、提升能力。[4]教会学生将所学知识迁移到实际生活中是教学的重要目标，也是困难之一。教育心理学表明，学习迁移依赖于最初学习的情境与后来应用情境之间的相似程度，要使学生能将知识迁移到实践情境中，我们就必须创造与真实生活中可能遇到的情境相类似的情境，教学生去运用技能。

二、情境化教学路径

精心研究情境化的教学设计能够帮助学生构建从真实情境中学习的认知路径，是知识通往素养的必然要求。《普通高中物理课程标准(2017年版)》提出，对物理学科而言，学生在解决真实情境中的物理问题时，需要将情境中的经历转化为物理过程，将情境转化为物理现象，将文字表述转化为物理语言，将需要解决的问题转化为物理问题，建立相应的物理模型，然后利用所学知识进行科学推理和论证，得出相应的物理结论，同时会质疑结论的合理性、可行性，甚至创造性地提出解决问题的方法，最终达到形成和深化物理观念，同时潜移默化地转化为进行科学态度与责任的教育。笔者基于对核心素养的理解及多年来进行情境化教学设计的实践，总结出基于核心素养的情境化教学的一条可行路径，如图1所示。

图1

三、情境化教学案例设计过程及分析

以“高空抛物”情境教学片段为例，具体说明情境教学与核心素养的结合点在哪里，以及如何在情境教学中体现核心素养。

在学生学完动量定理后，利用高空坠物新闻这个情境，根据上面的路径，进行了基于核心素养的情境化教学设计思路如图2所示。

图2

(一)创设情境，提出问题

【教师播放新闻视频】高空抛物致人死伤的新闻屡见不鲜。2018年3月，东莞三个月大婴儿被24楼掉下的苹果砸中导致十级伤残。2019年6月13日，深圳福田区发生了小孩被一扇从20楼坠落的窗户砸中的惨剧。2019年6月，无锡江阴的一名小学生在上学途中被一根高处落下的钢管击中头部。高空坠物真的如此危险吗？一颗小小的苹果威力如此之大吗？

【教师播放视频】实验者拿着鸡蛋、苹果、塑料花盆分别从不同高度释放，当高度为25米(约8层楼高)时，苹果就可以将玻璃砸碎，其他重物或者更高的楼层就更危险了。

学生在观看视频后，非常震撼；教师适时提出问题：“高空抛物如此危险，背后的物理原理是什么？一个小小的苹果为何能产生如此大的作用力？影响作用力大小的因素有哪些呢？”

真实情境的问题有利于激发学生探究的兴趣，与实际生活相关，容易产生共鸣。观看实验或者参与实验，唤起学生内心的感受，除了引起学生的兴趣，还能引导学生将真实情境的问题“高空抛物的危险性”转化为物理问题“高空抛物的作用力大小”。

(二)情境转化，确立模型

在确定了研究问题之后，接下来就是要引导学生将真实情境转化为熟悉的物理情境、物理模型。教师提出问题：重物从高空坠下，如果简化条件，可以看成什么运动？视频实验中，为什么高度相同时，越重的物体坠落，杀伤力越大呢？

引导学生思考：不考虑空气阻力作用，高空抛物可看成抛体运动(故意抛物)或者自由落体运动(无意坠落)，重物抛出的速度不同，遵循的运动学规律也不同。如果以视频中演示实验为例，鸡蛋、苹果、塑料花盆等重物坠下过程可以看成自由落体运动。重物伤人的危害过程是在重物与人作用的极短时间内，即碰撞的短暂过程，因此将重物伤人过程转化为物理问题“碰撞”。由此高空抛物伤人过程分为两个物理过程：重物自由下落和重物与人的碰撞过程。

解决真实情境问题的关键是将其转化为物理问题，建构物理模型。通过引导学生适当忽略次要因素，抓住主要因素，简化条件，使学生将高空抛物伤人情境与熟悉的抛体运动(自由落体)、碰撞模型建立起对应联系，从而确立解决问题的模型。一方面，在情境转化为物理问题、物理过程的过程中，需要学生掌握一定的物理方法，熟悉已有的一些模型。另一方面，这个过程对于培养学生的能力是最为显著的。因此，在平时的教学中，让学生多经历真实情境问题解决的训练是非常必要的。

(三)推理论证，解释问题

推理和论证过程往往是联系在一起的。学生以学过的物理概念、规律为证据，通过一系列的演绎分析，得出可靠的结论。推理过程可从定性和定量两方面进行。

（2）在没有维修标准的情况下，对关键数据进行计算、认证。如，在没有活塞环闭口间隙标准值的情况下，不能将活塞环作为“标准件”直接安装；

1.定性分析

分析抛物的质量和下落高度对人的作用力大小的影响。

根据动量定理FΔt=mΔv，作用时间一定时，物体的质量越大，速度变化越大，则作用力越大。因此抛物的高度越高，砸到人时速度就越快，杀伤力就越大；又由于作用时间极短，所以作用力极大，对人的伤害极大。通过此分析过程，学生对动量定理有了更深刻的理解，可以同时拓展，让学生列举和解释生活中缓冲的原理。设置多样化情境促进学生对规律的理解和应用。

2.定量计算

从定性分析到定量计算，推理分析更具有逻辑性，更加严密。学生需要根据学过的知识和规律，对前面确立的物理模型和过程进行分析，再通过计算比较，获得可靠证据来解释自己的结论，同时养成估计生活中有关物理量大小的习惯。在这个过程中，学生的证据意识、推理能力、科学论证能力都能得到相应提升。

(四)质疑释疑，交流评估

【学生讨论】重物下落过程中的阻力与物体质量和形状(密度)、下落速度均有关系，是个比较复杂的过程，前面我们讨论苹果、钢管等物体的下落，考虑到其密度不是太小，下落高度(速度)相对不大，忽略其阻力的影响是合理的。实际的抛物伤害还应考虑物体的形状(尖锐程度)、材质、抛出速度等。

实际上，子弹的杀伤力不仅在于它对目标的作用力大小，还在于它携带的能量。教师可引导学生从能量角度去探究一下高空抛物的破坏力，试估算前面苹果落地时所具有的动能。

通过模型研究显然忽略了许多因素，在习题教学中学生是不需要考虑的;但联系真实情境，学生肯定会质疑，所以要评估结论的合理性。在这个过程中，学生的质疑意识得到强化。核心素养中对于质疑创新的最高水平要求就是能考虑证据本身的科学性，恰当使用证据，从多个视角审视检验结论。这里通过从力和能量两个角度来解释高空抛物的危害，来检验结论的可靠性，使学生的思维达到较高的学业水平。同时让学生从不同角度看待解释问题，认识科学问题的本质。

(五)问题延伸，情感升华

通过上述教学，学生对高空抛物的物理原理已经清楚了，深刻了解到高空抛物的危害，单纯的知识教学已经完成，教师还可以进行以下升华，让学生思考如何避免高空抛物的伤害。利用小组合作的方式，引导学生从个人、社会等各方面进行思考，探讨如何成为合格有素养的公民，以及为营造安全社会环境个人应承担哪些责任等。

物理教学不能以单纯地传递知识或者训练思维为目标，而应时刻牢记“立德树人”才是根本任务。培养学生的社会责任感，提高国民素质，使学生形成正确的价值观，让学生在解决真实情境问题的过程中提升核心素养。

四、情境化教学的启示

情境化的课堂教学不仅能够提升学生的科学思维能力，还能加深他们对相应的概念和规律的理解，更有助于他们形成物理观念。同时，解决问题的过程也是科学探究的过程，学生能够进一步提升科学探究能力，增强实践意识，养成科学态度，促进物理核心素养的形成。因此，情境化课堂教学在促进核心素养在课堂中的落地上是非常有效的。情境化教学设计可以依据以下三个方面进行。

(一)创设教学情境的方式多样化

物理学科的教学情境来源主要有生活经验和现象、实验探究、物理学史、新闻公告等。其中生活经验与现象和学生联系紧密，学生可以亲身体验和感受，从而激起极大的兴趣。实验探究对于提升学生的科学探究能力、探寻科学的本质、理解物理概念和规律等起到不可替代的作用。带领学生重温物理学史，重走科学家的发现之路，不仅能使学生了解知识的来龙去脉，还能对学生的科学态度和情感进行无声的熏陶。信息化时代，学生被信息包围，明辨信息真伪的能力尤为重要，利用新闻报道创设情境进行教学，顺应信息化教学的潮流。“如何获取有价值的情境应用于物理课堂教学”需要教师具有学科意识和敏锐的学科嗅觉，平时有意识地收集相应材料，挖掘其中的教学价值。本文的教学情境就是来源于新闻。

(二)教学情境要为教学服务

教学情境的创设要以实现教学目标为目的，其隐含的问题要有启发性，能够引起学生的思考，难易程度要符合学生的实际水平，保证大多数学生在课堂上能够处于积极思考的状态。利用其生动、形象的特点，在激发学生兴趣的同时，引起学生情感共鸣。教师在创设情境时，尽量从学科特点考虑，体现学科知识在生活中的意义和价值。

(三)教学情境与教学内容深度融合

在不少课堂上，有的教师只是将情境作为课堂的引入，目的是激发学生的学习兴趣，后续的教学中便弃之不用。有的教师追求课堂的热闹，一节课设置的情境过多，相互之间没有逻辑关系，学生眼花缭乱，沉浸于情境中无所适从，这样的情境有喧宾夺主之嫌。这些都是在创设情境时，没有考虑情境与教学内容的融合造成的。情境与教学内容的契合度越高，越有助于学生对教学内容的理解。本文所设置的高空抛物情境贯穿课堂教学始终，与动量、能量知识契合，学生的思维能够比较集中。如果一节课需要设置多个教学情境，则需要进行必要的整合，突出主题情境，围绕主题内容，切不可简单堆砌了事。

把知识还原到情境中，把知识应用到解决真实情境问题中，摒弃枯燥、僵化的单纯知识教学、习题教学，不仅能够提高学生知识接受的效率，还能提升学生的核心素养和综合能力。这就要求教师在教学中，以核心素养为目标，以学生的学习为导向，用情境搭建起知识通往素养的桥梁。