核心素养视域下物理探究教学主题的开发与实践

陈海深宋善炎罗星凯

（1.湖南师范大学教育科学学院，湖南 长沙 410081；2.广西师范大学物理科学与技术学院，广西 桂林 541004）

随着互联网＋和人工智能时代的到来，学习的时间和空间已不再受任何限制，这将极大地改变课堂“教与学”的方式.学校课程将与现代社会发展保持着紧密的联系和不断发展的动态变化之中.在这样的背景下，我国的物理教育顺应时代发展制定了新的课程标准，提出了“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”的学科核心素养，形成了趋向整合的新课程标准，而新课程标准落实的“主阵地”在于课堂教学与实践.

当前一线物理探究教学出现了新的变化：从单一内容探究走向综合主题探究；从“走流程”探究转向“重过程”探究；从宽泛化、浅层化探究走向个性化、层次化探究；从教师高度引导式探究走向师生动态生成式探究；从注重物理知识探究转向提升学科核心素养等.物理探究教学主题由于具有开放性、生成性、发展性和系统性等特点受到一线教师和学者关注，引发人们对探究性教学的反思与变革.以下结合物理实践研究的具体案例提出探究教学主题的开发过程，旨在为当前科学探究教学的深入开展和学生核心素养的提升提供思考和借鉴.

1 “递进式”探究教学主题

“递进式”探究教学主题属于一种“连贯式”探究.在探究活动之初，由来自教师或学生的某个具体“初始主题”引发“多米诺骨牌式”的系列探索和认知过程，最终任务是达成对“目标主题”的科学认知.它由系列“关联主题”探究活动组成，“初始主题”的问题解决将为“关联主题”的问题解决提供相应的线索或证据，“关联主题”之间依次衔接，每个“关联主题”所形成的科学认知存在逻辑上的关联关系，并直接影响“目标主题”的系统认知和学习深入.下面是“递进式”探究教学主题类型的演化过程（如图1）.

图1

这类探究教学主题设计的特点是探究过程环环相扣，步步深入，逻辑关联度高，容易激发学生的好奇心，并保持较为持久的探究动力.但要求学生具有较强的问题——证据意识，通过完成系列“关联主题”的探究，进而达到“目标主题”的深度认知.这类探究教学主题设计的特点是探究过程按照问题关联和逻辑演化的方式推进，经过一系列探索过程，让学生认识到探究始于问题发现而终于问题解决，能较好的培养学生发现问题的意识和形成较强的逻辑思维推理能力.在探究过程中学生容易一蹴而就或者徘徊不前，需要学生在探究过程具有良好的科学态度和探究精神.

例如，教师组织学生探究的目标主题是：“浮沉现象在真实情景中的探究”.首先，教师抛出初始主题1：“浮沉条件的应用”.其次，教师演示沙漏的浮沉现象（如图2）并让学生仔细观察到“在圆筒倒转后，沙漏并没有立刻上浮，而是在筒底静止，当上部的沙子漏到一定量时开始上浮了”.激发学生提出问题1：“为什么沙漏在圆筒倒转时没有立刻上浮”？第三，学生围绕主题开展探究，引导学生提出系列观点或猜想：（1）浮力减少说；（2）沙子冲击说；（3）能量说；（4）反冲说；（5）动量说等等.这些观点或说法各有理由，但都拿不出有效的证据.第四，教师展示另外一个沙漏（图3），当圆筒倒转时该沙漏就立刻上浮了.第五，该演示创设的冲突激发学生的兴趣，通过仔细对比观察发现图2中的“‘8’字型沙漏外径比筒壁的外径略小，刚开始‘8’字型沙漏在容器底部时是斜靠并侧压在筒壁上”这一关键证据.第六，达成初步解释：沙漏斜靠时受到筒壁的摩擦力，由于其重力和摩擦力的合力大于浮力，故静止在筒底.

图2

图3

以上是学生基于观察进行的初步解释.但学生对于“为什么沙漏刚开始是倾斜？”的原因仍然感到困惑.教师基于学生已有的认识引导探究关联主题：“沙漏倾斜与什么因素有关？”.学生围绕倾斜问题继续探究并猜想：“倾斜是因为沙漏头重脚轻”、“倾斜的沙漏像不倒翁”等.教师追问：“这只是生活常识或经验的迁移，具体如何进行科学解释呢”？经过反复思考和实验观察，学生发现“沙漏开始漏沙时，其整体部分的重心在上部”这一关键证据，于是达成相关主题的初步解释：刚开始沙漏的重心在其上部，导致沙漏“头重脚轻”的倾侧在筒壁，故刚开始时沙漏是倾斜的.

但上述解释仍然是基于观察的事实而进行的描述性解释.教师认为仍需进一步深入探究.既然已经提到了“重心位置与稳定的关系”，于是教师“顺藤摸瓜”的提出关联主题：“重心与平衡之间的关系？”.教师首先让学生预测相关实验现象，把配重砝码挂在玩具兔下面三个不同位置时（如图4），玩具兔能否在钢丝上平衡？学生通过实验与探究发现，由于配重所放置的位置不同，将导致兔的重心发生变化这一关键证据，进而认识到兔在钢丝上的稳定性取决于其重心的相对位置，学生似乎从平衡兔的实验探究中顿悟了，教师趁机追问目标主题：沙漏浮沉问题与兔子走钢丝有什么相关吗？

图4

学生达成对目标主题“沙漏浮沉”较深入的科学解释：开始时，沙漏与沙的整体重心在其上部，其重力所产生的作用效果导致沙漏侧压在圆筒壁，筒壁对沙漏产生向下的摩擦力与重力的合力大于其所受浮力（沙漏浸没在水中，浮力不变），故沙漏没有立刻上浮；随着沙的下漏，其重心从上部转移到下部，其自身重力产生的转动效果使沙漏直立起来，摩擦力消失，沙漏此时所受浮力大于其重力，这时沙漏开始上浮.

通过初始主题从浮沉条件的受力分析到重心的位置变化再到重心与稳定的平衡关系系列关联主题的系列探究活动，学生达成对目标主题“沙漏浮沉探究”的科学解释.对浮沉现象综合主题在生活中的拓展与应用有更全面和更系统的综合认知.

2 “综合式”探究教学主题

“综合式”探究主题是围绕某一初始主题进行探究，通过同质现象的迁移和发散，开展与核心主题相关的系列探究.相较于“递进式”探究主题，初始主题与相关主题之间虽有一定相关，但相对独立，不存在逻辑上的先后顺序与递进关系.初始主题与相关主题之间通过不断扩展形成“综合式”探究主题的科学认知和探索.相关主题可根据学生探究问题和深度学习的需要进行增减，而且相关主题之间无需特别地组合排列，但它要求对初始探究主题和相关主题的科学认知不断的发展和超越，形成对核心主题的科学认知.下面是“综合式”探究教学主题类型的演化过程（如图5）.

图5

这类探究教学主题设计的特点是探究过程始于物理学科中某个“概念或规律”或“原理”.随着探究活动的深入，师生不断将“初始主题”的认知进行延伸和扩展，以期对“相关主题”更全面、深入的理解.故要求学生具有较高的发散思维和较广的学科视野，能将不同情境下甚至不同学科的知识、方法进行广泛的迁移和关联，因而能够有效培养学生的猜想与假设、科学推理等逻辑思维能力.

例如，教师设置探究的核心主题为：“双金属片温控器工作原理的探究”.首先，教师根据日常观察抛出初始主题：“玻璃纸卷曲的探究（如图6）”.并演示实验现象让学生仔细观察.其次，围绕初始主题激发学生提出问题：为什么将玻璃纸置于手掌心，过一会儿就发生了卷曲？若将玻璃纸翻过来放在手掌心，也同样卷曲？第三，学生提出系列猜想：（1）是否与掌心和周围温度差有关？（2）是否与手掌上的湿气（湿度）有关？（3）是否与玻璃纸和手掌处的空气间隙有关；（4）是否与其材料质地有关；（5）是否与其材料特性有关等.第四，开展探究过程.给学生提供简易器材和工具设计系列实验方案和收集实验结果，如不同材质、形状和大小的玻璃纸、不同口径的烧杯、冷（开）水、湿度计、温度计、铁夹等.第五，学生通过实验探究和查阅资料发现关键证据：“玻璃纸是一种是以棉桨、木桨等天然纤维为原料，其分子链存在着一种奇妙的微透气性，可以让商品象鸡蛋透过蛋皮上的微孔一样进行呼吸.”.第六，获得科学解释——由于玻璃纸的材料特性，贴在手掌的一面与背着手掌的一面存在着温度差，导致两个面的膨胀弯曲程度程度不一样，所以产生卷曲现象.

图6

结合生活经历和日常观察，学生引发相关主题：“为什么图书室的期刊封面也会有卷曲现象？（如图7）”.围绕相关主题开展同样类似的科学探究过程并认识到：由于纸张朝阳的一面与不朝阳的另一面受热程度不一，纸张两面存在温度差而导致卷曲这一科学解释.

图7

探究继续发酵.学生继续提出相关主题：“为什么冬天枯萎的落叶都是卷曲的？（如图8）”.引发学生围绕相关主题开展同样类似的科学探究过程并得到：由于树叶两面的向光程度不一样，朝阳的一面与背光的一面存在温度差而导致产生卷曲这一科学解释.

图8

学生再次提出相关主题：“为什么烈日炎炎的干旱夏天，平整过的农田土壤表面为什么会开裂？（如图9）”.继续围绕相关主题开展同样类似的探究过程并发现：由于土壤两面的向光程度不一样，朝阳的上层土壤面与背光的下层土壤面存在很大的温度差而导致产生裂开这一科学解释.

图9

系列问题的探究已经起到“一石激起千层浪”的教学效果.学生通过仔细观察和自主延伸诸如：“睡莲为什 么 向 外 卷？”（如 图10）”、“花生叶为什么向内卷？”、“捕蝇草为什么时开、时闭？”、“枯萎的松果为什么如此散开？”、“含羞草为什么含羞？、“冰瓷的裂纹是如何产生的？（如图11）”等系列相关探究主题.

图10

图11

教师对上述相关探究进行综合梳理提出核心主题：“双金属片的工作原理？（如图12、13、14）”继续围绕核心主题开展同样类似的科学探究过程并得到：抓住上、下两种金属片是两种不同的材料特性这一关键证据，由于它们的膨胀系数不一样，在一定的温差下将导致其中某片金属膨胀弯曲而断开或导通电路这一科学解释.

图12

图13

图14

通过卷曲的玻璃纸、期刊封面、落叶、干裂的土壤、冰瓷的裂纹等系列探究，让学生认识到这是一个神奇的“世界”，那么多看似不同的现象却有着相似的科学原理.为能发现其中的奥秘而感到兴奋，由此产生了一种满足感和成就感，并形成强烈的探究动机和可持续的探究兴趣.

3 “分解式”探究教学主题

“分解式”探究主题是将某个“综合主题”分解为若干个相对具体和明确的“分主题”探究.它可能涉及跨年级甚至跨学科的知识，难度和综合性较高.为了完成这一探究任务，需要将主题分解和细化.综合主题与分主题之间有一定的逻辑关系，但综合主题与分主题之间各自的关系却是相对独立的.其具体涉及如下两个方面：一方面将“综合主题”进行拆分，分解为几个具体的“分主题”探究活动；另一方面，对每一个“分主题”形成明确的物理探究问题，并最终形成对“综合主题”比较全面、深入和系统的科学认知.下面是“分解式”探究教学主题类型的演化过程（如图15）.

图15

这类探究教学主题可以让学生以小组合作探究形式从中自由选择“分主题”.在开发这类教学主题时，需要注意这些探究活动层次的内在联系，让学生认识到更复杂的物理问题可以通过分解为多个具体的内容探究，有些需要通过学生之间的协力合作才能完成.这样可以让学生在不同层次的主题探究中，培养学生的综合、分析、演绎、推理等逻辑思维能力，还可以让学生充分理解科学探究合作的重要性.

例如，教师组织学生进行“静电演示疑难实验”综合探究.首先，教师提出任务驱动：“设法让验电器带上静电”（如图16）.并分别给学生提供玻璃棒、橡胶棒、丝绸、毛皮等起电器材以及低压情况下常见的木筷、硬纸板、蜡烛、电线、泡沫等绝缘材料.其次，学生利用上述器材分别开展分组实验探究，并设法使验电器带上电荷.系列实验和反复操作后，部分学生成功的让验电器带上电荷，但大多数没能成功.第三，教师提问：“为何验电器难以带上电？”，引导学生围绕电荷的产生过程、保持（不漏电）过程、转移过程、转移是否成功等过程进行实验和探讨.学生基于实验探究过程归纳出“摩擦如何起电？”、“摩擦起电后的漏电问题？”、“玻璃棒如何将静电荷转移？”“验电器是否能验电”等几个分主题.结合上述存在的疑难问题，师生讨论将“静电演示疑难实验探究”综合主题分解为“静电特点及其漏电原因探究”、“摩擦起电的机理和方法”、“静电荷转移的探究”、“验电仪器结构、原理的探究”几个分主题.

图16

在分主题“摩擦起电的机理和方法”的探究教学中，首先，教师提问：“摩擦起电的机理是什么？”.虽然课本中提到“摩擦起电是由于得失电子而产生”，但这样的解释对于学生而言仍然是“一头雾水”！这里的关键问题是摩擦过程涉及电子如何转移？第二，学生围绕这一问题展开思考与探究.有学生运用横向迁移的方法认为是摩擦生热导致温度升高了，所以电子就容易跑出来……；有学生查阅资料发现“摩擦带电是一种接触带电，它是由于不同物质的脱出功不同，在紧密接触时，外层电子轨道相互重叠，导致物体间电子的转移，玻璃棒因失去电子而带上正电荷”.因此只有紧密的挤压摩擦时，才可能使电子轨道重叠，从而使电子从一个物体（某种材料）转移到另一个物体（另一种材料）.第三，了解到“摩擦带电是一种接触带电”这一科学本质的关键，学生继续开展实验，发现在不太容易起电时，在同等条件下，若把玻璃棒压紧摩擦后效果确实不错.第四，基于上述的实验，学生认识到在摩擦时需要注意某种材料和某种材料之间摩擦才能起电，至于哪两种材料之间摩擦才最有效，离不开实验的探究.第五，教师总结.只有了解“摩擦起电”的机理，才能从源头上掌握“摩擦起电”正确的实验操作方法，从而提高实验的成功率.

类似的通过对“摩擦起电的机理和方法”、“静电荷转移的探究”、“验电仪器结构、原理的探究”等系列分主题的深入探究与实践，对静电疑难实验的科学原理、影响因素、实验环境、实验方法及仪器结构等有了更系统的科学认识，让学生系统掌握静电疑难实验在具体环境和具体情境下问题解决的方法和实验操作.

4 结语

在日常教学中，探究主题的选择要体现物理学科的特点，突出科学探究的过程和方法，以紧密联系物理与社会生活为出发点，精选智力价值和教育价值较高的主题.探究教学主题的开发注重“以问题为驱动，以兴趣为导向、以学生为主体、以探究为核心，以创新为目标”，将探究主题开发成趣味性强、环环相扣、引人入深的探究过程，满足学生个性化、差异化和系统化的学习需求，有利于自主学习和深度学习的发生，从而提升学生的物理核心素养.