核心素养背景下创设情境的教学探究

黄珍燕 郑卫峰

摘   要：随着新一轮课改对高中物理教学提出的更高要求，情境教学成为一种趋势，如何寻找情境素材并进行教学设计成为教学实践重要一环。以人教版“万有引力与宇宙航行”单元为例，从教科书中的情境和生活实践中的情境寻找素材，以“行星为什么绕太阳运动”等问题为导向，创设探究性情境;利用信息化技术，创设虚拟的扭秤实验情境;扮演火箭设计者的角色，创设体验式的启发性情境等来设计教学，培养学生的核心素养。

关键词：情境教学;万有引力定律;核心素养

1  情境教学法的内涵与重要性

《普通高中物理课程标准（2017年版）》中提出教师要“在教学设计和教学实施过程中重视情境的创设”[ 1 ]。2019年《国务院办公厅关于新时代推进普通高中育人方式改革的指导意见》中也提出要积极探索基于情境、问题导向的互动式、启发式、探究式、体验式等课堂教学[ 2 ]。这都说明教师需重视通过情境教学培养学生的物理学科核心素养。

情境教学法是指教师在教学过程中根据学生的学习心理和学科特点，采用直观形象的教学手段，有目的地引入或创设与教学内容相适应的场境或氛围，在这种强烈的情感体验中激发学生的学习兴趣和积极性，进而达到提高教学质量、促进学生全面发展的教学模式[ 3 ]。本文以人教版必修2第七章“万有引力与宇宙航行”的单元为例，探讨情境教学中的情境素材来源和教学设计。

2  情境的素材来源

2.1  教科书中的情境素材来源

教科书中的情境素材常分为两种，一是教科书中的实验，另一种是物理学史。

教科书中的实验主要包括教师演示的实验和学生动手操作的实验。以实验为情境，回归到物理学科的本质，从实验中发现物理规律，激发学生求知欲，培养学生的科学探究能力。

物理学史中包含着物理学家们探索物理规律的过程中发生的事情和做过的实验。如在“行星的运动”这一节中，就可以着重介绍托勒密、哥白尼、第谷、开普勒等科学家对行星运动的探索过程，让学生感受科学本质，养成科学态度。而介绍从托勒密认为地球是宇宙的中心到哥白尼提出太阳才是宇宙的中心，则能体现科学知识的暂定性和创造性。再介绍开普勒花了十六年的时间利用第谷长达二十多年的肉眼观测得到的行星运动的数据结合数学知识，对行星的轨道是圆到椭圆的认识体现了严谨认真、实事求是和持之以恒的科学态度。这些物理学史内容都是重要的情境素材，可以激发学生探索科学和学习知识的兴趣。

2.2  生活实践中的情境素材来源

生活实践中的情境素材主要有三种，分别是大自然中的物理现象、与生产生活相联系的物理现象和一些科技前沿成果。物理学是一门观察现象、揭示本质的自然学科，以大自然中的物理现象如电闪雷鸣、彩虹的形成等为情境，通过研究这些现象背后的规律可以让人们进一步了解大自然、了解宇宙。如在“行星的运动”一节中，以星体运动为情境，带领学生跟随科学家们的脚步回溯星体运动规律的探究过程。

与生产生活相联系的物理现象主要是学生的生活经历。根据建构主义学习理论，利用与生产生活紧密联系的物理现象建立学习情境，学生更容易建立起学习新知识的心理状态。如在“万有引力定律”一节中，教师可以从“给牛顿带来灵感的苹果为什么会从树上掉落，而绕地球运动的月亮却不会”引出牛顿的猜想，引导学生进行月地检验。

另外，科技前沿成果是高考命题中常常出现的问题情境，比如中国天眼、北斗卫星导航系统、长征系列火箭等，所以教师在平常的教学中也要让学生了解最新的科技前沿成果，同时培养学生的爱国情感。如在“宇宙航行”这一节中，教师向学生介绍中国航天历史的发展和最新的科技成果，吸引学生的注意力。

3  创设物理情境的教学设计

知道情境素材的来源之后，下一步是如何进行情境創设。教师创设物理情境的目的是让学生更容易沉浸到学习的氛围当中，提高教学效果，有助于培养学生的核心素养。而学科核心素养的培养需要通过学生的学习活动来实现，这就意味着教学活动的设计组织将成为学生素养培养落实的关键环节[ 4 ]。因此教师需在进行物理情境的创设时，考虑如何组织学生的学习活动，并进一步分析该活动如何帮助学生构建物理观念、形成科学思维、进行科学探究、培养科学态度与责任。

基于以上分析思路，以“万有引力与宇宙航行”一章为例，列出如图1的情境设计框架图。万有引力的发现过程蕴含着丰富的科学本质教育因素[ 5 ]，图1从行星绕太阳运动的视频、虚拟卡文迪许扭秤实验、天问一号探测器发射视频三个例子设计教学情境，达到发展学生的科学态度与责任素养的教学目的。如在图1中，用行星绕太阳运动的视频创设情境，进行“万有引力定律”这节教学设计，让学生在进行万有引力定律推导的学习活动中，运用模型建构形成更完善的运动与相互作用观念，从而对“行星为什么绕太阳运动”等问题进行科学探究，进一步提高对科学本质的理解。下面是根据图1依次创设问题导向的、信息化实验的和体验式情境的教学设计。

3.1  以“行星为什么绕太阳运动”等问题为导向，创设探究性情境

问题是科学研究的出发点，是开启科学思维的钥匙[ 6 ]。因此创设问题导向的探究性情境有助于促进学生核心素养发展。以“万有引力定律”一节为例，引导学生推导出万有引力定律是这节课的重点。根据情境设计框架，教师可用行星绕太阳运动的视频创设情境，设计出行星绕太阳运动的系列问题（如图2）。以问题“行星为什么会绕着太阳运动？”为导向，让学生跟随物理学家们的脚步，从“行星受到太阳的引力大小与什么因素有关？”到“行星绕太阳做什么运动？”，追根溯源，知道“行星绕太阳运动的向心力谁提供的？”，逆向思考“行星对太阳是否也有引力作用？”，总结出太阳与行星间的引力F=G。接着验证牛顿的猜想“地球对苹果的力与地球对月球的力是同一性质的力？”，将天地统一，得出万有引力定律。

在推导万有引力定律的过程中，需要建构行星运动模型，而模型建构的关键就是从实际问题情境中忽略其他次要因素，抓取主要因素从而构建模型。行星运动模型的关键在于如何将行星运动简化成匀速圆周运动。教师可以引导学生利用椭圆和圆的偏心率分别是0.3和0，而八大行星的偏心率（如表1）均小于0.3，从而可以将椭圆轨道近似看成圆轨道。又由开普勒第二定律知道行星运动是匀速率运动，从而构建行星绕太阳做匀速圆周运动的模型。

教师以一系列问题为导向，创设探究性情境，步步引导学生进行科学探究。课堂中重点探究核心问题而不是直接传授结论，基于探究天性，学生自然能像科学家那样以理论内部一致和理论与事实相符为准则进行不断的探索、检验和修正，直至得到合理的结论[ 7 ]。

3.2  利用信息化技术，创设虚拟的扭秤实验情境

物理是一门以实验为基础的学科，实验在物理教学中是必不可少。在传统的物理教学中，由于场地受限、仪器有限等客观因素的影响，很多实验教师都无法演示或者让学生动手做。随着信息技术的发展，多媒体引入课堂已经成为一种趋势，现在的物理实验除了通过常态的视频播放，还可以通过手机Phyphox、仿真物理实验室等软件让学生在课后自己动手做或者是教师在课堂上实时操作。因此创设信息化的实验情境是促进学生实验能力和核心素养发展的重要方法之一。

以NB虚拟实验室中的卡文迪许扭秤实验为例（如图3），根据情境设计框架，教师在课堂上演示虚拟的卡文迪许扭秤实验，让学生在虚拟实验的活动中，观察因钢球的引力作用而扭转的镜子反射的红色激光在直尺上移动的现象，对实验现象进行解释，了解卡文迪许是利用微小量放大法的思想进行扭秤实验，提高科学推理能力，对万有引力定律有进一步了解。

3.3  扮演火箭设计者的角色，创设体验式的启发性情境

《论语》有言：“不愤不启，不悱不发”。启发性原则在教学中有不可替代的重要地位。而对于学生而言，如在课上举行小型辩论赛、实地参观、角色扮演等体验式的教学情境更能抓住他们的目光，所以创设启发性的体验式情境也是物理情境教学的重要方法之一。

以“宇宙航行”一节为例，根据情境设计框架，教师通过展示中国长征五号遥四运载火箭搭载天问一号探测器发射升空（如图4）的视频，创设体验式的启发性情境，让学生扮演火箭的设计者，启发学生思考“天问一号探测器至少要以多大的速度发射？这个速度有最大值吗？如果探测器偏离了预定轨道I（如图5），要怎么修正？”，让学生在讨论发射速度与变轨问题的活动中，利用科学推理能力，基于证据给出自己的观点“发射速度要大于环绕地球运动的第一宇宙速度，但要小于第二宇宙速度。当探测器偏离轨道I，要回到高轨道II，在P点要做离心运动，探测器点火加速;当探测器在轨道III要往轨道II运行时，在Q点要做向心运动，探测器刹车减速”，培养发展国家科技的社会责任感和科学推理能力。

4  结束语

情境教学是促进学生物理核心素养发展的教学模式之一，创设问题导向的、信息化实验的、体验式的情境有利于教学。但是在注重真实情境的同时，不能本末倒置，为了情境而设置情境，反而阻碍教学的进行。情境是教学设计的一部分，教师要引导学生自然而然地进入问题情境。情境不能突兀，需要渲染，渲染符合该情境的氛围，让学生能够身临其境，投入其中[ 8 ]。总之，教师应当多创设恰当的物理情境进行教学，促进学生核心素养更好地发展。

参考文献：

[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，2018.

[2] 国务院办公厅. 国务院办公厅关于新时代推进普通高中育人方式改革的指导意见[J]. 中华人民共和国国务院公报，2019（18）：35-39.

[3] 赵慧杰，苏玉成. 物理情境教学法的理论与实践探究[J]. 教学与管理，2015（30）：105-107.

[4] 段才盛. 基于物理核心素養提升的深度教学思考与实践——以“气体实验定律：查理定律”为例[J]. 中学物理教学参考，2021，50（9）：1-3.

[5] 姜晓民. 教材中物理学史的呈现引发的教学思考——“万有引力与宇宙航行”教学建议[J]. 中学物理教学参考，2020，49（18）：16-17.

[6] 刘娜，邓靖武.核心素养背景下真实情境的高中物理课堂教学策略[J].物理教学，2020，42（10）：6-9.

[7]林辉庆，蔡铁权. 从核心问题的探究中发展学生科学思维——以“万有引力定律”教学为例[J]. 物理教学探讨，2020，38（12）：11-15，23.

[8] 李吉林. “情境教育”的探索与思考[J]. 教育研究，1994（1）：51-58.

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