增量提质：在物理常态课堂中落实科学探究素养

张惠作

摘    要：落实科学探究素养需要“增量”和“提质”，但高中物理教材关于科学探究的渗透特点是明线少暗线多，因此教师必须对教材进行二度开发。教师可从课时数量上将科学探究的课堂样态划分为单课时样态和单元样态，以更精确地发现或挖掘教材暗线上的科学探究价值，开发更多的科学探究案例。然后，以此为基础，从夯实科学探究教学过程出发，以科学思维为中心，以学生为主体，提供充分的时间，保障科学探究的深度开展。

关键词：科学探究;课堂样态;物理教学

当前，以科学探究形式开展的教学仅限于教材中明确标明“探究”的内容，而且往往是走形式，缺乏深度体验。因此，落实科学探究素养需要“增量”和“提质”。“增量”就是增加科学探究的数量，让学生经历充分的科学探究过程;“提质”就是提高科学探究教学过程的实效，引领学生深度体验，避免走形式。高中物理教材虽然整体上是以探究的思路展开的[1]，然而其关于科学探究的渗透具有明线少暗线多的特点，且明线上粗枝大叶，暗线上形散意不散，因此教师必须对教材进行二度开发。下面，笔者重点谈两个策略。第一个是“增量”，即认识科学探究的课堂样态，从教材暗线上开发更多的科学探究案例。第二个是“提质”，即夯实科学探究教学过程，提升实效，避免走形式。

一、增量：认识科学探究的课堂样态

从课时数量上，笔者将科学探究的课堂样态划分为单课时样态和单元样态。认识科学探究的课堂样态，就能发现或挖掘教材暗线上的科学探究价值，开发更多的科学探究案例。

（一）單课时样态

科学探究的单课时样态就是在1个课时以内呈现完整的或主要的科学探究要素（问题、证据、解释和交流），适合的教学内容有两类：物理学史类和采集证据容易（耗时少）类。

1.物理学史类

不少物理学史教学内容，比较完整地介绍科学家的科学探究过程，使学生体验科学探究的主要要素，了解科学探究的大致程序，习得科学探究的形式。例如，伽利略对自由落体运动的研究。伽利略首先通过逻辑推理对亚里士多德的观点提出质疑并发现问题，再通过推理判断轻重物体下落一样快，然后通过比萨斜塔实验验证。在此基础上进一步提出新问题：自由落体运动的性质及其规律是什么？最后设计实验并结合逻辑推理，探究自由落体的规律。又如，伽利略对运动原因的研究，牛顿发现万有引力定律的思路，原子结构模型的探究等，都可以在1个课时内呈现完整的探究要素及基本的探究流程。

2.采集证据容易类

哪些教学内容的科学探究采集证据容易呢？一是理论探究，证据是理论证据;二是简单的实验探究，证据主要通过教师演示实验获得。

【案例1】功的计算公式科学探究

运用具体情境，复习初中功的计算。在此基础上，呈现新情境（图略）。提出任务：请计算F的功。

任务导引：（1）完成此任务所面临的困难是什么？把它描述成一个有待解决的问题;（2）回顾初中所学功的知识，联系高中相关知识，找到解决问题的证据;（3）运用证据，通过推理得出结果，并作出解释;（4）先独立思考3分钟，然后相互交流讨论3分钟，完成任务限时6分钟。

学生由初中已经掌握的两种特殊情形的功的计算，联想并运用高中所学力的分解或位移分解这一理论证据，再通过推理解决问题，完成任务。

【案例2】弹力产生条件实验探究

第一步：观察和体验三个明显形变的弹力相互作用的实例，归纳出弹力产生条件。第二步：呈现微小形变的实例，生成问题“形变是否是必要条件”。第三步：假设此条件仍适用新实例，设计微小形变放大实验验证。这个实验主要由教师设计并准备好，课堂上主要由教师演示。

以上两个案例所用时间都小于1个课时，却能将科学探究的主要要素都体现出来。

（二）单元样态

采集证据耗时较长的教学内容，如以学生为主做实验并收集证据，单课时就不能呈现完整的科学探究要素，需要从单元视角，以科学探究为主题，将多课时教学内容统整为一个单元，从整体上把握各个课时体现的要素。需要注意的是，多个课时必须各有侧重且密切联系，以形成完整的科学探究学习历程。这就是科学探究的单元样态，它一方面要避免无视科学探究，一方面要避免一节课只顾要素形式而忽视过程实质，其主旨在于既将科学探究要素各个击破、深度落实，又从整体上体验领会科学探究之形。

【案例3】匀变速运动规律探究

从单元视角看，人教版普通高中教科书《物理》（以下简称“新教材”）必修第一册第二章把对匀变速运动规律的探究分成3节课。第1节是“实验：探究小车速度随时间变化的规律”，第2节是“匀变速直线运动的速度与时间的关系”，第3节是“匀变速直线运动的位移与时间的关系”，这3节合起来构成了对匀变速直线运动规律的完整的科学探究过程。第1节完成问题和证据要素，第2节和第3节完成解释与交流要素。第1节的实验，其实就是第2节和第3节的实践情境，基于实验数据所作的速度图像就是第2节和第3节的教学情境。

二、提质：夯实科学探究的教学过程

笔者主要探讨从以下三个方面呈现夯实科学探究的教学过程。

首先，科学探究过程要以科学思维为中心。科学探究的主要要素包括问题、证据、解释和交流，无论哪一种要素，都离不开科学思维的支撑。科学思维缺席的科学探究，就是徒有其形而无其实，就是花拳绣腿。科学探究是人类认识事物的战略性思维方法，科学思维是人类认识事物的战术性思维方法，二者密切融合能够汇聚为强大的思考力。夯实科学探究过程，要以科学探究要素流程布局，以科学思维为中心，按照科学思维的内在逻辑展开探究过程。

其次，科学探究过程要以学生为主体。教师要以学生的认知基础和规律为出发点和线索，分解教学活动任务，把握教学节奏，推进教学过程，引导学生运用科学思维自主提出问题、寻找证据，自主运用证据进行解释并积极交流。

再次，科学探究过程要有充分的时间保障。许多科学探究的内容往往很多，但在课堂教学实践中由于时间不够用，导致不少要素没有让学生展开。学生缺乏进行科学思维的时间，只能由教师领着快速完成探究程序。这种科学探究设计，只能使课堂实践流于形式。好的科学探究过程设计必须：一要有充分的时间保障;二要找准重难点，把时间多配置于重难点上，非重难点则能舍则舍，要做到容量合理、重难点突出、教学关系处理适切，避免捡芝麻丢西瓜。

下面，笔者以新教材必修第二册第八章第4节《机械能守恒定律》的教学为例说明。

（一）突出重点保障科学探究时间充分

新教材中该节的教学逻辑是：从伽利略斜面实验讨论开始，在实验过程中分析变化量与不变量，在此基础上讨论动能和重力势能的相互转化，然后推理出机械能守恒定律，将推理过程和对机械能守恒条件的深入理解结合起来。

从该内容的部分公开课可见，有的执教者会把验证机械能守恒的实验也设计进来。

新教材的教学逻辑和公开课的教学逻辑存在教学重点不突出的问题，这会导致作为重点内容的科学探究教学，没有充分的时间去落实。

1.从单元视角把握课型定准重点

第八章标题与第4节标题完全一样，都是“机械能守恒定律”。第八章共包括5节内容，笔者认为可划分为3个小单元，围绕3个小主题。第1节“功与功率”为第一单元，主题是掌握定量认识能量的工具;第2节“重力势能”和第3节“动能和动能定理”两节为第二单元，主题是根据功定量认识重力势能和动能及两个重要的功能关系;第4节“机械能守恒定律”和第5节“实验：验证机械能守恒定律”两节为第三单元，主题是运用逻辑和实验结合的物理学方法，通过理论探究和实验验证相结合，从能量角度总体上把握机械运动的规律。

第三单元的教学建议用4个课时，第4、5节各2个课时。第4节定性为理论探究机械能守恒定律;第5节是通过实验对前一节理論探究的结论进行验证，定性为实验探究。两节联袂，体现了逻辑推理与实验相结合的物理方法。再把第4节的2个课时划分为第1课时新授课和第2课时习题课。第1课时新授课定性为理性课，即通过理论探究的学习形式，以及分析综合、推理论证等科学思维过程，建立机械能概念和守恒定律。重难点是理解机械能概念以及机械能守恒定律的守恒条件和内涵。第一课时新授课的教学，部分公开课还设计了验证实验，这是缺乏从单元视角进行整体把握的表现，所谓贪多嚼不烂，把第5节实验课的内容前移，会使这节理性课的理性思考时间减少，难以保证理性思考的深度展开，让学习流于浅层，无法突出重点、突破难点。

2.合情合理处置非重点内容以突出重点

“追寻守恒量”在普通高中课程标准实验教科书《物理》（以下简称“旧教材”）中被单独编写为一节，安排在整章之首;新教材删去这一节，把部分内容并入第4节，安排在节首。对此，教材编写者作了下述解释。

旧教材将“追寻守恒量”放到了具体的概念如重力势能、弹性势能、动能之前，即从追寻守恒量出发引出能量概念，把守恒思想的渗透贯穿于能量学习的全过程。通过调查发现，这种写法尽管立意很高，得到了一些老师的认同，但也有很多老师由于课时等原因，并没有单独安排这节课的教学，因此并没有达成预期的效果。从方便教师开展教学的角度，新教材没有把“追寻守恒量”单独编为一节，而是放在第 4 节“机械能守恒定律”当中。[2]

笔者认为，没有达成预期效果的根本原因是不合情理。能量概念的建立和守恒思想的形成是人类历史上众多智者经历了漫长的接力，于探索真理的过程中逐步形成的，欲使芸芸众生在1个课时的时间内自主体悟、深度体验，根本不可能。这部分内容属于物理学史，旨在将物理学家的思想观念显性地传授给学生，要么学生自己阅读，要么教师介绍，而学生自己阅读的效果并不比教师讲授差。因此，“追寻守恒量”适宜安排在课外，让学生阅读。如此，我们就可把时间配置到引导学生自主探究机械能概念及其发现守恒的过程，确保有充分的时间保障重点知识的深度学习发生。

（二）以学生为主体、以科学思维为中心，设计科学探究过程

明确和突出重点之后，笔者先以科学探究要素流程布局，以科学思维为中心，按照科学思维的内在逻辑展开探究过程，然后以学生的认知基础和认知规律为出发点和线索分解教学活动任务，把握教学节奏推进教学过程，以体现学生的主体作用。

【案例4】“机械能守恒定律”科学探究过程设计

1.导入设计

复习提问：重力势能变化与什么力的功密切相关，有什么关系？动能变化与什么力的功密切相关，有什么关系？

导入主题：今天这节课的任务是运用这些规律，进一步从能量角度分析机械运动，探索出新规律。

2.新课教学

任务1：请同学们观察摆球运动，分析动能和重力势能如何变化。（教师演示球摆动，学生观察思考问题）

任务2：请再分析球在自由下落过程中，动能和重力势能如何变化。（学生分析）

任务3：请你用成语概括出球在摆动和自由下落两种运动过程中，动能变化与重力势能变化的共同特征。对此，你有何猜想？请从能量角度提出一个定量研究的问题。

[特征：“此消彼长”。猜想：是不是相互转化了？问题：重力势能减少（或增加）量是否等于动能增加（或减少）量？假设：重力势能与动能相互转化，重力势能减少（或增加）量等于动能增加（或减少）量]

任务4：请同学们寻找证据，验证假设。（提示学生：证据一般可分为理论证据和实验证据，这节课要求大家回顾已学知识，从中寻找证据，至于设计实验方案、采集实验证据将放在后面的课时;先自主思考2分钟，然后相互交流讨论2分钟）

任务5：接下来，请以理论证据“动能定理”和“重力做功与重力势能变化的关系”，选择下列情境之一，进行推理，给出结论并解释。（教师呈现若干情境，学生选择推导，尝试给出结论并解释）

任务6：交流、评价（统一认识）。[结论1：只有重力做功，物体的动能和重力势能相互转化，动能的增加（或减少）量等于重力势能的减少（或增加）量。结论2：有阻力（其他力）做功，物体的动能和重力势能没有完全相互转化，动能的增加（或减少）量不等于重力势能的减少（或增加）量]

任务7：概念进阶，转换视角。请尝试建立一个“更大”的能量概念，并转换新的视角，换种说法把结论1描述出来。建构“机械能概念”，发现“守恒定律”。强调“条件”，点明“思想”。

新教材的教学逻辑是先渗透守恒思想，在这一思想支配下，建立机械能概念，然后再通过推理得出并理解机械能守恒定律。如此，学生对新知识的学习就建立在被动接受的观念上，建构的新知识和原有知识之间的联系不紧密。案例4根据意义建构学习理论，设计的探究起点是学生已学过的功能关系，由此引导学生运用已有知识对不同机械运动现象进行分析与综合、比较与概括等科学思考，自主提出能想得到的问题，逐步将问题延伸到守恒的高度和深度。[□][◢]

参考文献：

[1]张颖.以核心素养为统领的高中物理教材编写——2019版普通高中物理（人教版）教材介绍[J].基础教育课程，2020（11）：57-64.

[2]张颖.人教版《第八章   机械能守恒定律》编写说明[J].中学物理，2019（12）：2-5.