核心素养导向下“一堂好的物理课”的探讨

王素云 张 鹉

（1.福建师范大学物理与能源学院，福建 福州 350108；2.晋江市侨声中学，福建 晋江 362271）

教育的核心使命是帮助人们学习。学习科学提出，教师是在学习过程中指导学生认知加工并促进学习者的知识建构。这一整个过程发生在学习者的认知系统中，其关键特征是认知加工的容量是有限的。美国当代著名教育心理学家梅耶博士（2009）在《应用学习科学》中提出，教学最大的挑战是既要保证学习者进行适当的认知加工，又要避免这种加工不会使得认知负荷超载［1］。一堂好的物理课既要充分激发学生进行认知加工，又需要教师通过精心设计的科学方法与手段，帮助学生调节基础认知加工，促进学生有更多的认知资源投入到高阶认知演算，从而避免认知负荷超载。

本研究以《学科学习》和《全日制普通高中物理课程标准（2017 年版2020 修订）》（以下简称“《课程标准》”）为科学依据，谈谈一堂好的物理课的基本特点。

一、核心素养导向下“一堂好的物理课”的内涵

《标准》明确提出，在学习活动中，学生是学习活动的主体，教师在教学中起主导的作用。本研究据此认为一堂好的物理课应该从学生和教师的双边视角出发进行研究。从学生的角度出发，一堂物理好课必然是学生学有所得，包括得思维、得方法、得能力。学科核心素养是学科育人价值的集中体现，是学生通过学科学习而逐步形成的正确价值观念、必备品格和关键能力。物理学科核心素养主要包括物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任。得思维即对应于科学思维；得能力则包括了物理观念以及科学探究；在物理学科知识的推演、研究、建构中，教师将内隐的研究方法、学科思想，以显性化的手段，传达给学生，并帮助学生主动迁移到不同学科中进行应用。该部分内容的挖掘往往植根于对物理知识体系的追根溯源、对科学史、物理史实的深度研究。因此，在科学态度与责任中，隐含了相关的重要科学研究能力，文章将其对标得方法。

从教师的角度出发，教师所做的一切教学行为，其目的是为了促进学生的认知加工。因此，教学过程中，教师依据学生的学情出发，在深度钻研教材的基础上，选择合适的教学方法与策略，助力于学生养成科学的思维范式，获得相关的科学知识与研究方法。例如，伽利略提出的探索物理规律的方法是“发现问题—大胆猜想—设计实验方案—实验探究—理论验证”，是中学物理教学阶段的典型研究方法。

由于教学活动是师与生双边互动的结果，因此，一堂好的物理课还应该从师生互动的关系和结果中去研究。师生的良好互动关系，一方面，其体现在师与生的思维是互助的，即课堂的生成是师生相互启发、相互促进、共同思考的过程。另一方面，教学中需要引导学生养成专家型的科学思维范式。这需要借助于“思维可视化”工具。通过思维可视化手段，教师可以将大脑中看不见、摸不着的思考路径，以显性化和生动化的视觉表征形式，传到给学生，从而做到师与生的思维路径高度“同频共振”。

基于以上论据，本研究提出核心观点：“一堂好的物理课”是学生“学有所得”，教师“教学得法”，师生“互助有效”的课堂。

二、“一堂好的物理课”的教学主张与实施策略

在心理学中，根据思维任务的性质、内容和解决问题的方法不同，将思维分为实践思维、形象思维和抽象思维。实践思维是指以实际动作为支柱的思维；形象思维是指以事物的具体形象和表象为支柱的思维；抽象思维则是以概念、判断、推理等形式进行的思维。

陈祖标老师在《中学物理之“难”：溯源、探微、建模与主张》一文中，根据物理学科的三阶思维特性出发，提出了具物化、具象化、数形化教学主张。所谓具物化教学主张，即为学生构建出具体可感知的实物或实景，帮助学生在观察和实验中，真实感知“物”之运动变化过程及规律；具象化教学主张，即利用可视化表征手段，将物理概念、规律间的逻辑关联与思维路径，转化为具象化的图形表达的教学方法的总和；数形化教学主张，即巧用“以形助数”或“以数解形”的两种方式，将原本需要通过抽象思维解决的问题，借助形象思维协同巧妙解决。［2］

基于具物化、具象化、数形化的教学主张，本研究进一步结合梅耶博士提出的学习科学的建议，依据物理学科独特的思维特性，提出了具物化、具象化、数形化教学主张下的具体教学实施策略。在具物化教学主张下，提出了时间同步、空间互嵌、提前预告、情境浸入、指导发现、技术辅助、前置问题、后置练习、突出重点的教学策略；在具象化教学主张下，提出图文并茂、切块呈现、建立关联、聚焦要义、绘图表、联系词、分标题、总概括的教学策略；在数形化教学主张下，提出样例引导、情感融入、分步练习、主动验证、自我释义、质疑反思、精细加工、类比学习、学以致用的教学策略。图1 展示了“一堂好的物理课”的教学主张与实施策略。这为一堂物理好课的实施，提供了明确的指引。

图1 教学实施的模型建构

三、“一堂好的物理课”的实践

（一）“一堂好的物理课”是学生“学有所得”

1.得物理思维

《课程标准》明确提出，科学思维是学科核心素养的要素之一。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物理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的具体运用；是基于事实证据和科学推理对不同观点提出质疑和批判，进行检验和修正，提出创造性见解的能力与品格。科学思维包括了模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素。一线的物理教学，有时过于强调重视物理概念、物理规律、物理实验的结论，而对于知识的形成过程。如物理概念的来源、物理概念引入的必要性、物理概念建立的思维过程等，重视程度不够。

在爱因斯坦所著的《物理学的进化》一书中给出了物理教学良好的启示，书中强调了要重视建立物理概念的缘由。以物体的运动为例：“有一个基本问题，几千年来都因太复杂而含糊不清，那就是运动的问题。”以最简单的匀速直线运动为例，在绝对平滑的道路上的小车，在理想实验中，运动的均匀性是由于没有任何外力。现在设想有人把这辆车朝它运动的方向推一下，很明显，它的速率会增大；反之，小车的速率会减小，由此得出一个结论，就是外力的作用改变了速度。因此，速度本身不是推和拉的结果，而速度的改变才是其结果［3］。”——这里的叙述，明确地给出了加速度概念建立的科学背景和缘由。

2.得物理方法

我国的科学教育，长期以来一直存在着重科学知识、忽略科学方法教育的弊端。邢红军教授提出，科学方法具有重要的导源功能、突破功能、中介功能以及建构功能。他还指出，为了使学生掌握科学方法，在科学教育中，必须创设良好的认知情境，让学生主动地观察、讨论、思考、实验，并对学生的探索进行指导，使学生沿着科学的思路与方法去探索，从而在不知不觉之中掌握其中所运用的科学方法［4］。

伽利略在探索自然界中，所运用的科学思维方法在中学物理教育中具有重要的意义。爱因斯坦在《物理学的进化》一书中说到，“伽利略最大的贡献就是在于毁灭直觉的观点”。伽利略探索物理规律的方法是“发现问题—猜想—设计实验方案—实验探究—理论验证”的系列过程。

例如，在匀变速直线运动规律的学习中，引导学生经历伽利略的五部探究法，这样的教学过程为学生展现了研究的方法与逻辑，学生循着科学思维路径逐步深入思考，在学生的大脑里留下深刻印象，可以扎实提高和培养学生的科学思维能力。

3.得能力

一个人的能力是通过一系列的锻炼培养起来的，一个高素质的人一定是一个有较强能力的人。人的能力体现在学习生活的方方面面。如对事物的观察能力、分析判断能力、解决处理能力等，这些能力都可以在物理教学的过程中进行培养。物理学科《普通高等学校招生考试的考纲》明确提出，重点考查学生的五大能力：即理解能力、推理能力、分析综合能力、应用数学处理物理问题的能力及实验能力。

（二）“一堂好的物理课”是教师“教学得法”

有人说教育是一门科学，又有人说教育是一门艺术，好的教育是将科学与艺术有机结合，并能做到恰到好处。针对物理教学而言，本研究认为“一堂好的物理课”应突出物理学科特征，帮助学生掌握显性化的物理研究思想与方法。

例如，对于伽利略提出的探索物理规律的方法：“发现问题—大胆猜想—设计实验方案—实验探究—理论验证”，是中学物理教学阶段，学生需重点掌握的科学方法。下面以“带电粒子在电场中的运动”这一节教学内容为例来分析：

1.由问题到猜想，激发潜能

一是直面问题，激发兴趣。教师提问学生“如何判定物体的运动状态？”引导学生分析并得出，可以通过物体的受力情况及物体的初速度来判定。接下来，直接引入正题：若只受电场力作用，带电粒子在电场中可以做何种运动？

二是大胆猜想，鼓励质疑。教学的第一阶段：若只受电场力作用，带电粒子在电场中可的运动分析：

a.匀速直线运动——不可以，始终有受到电场力作用；

b.匀变速直线运动——可以，举例说明并强调动能定理的应用，如图2；

图2

c.匀变速曲线运动——可以，其本质为类平抛，如图3；

图3

d.变加速运动——01 可以，如电子在异种电荷电场间的运动、匀速圆周运动等，如图4、图5。

图4

图5

教学的第二阶段：如果已知电子在某个电场中的运动情况，能否知道该电场的性质呢？例如，若想知道图6 中加在两极板间的电压，让学生猜想需要采用图2 中的匀加速运动的方法，还是用图3 中的类平抛运动的方法好？

a.分析：如果用图2 中的匀加速运动的方法来测两极板间的电压，则必须测电子的运动速度（见图2的原理）。

b.若采用图3 中，类平抛运动的方法则可以通过测量极板间的距离来实现，且方法更简单。

图6

2.设计解决办法，培养创新精神

利用类平抛的方法可以完成用已知电子在电场中的运动测量极板间的电压。这就是“示波管”的来历和作用。利用上述图6 的装置，人们只需要知道电子打在屏幕上的位置，便可得出偏转电场所加的电压。U随时间t变化，若要在荧光屏上显示出U-t图线，则需让横轴表示时间轴。时间是均匀流逝的，即亮点在横轴上的运动应为匀速运动，因而水平偏转电场上所加电压随时间应均匀变化。故对图6 进行改造，就可得到需要的测量设备——示波管，如图7。

图7

3.理论验证，培养逻辑思维

问题一：如果偏转电场所加的电压为变化的电压，当偏转电压为正弦交变电压时，在荧光屏上看到的亮点是怎样的？能通过y得出电压U吗？

实验结论：y∝U，则看到亮点在上下振动，通过y得不到电压U的数值。电压的周期太短（0.02s），亮点虽在振动，但看到的是一条亮线（视觉暂留）。

问题二：是否可以在荧光屏上直接显示出偏转电压U的变化情况？

U随时间t变化，若要在荧光屏上显示出U-t图线，则需让横轴能表示时间轴，因此需再加一个让电子水平偏转的电场。时间是均匀流逝的，即亮点在横轴上的运动应为匀速运动，因而水平偏转电场上所加电压随时间应均匀变化。其中Uxx'所加电压随时间均匀变化，如图8。

图8

（三）“一堂好的物理课”是师生“互助有效”

好的物理课堂应该是让师生互有收获。师生的“互助有效”应体现在两个方面。一方面，是实现“思维的互助”。思维互助不是“互动”，它是相互启发、相互促进、共同思考的过程。另一方面，是让“思维可视化”。课堂教学最无效的表现就是学生不知道“老师为何会这样想？”，而教师也不知道“学生究竟是怎么想的？”因为每个人的思维过程是在一个人的脑子里面，是看不见的。如果两个人的思维过程可以“相互可见”，教师就容易知道“原来他是这么想问题的”“他的思维与我的思维不同点在这里”“他的思维原来在这里出现了问题”等。如果思维可视化的问题解决了，物理教学就有可能实现有效甚至是高效的结果。本研究团队在多年的实际教学中用到了“思维具象图”的方法，让“思维可视化”。

教师的备课和课堂教学，以“具象思维图”贯穿始终，按一定的教学逻辑拓展知识。当授课结束时，呈现在学生眼前的是一幅本节课完整的知识“具象图”。这样的教学知识点明晰、内容突出、关联性强、直观易记。“具象思维图”还可作为学生的笔记方式和思考的思维模式，帮助学生提炼物理知识，锻炼其分析、综合、类比、归纳的科学思维能力。如在选修3-5《动量与冲量》的教学中，鼓励学生根据知识逻辑，绘制一份属于自己的“具象图”，见图9。通过思维可视化的视觉表征方式，教师可以获知学生的隐性思考模式，及时评价学习结果。

图9

四、总结

“一堂好的物理课”，需要能通过教学的过程体现出物理学科的核心素养。例如，从“物理观念”的形成，即为什么——包括了对经典物理学和现代物理学中对于物质构成的理解、对物理运动规律的看法、对基本相互作用的认识及对能量的看法等，到“物理思维”，即是什么——包括了逻辑思维、抽象化处理问题的模型建构、批判性思考、独立思考和拓展人类对世界的认识所必需的创新思维方式等内容，再到“实验探究”，即怎么做——包括了如何提出问题和发现问题，如何找到实验证据，如何运用物理学的理论来解释自然现象，最后达成了“科学态度与责任”，即做什么——包括了学生应该学习和掌握的正确立场、观念、态度、伦理价值判断的完成过程。教师在课堂上以问题为核心、以思维具象图为引导，充分调动师生的思维，形成互助。