指向核心素养的“四主”教学模式的教学设计——以“牛顿第一定律”教学为例

王志刚 曹 会

(1. 江苏省华罗庚中学,江苏 常州 213200; 2. 江苏省外国语学校,江苏 苏州 215104)

1 问题的提出

《普通高中物理课程标准(2017年版2020年修订)》(以下简称《课标》)指出,必须把物理学科核心素养的培养作为物理教学的重要目标.要通过教学活动的精心设计,实现“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”在课堂学习中的落地生根.其中,物理观念的形成和发展需要学生通过物理概念、物理规律等内容的学习和运用才能逐步形成.而学生在教师引导下经历完整的物理概念建构过程和物理规律的形成过程则是其科学思维能力发展的重要途径.科学探究能力的培养、科学态度与责任感的培育更是需要贯穿整个物理教学过程.学生唯有具身于“养分”充足的“场域”当中,通过深度参与、主动吸纳,才能实现核心素养的持续发展.《课标》还指出,创设情境进行教学,对培养学生的物理学科核心素养具有关键作用,物理概念的建立需要创设情境、物理规律的探究需要创设问题情境、应用物理知识解决具体问题应结合具体的实际情境.[1]

以江苏省外国语学校曹会老师领衔的课题组,自2005年以来不断探索以“情境演进”为主线的教学范式,取得了较为广泛的认可.“十三五”以来,课题组在原有教学范式的基础上,依据新的认知科学等理论,构建出了以“核心素养为主旨、学生为主体、教师为主导、情境演进为主线”为核心框架的“四主”教学模式,如图1所示.围绕核心素养培养这一教学主旨,“四主”教学模式采用学生主体体验和教师主导过程相融合的交互式实施流程,沿着情境演进的主线,推动学生的认知跟随实施过程而循序提升,实现学习过程的螺旋式进阶,[2]如图2所示.本文以“牛顿第一定律”为例,在中学物理教学中开展“四主”教学模式与同行交流,以期对一线教师有效地发展学生物理核心素养有所裨益.

图1 “四主”教学模式

图2 “四主”教学模式实施流程

2 教学内容分析

人民教育出版社2019年版高中物理教科书的“牛顿第一定律”是在学生学习运动学的描述、规律及研究方法和相互作用的属性、规律及研究方法的基础上,对运动原因的科学探究,其在知识体系中承上启下的地位被誉为是动力学体系“核心”的基石.

根据教科书的内容和《课标》要求,本节课在发展学生核心素养的目标设定上应达到以下4个方面的要求.

(1) 物理观念.从物理学的视角认识力与运动的关系:力不是产生速度的原因、力是产生加速度的原因;惯性是运动保持的原因,而质量则是惯性的量度.从物理学视角来解释生活生产中与力和运动相关的实际问题.伽利略理想斜面实验同时蕴含着能量的守恒.

(2) 科学思维.能基于经验事实建构理想斜面实验模型,通过分析综合、推理论证得出力是改变物体运动状态的原因.在合作探究与交流评价环节能基于事实证据和科学推理对不同观点和结论质疑与批判,进行检验与修正,进而提出对惯性与质量关系的科学认识.

(3) 科学探究.在实例观察的基础上提出力和运动关系的猜想、假设,会利用伽利略理想斜面演示器来设计实验方案、获取有用信息,在实验的基础上得出结论并作出解释,能对探究过程本身展开交流、评估和反思.

(4) 科学态度与责任.通过学习人类研究力和运动关系的历史,形成科学在曲折中发展,需要一代代人接续奋斗和严谨认真、实事求是治学的认识,激发学生追求科学、勇于质疑创新的情感,进一步形成对科学和技术应有的正确态度与责任.

“牛顿第一定律”的教学重点在创设问题情境,让学生深刻理解牛顿第一定律的“是什么”“为什么”.教学难点是要将质量、惯性两个概念跟牛顿第一定律结合,使学生深入理解定律本质.在教学中综合运用视频播放、多媒体动画展示、演示实验、互动游戏等教学手段,合理创设激发学生思考的情境演进的链条,将定律“可视化”,最终解决上述的重难点.

3 学情分析

学生在初中阶段已经学过了牛顿第一定律的相关内容.学生对伽利略实验当中摩擦因数的影响有足够的认识,且对亚里士多德与伽利略的观点也很熟悉,生活中常见的惯性现象、惯性的应用与防止也是耳熟能详,牛顿第一定律内容本身所揭示的因果关系也有所了解.但是在实际问题解决的过程中,学生还是会无意识地运用亚里士多德的观点去分析,说明科学的运动观尚未真正建立起来.进入高中之后深入学习了运动学和力学的相关知识,对力和运动之间关系的探究有一种内在的期盼和现实的需要,但是对人类历史上力和运动的持续研究,以及代表人物的研究方法与研究成果所知甚少,惯性与质量之间的内在逻辑关系没有涉及,牛顿第一定律所揭示的规律理解尚不透彻.此外,学生经过较为系统的学习,已经对科学探究的流程比较熟悉,具有一定的发现问题、提出问题、解决问题的能力,动手操作能力也在不断地提升当中.

4 教学流程简析(如图3所示)

5 教学过程

5.1 环节1——课题引入

情境1:在匀速行进的列车中竖直上抛一个金属小球,小球的落点在抛出点的前方?后方?还是与抛出点重合?

情境2:匀速飞行的轰炸机投放炸弹,在不计空气阻力的情况下,投出的一串炸弹在空中呈现怎样的图形?尝试画一下简图.

情境3:观看以上两个问题的视频,思考为什么会是视频中的情景,如图4、图5所示.

图4 车中抛物视频截图

图5 飞机投弹视频截图

设计意图:教学实践表明,学生因受经验性常识的影响,“力是维持物体运动状态的原因”这一前概念可谓深植于学生脑海.[3]两个问题情境的创设,都是基于多数学生已有的认知基础.唯有让学生置身于认知冲突的情境之中,充分体察到思维起点的谬误,才能实现从旧的认知平衡状态演进到中间不平衡状态再到构建新的认知平衡状态,进而形成正确的认知结构.

5.2 环节2——问题研讨

教师:“运动的原因”是一个古老的话题.公元前4世纪亚里士多德就开展了这方面的研究,他的观点在后面的2000多年时间里面没有被质疑.你对他的研究方法、观点和进步之处有哪些评价?

学生:亚里士多德观察了大量的物体运动,经过思考,将运动分成“自然运动”和“受迫运动”两类.他的观点与生活经验吻合度高,是一种“朴素的运动观”.他的主要贡献在于将物体运动与外界联系起来了.

教师:大家经过初中的学习,知道这种观点是错误的,那么产生这个错误的原因是什么?你能否设计一个实验来验证你对运动和力关系的看法.

学生:(阅读、思考、讨论、交流)与他的研究方法和社会发展因素相关.亚里士多德的观点可以简述为“力存物动、力消物停”.以踢足球为例,被踢出去的足球可以在球场上滚动一段时间,与“力存物动”不一致;最终足球缓慢停下来,与“力消物停”不一致.

学生:(质疑)原来运动的物体之所以停下来,难道真是没有力的作用吗?

教师:(假设)如果没有摩擦阻力、流体阻力的影响,在水平面运动的物体将怎样运动呢?

学生:(猜想)若没有摩擦阻力,物体将永远运动下去.

教师:(诱导)这种条件或者近似条件能否找到?

学生:在玻璃板上、在太空中……

情境4:观看“天宫课堂”之“太空站第二次授课”的太空抛物实验实录、冰壶运动的短视频.如图6、图7所示.

图7 冰壶运动

教师:(引导)伽利略时代是无法在太空做这样的实验的,他是如何开展有关力和运动的实验研究的?

设计意图:学科核心素养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.从认知加工的角度来看,学习的关键能力可以主要分为阅读能力、思考能力和表达能力,分别对应着输入、加工和输出.在带着问题读、读出问题来的问题情境演进方式指引下查阅物理学史相关资料,经历讨论和交流、表达和凝练、联想和寻证的探究过程,学生对前概念产生了深入的解构过程,也为理性、客观看待和评价,提升科学本质认识积累了方法.

5.3 环节3——具身活动

学生:(阅读)伽利略的观察与思考,对接斜面设计的由来.

情境5:(演示实验、合作探究)进行伽利略理想斜面实验.实验器材为伽利略理想斜面演示器,分4组实施,师生共同完成.第1组在上升轨道上铺设粗糙的纸条,第2组撤去纸条,第3组减小上升轨道的倾角,第4组继续减小上升轨道的倾角.4次实验都确保金属小球从同一位置由静止释放,每次小球到达的最远处用标签纸标注在轨道上.

学生:(观察、表达)摩擦减小后,小球运动得更远,后面3次几乎都到了与释放点等高的位置,似乎小球在寻找这个等高点.随着对接轨道倾角的减小,小球在对接斜面上运动得更远.

教师:如果对接轨道的倾角减小到0,并且轨道绝对光滑且无限长,小球的运动图景是怎样的?

学生:小球为了找寻等高点将一直运动下去.

教师:至此我们验证了原先的猜想,这说明了什么问题?伽利略之所以会有超越前人的成就,你觉得主要原因是什么?

学生:(思考、表达)伽利略的研究采用了实验的方法.

教师:(补充完善)伽利略的理想斜面实验是在实验基础上的合理外推,他的实验+逻辑推理的研究方法推动了物理学的发展.是不是伽利略的观点就完整了?

学生:(阅读、表达)笛卡尔的研究进一步完善了伽利略的观点.

教师:伽利略和笛卡尔的表达有哪些共同点?又有哪些不同之处?

设计意图:物理规律的探究需要创设问题情境,在问题情境的演进中完成规律内容的构建.教师推行自主化学习、个性化学习、合作化学习,成为学生学习的组织者、参与者和托举者,促进学生个体思维和集体思维相结合.这个教学片段设计的阅读(指向自主化学习)、实验(指向合作化学习)、表达(指向个性化学习)等活动环节,以物理学史为明线,遵循人类认识自然的轨迹,符合学生的认知规律这条暗线,对培养学生的科学素质、创造素质、科学态度与责任具有积极的作用.

5.4 环节4——评价反馈

教师:牛顿在伽利略等人研究的基础上提出了自己关于力和运动关系的观点——牛顿第一定律.即一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态,除非作用在它上面的力迫使它改变这种状态.伽利略理想斜面实验为牛顿第一定律提供了实验依据.这条定律深刻揭示了力和运动的关系,大家结合前面几位科学家的研究历程和观点演进,谈谈对牛顿第一定律的个人理解.

学生:(思考、交流、评价)力是改变物体运动状态的原因、力是改变物体速度的原因、力是产生加速度的原因.指出了物体不受力时的状态(理想化模型);“一切物体”说明无一例外;“总”意味着一贯以来就是这样;“保持”说明很固执,不想改变;“或”说明两种可能性;“迫使”说明有外在因素(力)介入.

教师:一切物体说明无一例外,我们好理解固体有这样的性质,液体和气体也有这样的性质吗?

情境6:(播放视频)气球注满水后刺破的慢动作视频、(演示实验)空气炮的威力实验.

教师:果然如此.我们把一切物体总有保持匀速直线运动状态或静止状态的这种属性称之为惯性.那么惯性是否也有差异呢?这种差别与什么因素是相关的?

学生:与物体的运动速度有关,运动速度快的惯性大,状态难以改变.

学生:与物体的质量有关,质量大的惯性大,状态难以改变.

教师:如果惯性与运动速度有关,诚如同学所言,速度大的惯性大,速度小的惯性小,那么速度为0的物体是不是就没有惯性了?从理论上论证,这个观点是站不住脚的,试问同学们,我们还可以怎么论证刚才同学的观点?

学生:实验验证.运动状态改变的难易(快慢)就是加速度的大小,我们可以测量相同物体在不同运动速度情况下的加速度是否有差别.

情境7:(实验) 如图8所示,让小车先后两次以不同的初速度沿导轨滑行,根据小车先后通过两个光电门的时间得出通过光电门的速度,再依据匀变速运动学公式求得加速度几乎相等.

图8 光电门测速度

教师:既然并不是速度大就惯性大,那为什么速度大的物体比较难以停下来,而速度小的物体却容易停下来呢?

学生:本质是因为两个物体运动状态改变的程度不一样,只有运动状态改变相同的程度比较起来才公平.

设计意图:联系学生的生活经验对牛顿第一定律进行剖析和解读,提升了学生的阅读能力.高度凝练的定律揭示了深刻的自然规律,具有普适性、抽象性,对于处于从形象思维向抽象思维转变的高一学生而言,适度地关照不同学生的经验性认识,在思维交流、适时评价中引出思维进阶的反馈信息,对存在于学生认知结构中的前概念进行引导和纠正,加速了错误前概念的解构和科学概念的重构.[4]顺着学生已有对惯性的认识,提出探究惯性大小的影响因素问题,一方面是为了引出惯性和质量的关系,一方面也是让学生体会理论引领实践探索、实践推动理论创新的研究思路.

5.5 环节5——总结应用

情境8:(游戏)外形相同的两只乒乓球,其中一只注满水.透明的鱼线穿过乒乓球,做成两个等长的摆球,悬挂在同一个铁架台的横杆上.请一个肺活量大的男生用尽全力吹球,注满水的乒乓球基本不摆动,空的乒乓球很轻易就摆动起来.组织学生观察、思考、发表自己的看法.然后让几名学生掂量两只乒乓球,揭晓谜底.

学生:质量大的物体运动状态难以改变,也就是保持原先状态的能力强,说明惯性大小与质量相关.惯性又与物体的运动速度无关,所以质量是惯性大小的唯一量度.

情境9:如图9所示,在水平桌面上横放的矿泉水瓶中有一段空气柱,沿着瓶身向前突然拉动瓶子,空气柱在瓶内的位置如何变化?[5]

图9 水平放置的矿泉水瓶

学生:(思考、讨论、交流、表达)先说出判断的结果以及判断的依据,然后同桌间按照图示要求分组实验.

教师:点评学生的判断和分析,帮助学生选取研究对象,如图10中水柱和空气柱,组织学生进一步分析和论证,得出空气柱在瓶内位置向前移动的理论依据.若是水瓶原先在水平桌面上滑行,碰到障碍物突然停下,空气柱在瓶内的位置如何变化?

图10 研究对象的选取

学生:根据前面的分析过程重新构建分析模型展开论证,分组实验验证.

情境10:播放我国航母舰载机进行起飞和着舰训练时飞行员分别出现黑障和红视现象的科普视频.

学生:结合人的生理特征、舰载机要在极短甲板上起降的实际,用情境9模型的原理作出合理解释.

教师:对学生的解释进行点评,组织学生进行课堂小结.提出牛顿第一定律对力和运动关系的论述是不是已经完备.指导学生阅读教材中拓展学习部分的惯性参考系内容.

设计意图:乒乓球很轻便,轻轻一吹就能动,但是小游戏环节男生却吹不动,预料与现实之间的巨大反差激发学生产生强烈的探究欲望.经过独立思考、讨论交流的理论建模,再到比较两球轻重的实验验证,学生对惯性与质量关系的理解完成了自主建构.情境9的现象是生活中常见但很少会引起学生深入思考的.这一次情境演进让学生有了学以致用的体验,难度属于跳一跳够得着的层级,但是要论证和解释清楚,特别是用物理学视角来观察和用物理学科语言来表达,需要教师的总结提升和帮助.运动情境转换成由动而停,也是为了培养和考查学生的迁移能力,特别是后面结合舰载机训练中的黑障与红视现象,更是需要学生综合人体学、物理学的知识来论证,是认知迁移的高层级要求.舰载机飞行员刻苦训练精益求精的精神品质是无形的育人资源,国家日益强大的国防科技力量也是增强学生民族自信的课程思政素材.组织学生进行课堂学习小结,梳理人类关于力和运动研究的历史进程,提炼出任何一个问题的研究都是在一代代人的接续奋斗中得以逐渐接近真相和本质,质疑和批判始终是推动科学和技术不断前行的重要品质.

6 结束语

盐是人赖以生存的必备品,但是如果直接食用,却是难以下咽.而将每天需要的盐分溶化在美味的佳肴里,则不仅使人可以获得美食的享受,而且也实现了盐分的必要吸收.核心素养就是这样的盐,是人生存和发展的必备品,而适切的情境则是美味佳肴.唯有在教学设计和教学实施过程中重视情境的创设和转化,让学生获得实际情境中解决物理问题的大量经验,才能实现将课堂教学转化为学生课外日常生活当中的成长行为,并逐步变成他们的成长自觉,进而具备适应终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力.

指向核心素养培养的“四主”教学模式在实践过程中,注重紧扣核心素养发展这一主旨,注重基于学生认知规律、知识发展规律基础的情境有序演进,注重协同情境演进中引导学生思维等活动的有序展开,注重问题聚焦、活动组织、总结反馈等要素的合理安排,注重研究学生主体地位的作用能够在哪些教学环节上得到体现和发挥.通过具身性探究、可视化表达等策略,让每一个学生实现探究过程与深度思维的融合,促进了思维的发展.

为了更好推广和完善该教学模型,还有待于对该模型的实施条件和教学评价进行系统研究和探索.