运用情境探究教学法 落实学科育人功能

刘长灿

广东番禺中学，广州 511483

物理学科核心素养的培育是物理学科育人价值的集中体现。探索有效课堂教学方法，培育物理学科核心素养，落实物理学科育人功能是推动课程改革走向深入的关键，是当前教学改革迫切需要解决的问题。普通高中物理课程应该在义务教育的基础上，进一步促进学生物理学科核心素养的养成和发展［1］。推进普通高中育人方式的改革要求深化课堂教学方法，探索基于情境问题导向的互动式、启发式、探究式、体验式的课堂教学方法［2］，促进学生系统地掌握各学科基础知识、基本技能、基本方法，培养他们正确的价值观念、必备品格和关键能力。

1 情境探究教学法

情境探究教学法是华南师范大学张军朋教授团队提出的一种教学方法。该教学法是在情境中发现问题，在体验探究中建构概念、发现规律，在应用中与实际、社会联系起来的一种教学法。它由情境与问题、引导与探究、应用与拓展、感悟与升华四个教学环节组成，与当前物理课程改革的要求一致［3］。

首先，教师创设真实情境，提出有效驱动问题。然后，引导学生经历探究过程，通过师生互动激发学生思维，帮助其建立物理概念规律。第三，教师引导学生利用物理概念规律解决生产实践中遇到的真实问题。最后，学生在探究和应用物理原理的过程中感悟思维方法，形成物理观念，培养科学态度与责任。情境探究教学法的四个教学环节满足培育学生物理学科核心素养的四个要素。该教学方法让学生在真实情境中建立物理观念，在探究过程中培养科学探究能力，在应用拓展中发展科学思维，在学知识过程中内化方法、感悟思想、培养科学态度与责任。

情境探究教学法从重视结果向重视过程转变，从获得知识向培养关键能力转变，从知识本位向学科育人转变。通过情境创设、问题引导来激发学生的探究动机，体现以学生为中心的人本主义心理学的基本要求。从探究中体验知识获得的过程，体现认知心理学的基本要求。

2 运用情境探究教学法落实学科育人功能

2.1 运用教材资源育人

教材是师生教与学的载体，是课程标准最直接的体现，也是学生最主要的学习工具，是最便捷的知识获取途径。充分发挥教材资源的价值，有助于落实学科育人功能。

共点力的平衡是高中物理必备知识，是高一物理的重点内容。课程标准要求：能用共点力平衡条件分析生产生活中的问题。“条件”是作为结论记住，还是经历知识的构建过程来获得呢？ 显然，不同的理解会有不同的教学设计和教学过程，而不同的教学设计和教学过程在育人方面的作用和价值是不同的。

【情境与问题】 如图1 所示，灯笼被一根绳子悬吊并处于静止状态，绳子拉力F 与重力G 平衡。在图2 中，招牌被两根绳子吊着也处于静止状态。此时，两根绳子的作用力F1，F2与重力G之间存在着怎样的关系？

图2 两根绳子悬吊招牌

【引导与探究】

引导学生猜想：F1，F2和G 的关系？ 将F1，F2合成，合力大小会不会与G 等值反向？

引导：如何证明你的猜想？

实验设计方案：探究三力作用下物体平衡条件的实验。提供汇力圆环、三根细绳、三个弹簧测力计、白纸、直尺等工具。同学之间合作，探究三力作用下物体平衡的条件。

探究：学生分组开展探究活动，收集证据。

交流：学生讨论其观测到的实验现象和收集到的证据，形成结论，并用物理语言准确表述出来。

结论：三力作用下物体处于平衡，任意两个力的合力与第三个力等值反向，合外力为零。

【应用与拓展】

应用：应用所学知识，回应导入问题，阐述招牌受到两根绳子的作用力F1，F2与重力G 的关系。如图3 所示，将F1，F2沿力的作用线延长并与重力作用线交于重心，用平行四边形定则合成F1，F2，得到的F 与G 等值反向。

图3 招牌在三力作用下平衡

拓展：如果物体在N 个力的作用下处于平衡，这N 个力之间存在怎样的关系呢？ 三力平衡的研究思路是通过力的合成，用任意两个力的合力替代这两个力，将三力平衡问题转化为二力平衡问题，合外力为零。同理，可以将任意两个力合成一个力，将N 个力作用下的平衡问题转化为（N－1）个力作用下的平衡问题，通过多次合成直到转化为二力平衡问题，合外力为零。所以，通过实验证明了三力作用下的平衡条件是合力为零，再通过科学推理推广到N 个力作用下物体平衡条件是N 个力的合力为零。

【感悟与升华】 研究问题从简单逐步过渡到复杂。找准关键问题，三力平衡和二力平衡有本质区别，三力平衡下三个力的方向不一定在一条直线上，而二力平衡下两个力在同一直线上。所以，将任意两个力合成为一个力后，用来替代的合力能否与第三个力平衡需要实验验证。但是，证明了三力平衡以后，四力、五力或更多力作用下物体平衡就不需要再验证了，仅仅需要增加合成（替代）的次数，多次转化和一次转化没有本质的区别。需要实验去证明关键问题，其他步骤可以通过科学推理完成。

2.2 运用实验资源育人

物理是以实验为基础的学科，实验探究是研究物理的重要方法。学生在课堂上经历科学探究过程，对培养科学的探究方法与探究习惯、培育科学思维方法、发挥学科育人功能有着不可或缺的作用。

验证机械能守恒定律是高中物理必做实验，它在理解机械能守恒定律、提高科学探究能力、培养科学思维素养、建立守恒观念等方面有着重要作用。机械能守恒的条件是只有重力和弹簧弹力做功。中学阶段，一般用落体法验证机械能守恒，重力势能的减少量总是略大于动能的增加量。这是由于重物和纸带在下落过程受到空气阻力和摩擦阻力的作用。即便是改用光电门装置和数字计时器测量速度，重物下落时仍有空气阻力作用。实验结论往往表述为“在误差允许的范围内，重力势能的减少量等于动能的增加量，机械能守恒”。在实验数据不能完全佐证结论的情况下，“在误差范围内”的表述总有“硬塞”给学生的感觉。虽然重物和纸带在下落过程中会受到阻力作用是事实，与仅有重力和弹簧弹力做功的守恒条件有差异，但不利于能量守恒观念的建立和实事求是的科学态度的培养。

【情境与问题】

情境：在原有落体法基础上，分析得到重力势能减少量略大于动能增加量。

问题：请分析重力势能减少量和动能增加量不相等的原因，机械能守恒定律是否不成立？ 如果答案是否定的，如何改进实验证明机械能守恒？

【引导与探究】

引导：如果误差是由于摩擦和空气阻力引起的，而又无法完全消除阻力的影响，能否设计实验证明阻力的影响？ 能否逐步减少阻力对实验的影响？

设计方案：用体积相同的纸锤、木锤和铁锤作为重物带动纸带做落体法实验。体积相同时，三个重锤下落时受到空气阻力和纸带的摩擦阻力相同。但是，纸锤质量最小，铁锤质量最大（纸锤m纸＝80 g，木锤m木＝150 g，铁锤m铁＝200 g）。由可知，相同的阻力对纸锤的加速度影响最大，对铁锤的加速度影响最小。如果机械能守恒定律成立，则mg△h＝mv2／2－0。作v2／2－△h 图像，斜率为重力加速度g。相同阻力下，纸锤的斜率与g 相差最大，木锤的斜率与g 逐渐逼近，铁锤的斜率与g 相差最小。通过实验作出三张图即可验证猜想。

实验探究：在铁锤作为重物的基础上，再用相同体积的纸锤和木锤做落体法实验，将三次实验数据描绘在同一个v2／2－△h 坐标中，可直观地反映出纸锤斜率最小，木锤次之，铁锤最大，且三者斜率逐渐逼近g［4］，从而获得实验结论。

【应用与拓展】

应用：在运动阻力无法消除的情况下，逐渐增大重锤质量，减少阻力对实验的影响，逐渐逼近理想情况。通过图像斜率对比，机械能守恒的结论水到渠成。学生对仅有重力和弹簧弹力做功的守恒条件的理解更加深刻。仅用铁锤做实验时，重力势能减少量略大于动能增加量，能作出合理解释。

拓展：逐渐逼近的科学思维方式和理想实验的科学研究方法不仅能在本实验中使用，在之前的学习过程中也已经接触过。初中阶段探究摩擦力对物体运动的影响实验中，让滑块从同一高度释放，分别在毛巾、棉布和木板上滑行，滑行距离越远说明接触面越光滑，物体受到的摩擦力越小。虽然无法在绝对光滑的接触面上做实验，但通过逐渐逼近的思想可以推断物体在绝对光滑接触面上运动时将不受摩擦力作用。高一学习牛顿第一定律时，伽利略通过逐渐减小上升斜面的倾角，使小球在斜面上运动的距离越来越远，来说明物体有保持原来运动状态的性质。

【感悟与升华】 实验采用了逐渐逼近的科学思维方式和理想实验的科学研究方法。在学生经历实验探究活动后，通过师生交流，提炼学习物理的科学思维方式和科学研究方法，有助于学生迁移能力的增强、科学思维和科学探究素养的培养。

2.3 运用习题资源育人

习题是学生常用的学习资源，习题中的情境、素材、解决问题的方法等也蕴含着很多有价值的育人素材。教学过程中，利用好习题资源可以显化习题育人价值，对提高学科育人功能有重要作用。

图像是重要的物理语言，但不少刚升入高一的学生无法将图像与实际情境结合在一起，感觉物理图像抽象难懂。课程标准要求能用图像等方法描述匀速直线运动并解决问题。在本章学习中，如果能通过创设真实情境，让学生体验图像与情境的转换，经历图像的应用过程，就能克服其学习物理的畏惧心理，提高其学习兴趣并激发学习的内在驱动力。

【情境与问题】

情境：三辆汽车以相同的速度v0通过路旁的一根电灯柱。甲车先加速后减速，当经过下一根电灯柱时速度也是v0； 乙车以速度v0一直匀速通过两根电灯柱；丙车以速度v0先减速后加速，经过下一根电灯柱时速度也是v0。

问题：哪辆汽车最先到达下一根电灯柱？

【引导与探究】

不少高一学生认为三辆汽车初末速度都相等，同时到达下一根电灯柱。也有学生认为匀速运动的乙车没有减速运动过程，乙车最快到达。只有少部分学生认为甲车最先到达。

引导：由于两根电灯柱的距离相等，比较三者的平均速度就可以比较它们的运动时间。除初末位置外，甲车瞬时速度一直大于v0，所以甲车的平均速度大于v0；乙车速度一直等于v0，所以乙车的平均速度等于v0；丙车瞬时速度一直小于v0，所以丙车的平均速度小于v0。故经过相同的位移，甲车运动时间最短，乙车次之，丙车最长，即t甲＜t乙＜t丙。由于高一学生刚刚接触瞬时速度和平均速度的概念，对其理解不透彻，即使经过以上分析引导，有些学生还是半信半疑。

为了打消学生的疑虑，引导学生进行实验探究。将学生分成三组，在操场上选取一段约20 m的平直跑道，甲组模拟甲车先加速后减速，乙组模拟乙车一直匀速，丙组模拟丙车先减速后加速。设法让三组学生同时经过起点，且经过起点和终点时速度大致相等，让三组学生观察谁最先到达终点。经过亲身体验，学生很容易发现t甲＜t乙＜t丙。

【应用与拓展】

应用：学生在操场体验以后，将三组学生的运动过程画成v－t 图像（图4）。联系匀速直线运动的乙车，其位移s＝vt，即位移由v－t 图像与横轴所围成的面积来表示。由于两根电灯柱的距离相等，所以三个图像与横轴所围面积相等时，汽车到达第二根电灯柱。根据v－t 图像，容易判断甲车的横坐标最短，丙车的横坐标最长，t甲＜t乙＜t丙。

图4 三组学生的运动v－t 图像

拓展：若三辆汽车经过相同的运动时间，则先加速后减速的汽车运动位移最长，而先减速后加速的汽车运动位移最短。

【感悟与升华】

感悟：三辆汽车的运动犹如学生进入高中学习的三种心态。学生进入同一所高中，起点几乎相同。但甲类学生从进入高中第一天就以不断进步（先加速）的姿态对待学习，乙类学生不紧不慢按部就班（一直匀速），丙类学生认为经历了艰苦的中考，稍作休息懈怠一下（先减速），等高三再努力。经过三年的学习时间，甲类学生尽管高三时稍有松懈，但已经有较好的学习基础，他们大多能获得较好的学习效果；乙类学生学习效果中等；丙类学生学习效果最不理想。通过以上习题解决和体验过程，鼓励高一入学的学生拼搏奋斗，以昂扬的姿态投入到高中学习中来。

升华：学习物理与做人做事是一致的。有的人永远保持着冲刺的姿态面对学习和生活，有的人满足现状不紧不慢，有的人取得一定成绩后便懈怠。经历一段时间以后，相同基础的三类人就得到截然不同的结果。面对学习、工作和生活，保持积极进取、昂扬拼搏的姿态才能在有限的时间内取得最好的效果。学知识、悟道理，除了科学道理外，还包括做人做事的道理。在学习物理知识的过程中，培养阳光、进取、自信、自强、坚毅、勇敢的品格，成为学生应对个人终身发展和社会发展所必备的品格。

3 总结

教知识，学方法，悟思想。知识仅是育人的载体，培养思考问题的方法、感悟物理学科思想、提高解决问题能力、发展学科核心素养才是育人的根本目的。情境探究教学法重视创设贴近生产生活的实践情境，通过问题引导让学生体验学习过程，带领学生像科学家一样经历知识的构建过程，并在学习体验过程中感悟道理、内化品质、提升能力。情境探究教学法逐步培养学生将所学知识形成的能力迁移到新领域中，落实物理学科育人功能。