指向学科关键能力的物理实践性学习任务的设计

吴明磊

(无锡市堰桥高级中学,江苏 无锡 214174)

教育的目标在于培养学生的学科核心素养,以使他们逐渐形成正确的价值观、必备品格和关键能力.物理学科的关键能力是连接物理学科核心素养与教学活动的桥梁.高中物理学科的关键能力包括理解能力、推理论证能力、模型构建能力、实验探究能力和创新能力[1].这些物理学科的关键能力具体化了物理学科核心素养,有助于教师将素养目标转化为具体的教学目标和教学行为,进行实践性学习任务的设计.

1 分析物理数据,培养观察理解能力

分析物理数据是理解和应用物理知识的重要一环.通过开展实践学习任务,学生将接触到真实的物理数据,并对其进行整理、处理和分析,可以提高观察理解能力,能够有效地提取信息、找出规律和进行合理的推论.

例如,教学新人教版高中物理必修一第二章《匀变速直线运动的研究》第4节《自由落体运动》时,教师可以先带领学生开展实验,在实验中得出一组关于物体的自由落体运动的数据,要求学生分析并解释重力加速度的概念.教师:“同学们,今天我们将讨论自由落体运动以及重力加速度的概念.首先,我将给大家一组关于物体的自由落体运动的数据,请你们分析并解释重力加速度的概念,将你们的观察结果和解释写在纸上.”学生们开始观察数据并记录他们的观察结果和解释,教师请学生分享他们的观察结果.学生A:“我观察到在每个时间间隔下,物体下降的距离是不同的.例如,在第一个时间间隔内,物体下降了2 m,在第二个时间间隔内,物体下降了4 m.”学生B:”我注意到在每个时间间隔内,物体下降的距离似乎是递增的.在第一个时间间隔内,物体下降了2 m;分号在第二个时间间隔内,物体下降了4m,这意味着它下降的距离是递增的.”学生C:“我觉得这些数据都表明重力对物体的下降产生了影响.物体在每个时间间隔内下降的距离在增加,这可能意味着重力在加快物体的下降速度.”教师对学生的数据分析结果给予肯定并请学生对重力加速度的概念进行解释总结.教师:“非常好!你们对重力加速度的概念有了很好的理解.重力加速度的大小是9.8 m/s2,这意味着在自由落体运动中,物体每秒钟的下降速度将增加9.8 m/s.这是一个重要的物理概念,对于我们理解自由落体运动非常重要.”通过数据分析初步了解了重力加速度的概念后,教师要求运用重力加速度的概念,通过计算来预测物体在不同时间间隔下的下降距离,并在小组中讨论分享自己的想法.

通过观察和分析数据,学生可以亲自动手进行实验、观察和记录数据,不仅有助于深入理解自由落体运动和重力加速度的概念,还能够增强他们对实验过程的理解和掌握,培养其实践操作能力.

2 验证物理结论,培养推理论证能力

在验证物理结论的实践过程中,学生可以亲自参与实验设计、数据采集和分析等科学探究过程,培养他们的观察、实验设计、推理和问题解决能力.这种实践学习任务强调逻辑推理、实证验证和证据支持,培养学生的科学思维能力,使他们能够更好地理解和应用物理知识[2].

例如,教学新人教版高中物理必修二第八章《机械能守恒定律》的第5节,教师可以指导学生通过开展实验来验证机械能守恒定律.教师:“今天我们将通过开展实验来验证机械能守恒定律.在这个实验中,我们将使用一个简单的装置来观察和测量机械能.首先,让我们回顾一下机械能守恒定律的基本内容.”学生回答:“机械能守恒定律是指在不受外力和非弹性碰撞影响的情况下,系统的机械能保持不变.机械能由动能和势能组成,动能与物体的速度有关,势能与物体的位置有关.”接下来,教师指导学生通过小组合作进行实验来验证这个定律.学生将使用一个小球和一个简易的斜面来进行实验.首先,学生可以使用测量工具,如尺子和计时器,来测量小球滚下斜面的滚动距离和时间.通过这些数据,可以计算出小球的速度和高度.教师提醒学生在实验过程中需要确保实验环境的稳定性,斜面应该固定在桌子上,确保不会晃动;此外,小球的质量需要保持不变,以便能够准确地进行实验.学生开始实验,并记录他们的数据.教师要求学生完成实验后将数据记录在实验报告中,并计算小球的机械能;然后,比较不同位置的机械能是否相等.学生在实验过程中分享了自己的发现,学生A:“小球滚动下来的过程中,动能逐渐增加,而势能逐渐减少.”教师:“非常好!那么,在小球滚动的过程中,你们观察到了什么现象?”学生B:“我们发现,无论小球滚动到哪个位置,动能和势能的和保持不变.”学生完成了实验和数据分析后,教师请每个小组派一名代表上台展示实验结果和数据分析,并解释他们的数据和结论.学生总结:“我们的实验结果表明,在只有重力做功的情况下,小球的机械能总量保持不变.”最后,教师总结课堂内容,并强调机械能守恒定律的重要性.

通过设计验证物理结论的实践学习任务可以帮助学生培养科学思维方式,包括观察、提出假设、设计实验、收集数据、分析结果和得出结论等步骤.这种思维方式和实践过程有助于培养学生的推理论证能力,增强动手能力.

3 构建物理模型,培养创新创造能力

构建物理模型可以帮助学生将抽象的物理概念转化为具体的形象或图像.通过实际操作和观察,学生能够更容易理解和记忆物理知识,更深入地理解物理原理和现象.同时,这种过程也培养了学生的创新思维和解决问题的能力,激发了他们的学习兴趣和探索精神.

例如,教学新人教版高中物理必修三第十三章《电磁感应和电磁波初步》第3节《电磁感应现象及应用》时,教师可以指导学生构建一个简单的电磁感应装置,用于解释电磁感应原理.教师:“同学们,今天我们将学习电磁感应现象,为了更好地理解这个概念,我们将一起动手制作一个简单的电磁感应装置.”学生各自准备好所需的材料:一个铜线圈、一个铁芯、一个磁铁和一个电流表.

教师简单介绍电磁感应现象的原理后,指导学生使用铜线圈和铁芯来构建一个简单的电磁感应装置.教师:“请将铁芯插入铜线圈的中心,确保铁芯能够完全穿过铜线圈.然后,将电流表的两个引线分别与铜线圈的两端相连.”学生按照指导开始组装,完成后测试装置,按照教师指导将磁铁靠近铜线圈的一端,观察电流表的读数.学生可以发现电流表的指针移动.教师请学生解释此现象:“这说明实验中产生了感应电流.当磁铁靠近铜线圈时,磁场的变化导致了感应电流的产生,从而使电流表的指针发生了偏移.”教师提问:“如果我们不同快慢改变磁铁的位置会发生什么现象?”学生尝试将磁铁不同快慢移动,并观察电流表的读数,发现当磁铁快速靠近铜线圈时,电流表的读数较大;当磁铁缓慢离开铜线圈时,电流表的读数较小.教师为学生解释此现象:“这是因为当磁铁快速靠近铜线圈时,磁场的变化快,产生的感应电流也较大.当磁铁缓慢离开铜线圈时,磁场的变化慢,感应电流也相应较小.”

构建物理模型需要学生进行问题分析、创意设计和解决方案的实现过程,在构建物理模型的过程中,学生需要运用科学的方法和思维,通过探究、实践、修正等过程,逐步形成自己的科学思维,可以进一步拓展思路,提高创新创造能力.

4 设计物理实验,培养问题探究能力

设计物理实验需要学生分析问题、制定实验方案、选择合适的仪器和测量方法等,这样可以培养学生的问题解决能力和创新思维能力.同时,在实验过程中,学生还需要分析实验结果、总结规律,培养学生的观察、分析和归纳能力.

例如,教学新人教版高中物理选修三第一章《分子动理论》的第2节,教师可以引导学生自主设计实验——用油膜法估算油酸分子的大小.教师:“同学们,今天我们要进行一项实验,通过油膜法来估算油酸分子的大小.首先,你们需要了解油膜法的原理,以及如何利用它来估算分子的大小.”在了解了油膜法后,学生将自主设计实验步骤,教师可以给予一些指导,但是具体的实验方案需要学生自己讨论和决定.学生首先确定了需要的实验器材:油酸溶液、玻璃片、显微镜、毛细管、计时器和称量器等.接下来,学生开始讨论实验步骤.学生A:“我认为我们可以先将一滴油酸溶液滴在玻璃片上,然后利用毛细管将玻璃片倾斜,使油酸溶液在玻璃片上形成一个薄膜.”学生B:“然后我们可以用显微镜观察油膜的厚度.”学生C:“我觉得我们还需要测量油膜的面积,这样我们可以计算出体积.”教师:“很好,你们的想法很不错.接下来,你们需要确定如何测量油膜的厚度和面积,并且要注意如何控制实验的条件以保证实验结果的准确性.”学生继续讨论实验步骤并且形成初步的实验方案,由一名学生总结:“我们计划使用显微镜测量油膜的厚度,使用标尺测量油膜的面积.我们还打算进行多次实验,然后取平均值以增加结果的可靠性.”学生按照实验方案开始实施实验,并记录实验数据和观察结果,教师在实验过程中可以给予一定的指导和帮助.学生开始进行实验,并记录实验数据和观察结果,整理好实验数据,计算出油酸分子的大小.学生汇报实验结果:老师,我们完成了实验,并根据测量的数据进行了计算,我们得出的油酸分子的大小约为2 nm.”

5 结束语

物理学科关键能力是物理学科核心素养的重要组成,在高中物理教学中注重关键能力发展是落实核心素养的重要内容[3].因此,指向学科关键能力的实践性学习任务的设计应注重学生的主动参与和实践操作,以培养学生的实际应用能力和问题解决能力.通过实践性学习任务的设计和实施,提高学生的学习兴趣和动力,提升他们在物理学科中的核心素养.