对物理概念开展情境化教学改进的策略研究

【专家介绍】

刘林，青岛市教育科学研究院正高级教师，山东省政协委员，青岛市人大代表。全国教研工作先进个人、山东省特级教师、山东省教学能手、青岛市拔尖人才。2023年获国家级教学成果二等奖（主持人），2022年获山东省省级教学成果特等奖（主持人）。教育部第六届全国教育装备标准化技术委员会（SAC/TC125）委员，中国教育学会物理教学专业委员会常务理事，西南大学、山东师范大学、青岛大学硕士生导师，山东省特邀教育督导员，青岛市物理学会副理事长。

摘   要：在学科教学中如何落实发展学生的核心素养，并叠加实现“减负增效”的要求，是当前基础教育教学改革的重点和难点。针对物理概念过于抽象、学生体验不充分、学习困难多等问题，以普通高中物理课程标准中的“加速度”概念教学为例，选取与“加速度”相关的真实情境资源融入教学过程，给学生提供物理思维和物理方法的学习支架；提炼出基于真实问题情境的物理教学改进五步进阶模型，试图为一线教师提供情境化教学改进的范式，并以此作为情境化教学改进的突破口和支撑点，推动物理课程标准快速有效落地实施，提升学生物理学科核心素养，实现从物理学科教学走向物理学科育人的目标。

关键词：物理学科核心素养；真实问题情境；物理概念；教学改进

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2024）6-0001-5

１    问题的提出

科教兴国是我国战略发展方向，国家高度重视科技人才的自主培养，物理学科教学在教育“双减”中做好科学教育加法行动中居于重要地位。但是，高中学生普遍感到物理知识难度大，学习物理的内生动力不足。主要表现在以下三个方面：

（1）不少学生对物理“不想学、学不会”。高中物理的概念多，且抽象难懂，学生在应用物理知识解决实际问题时，难以建立真实问题与物理概念之间的关联，所学物理方法不能有效迁移到新问题中，尤其是学生投入大量时间学习物理后，其思维能力也没有得到明显提升，导致学生的成就感低，极大地挫伤了学生学习物理的积极性。

（2）情境化学习资源供给不足，课堂学习场景单一。教师在物理概念教学中选用的真实问题情境少，演示实验和分组实验的开出率偏低，甚至不组织学生做分组实验的现象也时有发生。由于抽象的物理概念缺少形象的情境资源作为学习支架，再加上学生实验操作活动少、感知体验少等原因，影响了学生模型建构能力的提升幅度和科学素养的培养效果。另外，受学习场景的时空限制，物理学习的过程大多被局限在课堂内，学生对物理知识在生产和生活中的应用范围了解少，解决真实问题的能力差。

（3）部分教师对《普通高中物理课程标准（2017年版）》（以下简称“物理课程标准”）的理念理解不深刻，教学改进的行为滞后。教学中，部分教师对物理概念简要讲解后，便直接跨越到例题讲解和解题方法训练中，教学过程过多地关注了物理知识的传授和解题方法与技巧的总结，机械刷题现象比较普遍。对高考评价体系下呈现的大量情境化试题研究能力不足，缺少指导学生解决真问题的能力，教学效果不佳。

２    问题情境与发展学生核心素养的关系

（1）情境是运用文字、动画和视频等样态，围绕知识设置达成教学目标和评价目标的载体，是形成物理观念的要素。情境的创设，是为激发学生对物理概念的认知建构和物理学科核心素养的表现而搭建的平台，它影响学生分析与解决问题的策略与表现。通常情况下，一个物理概念的教学过程需要多个情境的引入，多个情境须共同指向同一概念，以引导学生从多维度感知、体验，再配以必要的实验操作过程，逐步在头脑中建构物理模型，深刻理解抽象的物理概念内涵，逐步形成正确的物理观念。当然，也可以引入单一的物理情境，将单一情境贯穿于物理概念教学的始终，建立起情境与物理概念的紧密关联。

（２）恰当且丰富的问题情境可以给学生搭建物理学习的支架，有助于建构物理概念［１］。问题情境能够增加学生对物理概念的直观感受，解决学生理解物理概念困难的问题，能够把抽象的问题转化为形象的表达，呈现物理思维过程和解决物理问题的方法［２］。物理概念教学的问题情境来源广泛，根据物理课程标准的内容要求和教学要求，可以将物理情境分为“生产生活实践类”情境和“学习探索类”情境。

对于“生产生活实践类”情境，大致有三种来源。第一种是自然界中与物理相关的现象，比如日食、月食、大气彩虹、海市蜃楼等与光现象有关的情境。第二种是与生产生活有关的物理问题，比如篮球、乒乓球等与体育运动有关的情境，与百姓衣食住行生活有关的情境，与工农业生产紧密相关的情境等。第三种是与科学研究方向和成果有关的情境，尤其是与我国取得的重大科技工程成果及世界科技前沿有关的情境。因“生产生活实践类”情境紧密联系实际，所以其有利于激发学生对物理的学习兴趣，有利于体现物理学的价值，有利于培养学生的社会责任感，全面落实立德树人根本任务。

对“学习探索类”情境，也大致有三种来源。第一种是物理学史情境，比如自由落体运动、元电荷、惯性等物理概念的建立过程，多普勒效应、光电效应等物理现象的发现过程，折射定律、库仑定律和万有引力定律等物理规律的发现过程等。第二种是物理学习过程中的实际学习情境，比如如何控制带电粒子的运动轨迹，应从哪些角度以及如何从这些角度描述电场的性质等。第三种是科学探究问题情境，比如储存电荷装置的设计方案，提高刻度尺测量精度的方法等，这类情境需要学生动脑动手，有利于培养学生的科学探究能力。学习探索情境与学生学习探索过程紧密联系，有利于提升学生的认知能力，加深对物理概念的理解，有助于培养学生的推理论证、模型建构和质疑创新等科学素养。

（3）信息技术手段的发展，丰富了问题情境呈现的样态。自２０１２年开始微信程序被广泛使用，网络环境下手机终端的个性化自主学习已经成为现实，使得创建情境化数字资源为载体的物理概念教学改进变得更加便捷。教学中，可以对照物理课程标准，系统梳理高中物理的内容要求，按照物理学的分支领域和学生学习需求，依照每个模块的主题划分，引入情境化数字资源。把因肉眼不能直接观察到、时间过长、存在安全隐患或器材短缺等客观因素导致学生不能在课堂上实际操作的实验，还有科技生产和科学史实、自然现象和生活情境等，以仿真模拟或再现场景视频的样态呈现出来，将学习场景延伸至课外，建立具有鲜明高中物理特色的情境化数字资源，用于补充物理概念教学的情境创设过程，将有助于学生对物理概念加深理解。

３    情境化教学改进的五步进阶模型建构

真实问题情境是学生学习物理概念的重要前提，是形成物理观念的必要条件。笔者提出图１所示的情境化教学改进的五步进阶模型，即情境·探究·建模·应用·评价［３］。依据此五个环节开展进阶式教学，使得问题情境能够融入到物理概念教学的全过程，引导学生在解决真实问题的过程中学会建构模型、掌握物理思维方法，深入理解物理概念，从而提高思维能力。另外，问题情境也可以以数字化方式呈现，弥补实验教学的不足，形成以感知体验、科学探究、建构模型和解决问题为主线的教学方法，拓宽学习场景，努力解决学生“不想学、学不会”的问题。

３．１    情   境

教师根据物理课程标准中的内容标准和核心素养确定教学目标或学习目标，创设问题情境。情境应贴近学生生活、贴近时代发展，通常采用文字、数据、图表、图片、视频、演示实验或分组实验等形态呈现，或者调用学生已有的知识和经验性常识等，以建立起物理概念与问题情境的关联。

３．２    探   究

面对真实问题情境，设计实验探究或理论探究的方案，确定观察对象和需要观测、记录的数据，然后对观察到的现象和记录的数据作出分析。根据教学需要，此环节大多采用小组合作学习的方式。学生亲身经历了探究过程，能够获得丰富直观的体验和感知。

３．３    建   模

探究问题情境得出结论后，抓住其最本质的特征，进行抽象，用理想模型或有代表性的物理图景表达，即建构物理模型。在遇到新的问题情境时，就可以将情境中的对象和过程转化成已知的或熟悉的物理模型。模型建构过程是发展学生思维能力的关键，是学习和研究物理问题的重要方法，对物理教学所追求的提升学生核心素养目标具有重要意义。

３．４    应   用

面对真实问题时，需要调动学生已有知识，这些知识往往超出物理学科范畴。学生综合运用已有知识和方法得出正确结论，解释结论的科学性、合理性和新颖性。让学生的成长从提高“解题能力”转向提高“解决问题的能力”，进而转向为提高“做事的能力”。这正是情境化教学改进研究的初衷和归宿。

３．５    评   价

持续性评价是课程标准“教、学、评”一致性要求的表现形式，它既要对教学行为作出评价，也要对学习行为作出评价。对以上４个环节设计如表1的评价点，在循环优化中不断改进教学过程，促进学生达成学科核心素养。

以上情境化教学改进的五步进阶模型还可以与课前预习、课后复习的自主学习过程相配合，即将情境化数字资源在课前或课后推送给学生用于自主学习过程，以实现物理概念教学全过程的改进。

４    情境化教学改进的物理教学策略

情境化教学改进的“情境·探究·建模·应用·评价”五步进阶模型在物理概念教学中具体表现为：创设情境－感知体验、设计方案－采集证据、解释交流－建构模型、方法迁移－解决问题、评价反馈－质疑创新。下面以“加速度”概念教学为例进行说明。

４．１    创设情境－感知体验

教师根据学生的学习基础、认知能力和生活经验等，选用与物理概念密切关联的真实问题情境，用实验操作、播放视频、文字表述等方式进行展示。学生在动手操作实验、观看视频、读取文字过程中，获取丰富的体验和感知，教师预设与问题情境有关的物理问题，引导学生从问题情境中提取出有价值的物理信息，诱发学生的好奇心和兴趣，进而追问和思考。

“加速度”教学片段１：选用２０２１年８月东京奥运会男子１００米半决赛的视频，中国短跑名将苏炳添刷新亚洲纪录。解说员说：“苏炳添启动稍快，启动后持续加速，以９．８３秒的成绩打破亚洲纪录。”让学生感知苏炳添加速的过程，教师提出问题：苏炳添启动后速度变化吗？发生了什么变化？教师继续追问：如何从速度变化的角度描述“苏炳添启动稍快”？使学生理解不仅有速度变化的大小，还有速度变化的快慢，加速度就是用来描述速度变化快慢的物理量。

４．２    设计方案－采集证据

根据真实问题情境提取的问题特征，设计探究方案。充分体现物理学的实验特征，尽量采取分组实验的方式让学生经历探究过程。按照“组间同质，组内异质”规则开展小组合作学习，完成组内设计实验方案、小组交流、班级展示、最终确定可行性探究方案。学生以组为单位观察实验现象，记录实验数据。

“加速度”教学片段２：使用Ｔｒａｃｋｅｒ视频跟踪软件，指导学生分析苏炳添百米跑视频，得到苏炳添运动速度与时间的部分数据，结合Ｅｘｃｅｌ数据分析软件对所获取的数据进行线性拟合，绘制出苏炳添的速度－时间图像。再用同样的方法绘制出与苏炳添同组运动员的速度－时间图像，尝试从两个图像中对比分析苏炳添百米全程的加速度情况。然后，引导学生列举生活中做变速运动物体的加速度，并与绘制的速度－时间图像作对比。

“加速度”教学片段３：指导学生操作倾斜放置的气垫导轨，用光电计时器测量滑块下滑过程中速度变化的快慢，理解加速度的概念。分别取用四片宽度分别为８ ｃｍ、６ ｃｍ、４ ｃｍ和２ ｃｍ的遮光片（图２），用遮光片的宽度除以相邻两光电计时器记录的前端遮光时间差即为滑块的瞬时速度。这样既能测得滑块的速度，又能测得其加速度，再绘制出不同滑块的速度－时间图像，对其加速度作对比分析。

４．３    解释交流－建构模型

学生分组对观察到的现象进行分析论证，对测得的多组实验数据进行分析处理，尝试发现规律，得出结论。之后小组之间对探究过程和结果进行交流、评估，培养学生反思交流和使用物理语言表达物理观点的能力。学生经历探究过程后，对得到的结论能够进行科学推理，建构出合理的物理模型，以提升物理思维能力。

“加速度”教学片段４：在进行“速度”教学时，由百米跑的视频计算苏炳添在最后３秒内、１秒内、０．１秒内……甚至更短时间内的“速度”，由此学会了用微分法和比值定义法建立物理概念。速度描述了物体位置变化快慢，与物体位移方向相同，v=△x/△t是平均速度，当Δt很小时，平均速度接近于瞬时速度。在学习“加速度”概念时，学生会将微分法和比值定义法迁移到新情境中，能够比较顺利地理解加速度是描述速度变化快慢的物理量，它与物体速度变化方向相同，a=△v/△t是平均加速度，当Δt很小时，平均加速度接近于瞬时加速度。

４．４    方法迁移－解决问题

研究物理问题的方法众多，方法的类比可以迁移到建立物理概念的教学过程中，因此总结、提炼物理方法对于学生理解物理概念至关重要。比如，比值定义物理量、类比法、等效法、微分法等在中学物理教学中是最常见的。教学中第一次用到的物理方法要讲细讲透，使学生能够融会贯通，能够正确迁移，再遇到同类问题情境时，就能够自主顺利解决，也就是培养了学生“解决问题的能力”。学生在新情境中独立解决问题是物理教学的追求，比如，教学中选用以下问题来评价学生解决问题的能力。

“加速度”教学片段５：汽车以１００千米/时的速度行驶于高速公路上的平直车道内（图3）。驾驶员突然发现前方１００米处发生了交通事故，在不宜变换车道的情况下随即紧急制动。若汽车刹车性能良好，可在５秒内刹停，试分析该汽车是否会发生交通事故。根据上述情境问题的计算，分析《中华人民共和国道路交通安全法实施条例》［４］中，制定“机动车在高速公路上行驶，车速超过１００千米／时时，应当与同车道前车保持１００米以上的距离；车速低于１００千米／时时，与同车道前车的距离可以适当缩短，但最小距离不得少于５０米”条例的依据。

４．５    评价反馈－质疑创新

教师自我评价教学行为，引导学生自评、生生互评和教师评价学生的学习行为，对照前面表格内容进行优化。

５    针对本研究的思考

情境化教学改进的五步进阶模型在一定范围内经物理教学检验后，已取得了较为满意的效果。教师的课程实践力普遍得到提高，课堂教学效果得到改善，情境化资源拓宽了学生的学习场景，学生解决真实问题的能力得到提高。同时，也激发了学生学习物理的内生动力，提高了学生从真实情境中提取物理问题、建构物理模型的能力，进而提高了解决实际问题的能力。但是，教学实践中，真实问题情境呈现的方式仍有一定的局限性，情境来源也受到教师知识面和课程视野的限制，还需要学校配备有充足的实验室和完备的实验器材等。依据物理课程标准的教学改进任重而道远，需要教师的共同努力。

参考文献：

［１］中华人民共和国教育部．普通高中物理课程标准（２０１７版）［Ｓ］．北京：人民教育出版社，２０１８．

［２］程力，李勇．基于高考评价体系的物理科考试内容改革实施路径［Ｊ］．中国考试，２０１９（１２）：３８－４４．

［３］刘林．基于物理学科核心素养的创设问题情境教学设计的研究——以“向心加速度”为例［Ｊ］．物理教学探讨，２０１９，３７（５）：１－４．

［４］中华人民共和国道路交通安全法实施条例［Ｊ］．中华人民共和国国务院公报，２００４（１９）：４－１７．

（栏目编辑    廖伯琴）

基金项目：2022年度山东省基础教育教学改革资助项目“中小学拔尖创新后备人才贯通培养的研究与实践”（鲁教基函〔2023〕87号文）；课程教材研究所重点项目“落实基础教育课程标准实验研究”（JCSZDXM2022002）。