指向高中物理学科核心素养培育的情境化教学实践

摘   要：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。在情境化教学中，需先对主题情境进行“情境化—去情境化—再情境化”的拆解，并对应设计“提炼问题—建构模型—回归与迁移新境”的认知活动。以“机械能守恒定律”一课为例，遵循上述情境化教学路径，详细说明如何通过情境化教学实现核心素养的落地。

关键词：核心素养；情境化教学；高中物理

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2024）6-0030-5

《普通高中物理课程标准（２０１７年版２０２０年修订）》指出：在教学设计和教学实施中要重视情境的创设；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［１］。由此可见，情境化教学与核心素养的培养密不可分，教师可在情境中提出真实问题，培养学生的物理观念；从情境中抽象出物理模型，为科学思维的形成提供依据和框架；通过情境收集信息，激发学生科学探究的兴趣；在与社会生活紧密联系的主题情境中渗透培养科学态度与责任。

１    情境化教学的内涵

情境化教学是教师在教学过程中有意识地引入或创设一定的情境，把知识转化为与知识产生或具体运用的情境具有相似性结构的组织形式，让学生参与、体验类似知识产生或运用过程的情境，学生在情境化教学中主动将知识与实践联系起来。因此，为了真正将培养学生核心素养贯穿在课堂中，必须设计完整的情境化教学，主要包括三个环节，即情境化、去情境化和再情境化。“情境化”旨在帮助学生形成感性认识，为知识的意义建构做好充分准备；“去情境化”是从具体情境中分离概括化的知识，发展学生的科学思维；“再情境化”是将知识再次回归情境以及迁移至其他情境，培养学生解决问题的能力［２］。

２    情境化教学现状

目前，有些教师的做法是在课堂初始创设教学情境，从情境中发现问题后，开始灌输物理知识与规律解决问题，后续的教学中便弃之不用。在这种做法中，仅仅只是将情境作为激发学生兴趣的工具，忽视了情境对核心素养的培养价值。也有部分教师在一节课中使用了过多情境，但情境之间没有逻辑关系，这也失去了情境对于知识建构的重要价值。

３    情境化教学路径

笔者认为，情境化教学应该在一节课根据教学目标确定一个主题情境，然后对这一主题情境进行“情境化—去情境化—再情境化”的拆解，学生在真实情境中提炼物理问题，然后对此进行模型建构，进行探究活动，得到与之相关的物理规律或知识，最后回归情境解释或解决实际问题，并迁移至其他情境中。因此，在教学设计中，应该根据这条情境主线设计出对应的教学目标实施手段以及素养目标培养路径。基于对核心素养的理解以及多年来进行情境化教学设计的实践，笔者总结出指向核心素养的情境化教学的一条可行路径，如图１所示。

４    情境化教学案例设计思路及案例分析

４．１    设计思路

在“机械能守恒定律”这一节的教学活动中，通过讨论不同运动模型（如自由落体、弹簧振子等）中动能与势能的变化，提出物理学中的守恒思想，引导学生思考是什么物理量不变，进一步引出机械能这一概念，成为教师不谋而合的选择。在人教版教材中采用“光滑斜面”“竖直上抛”这些本就经过理想化处理的模型进行机械能内容的展开。在沪科版教材中节首图选择了海盗船这一真实情境，但在正文中直接提出：在“海盗船”来回摆动的过程中，如果不计空气阻力和摩擦力，就只有重力做功，动能和势能相互转化，转化过程中它们的总和不变，即机械能守恒。如果教师按照教材的这个思路直接开展教学，那么就跳过了“情境化”这一步骤，直接来到了“去情境化”中的模型建构上，即使最后“再情境化”，学生已经错过了从真实情境建构物理模型这一关键步骤。在这样的教学流程中学生会存在以下问题：为什么不计阻力和摩擦力？既然在海盗船这一真实情境中机械能并不守恒，研究机械能这一物理量是否有意义？带着这些疑问，学生对于之后的学习就无法将知识内容与真实情境联系在一起，更不用说对核心素养的培养。

那么，为什么不能直视真实情境中机械能的变化，利用真实情境设计完整的情境化教学，从机械能的“变化”帮助学生建立理想模型中的机械能“守恒”思想呢？笔者根据这一想法，在“机械能守恒定律”这一课中以“摆锤实验”作为主题情境，帮助学生在情境中建立机械能概念，从不同情境中提取信息，并对机械能守恒条件提出猜想和理论推导，最后根据机械能守恒条件，再次回到情境中分析机械能变化的原因，将整个情境贯穿始终，不断渗透对学生核心素养的培养。具体教学设计思路如图２所示。

４．２    案例分析

４．２．１    展示真实情境，提炼物理问题

【小游戏】 最近在视频网站出现了很多“假视频”，利用视频的倒放功能，让观众误以为是特殊能力或魔术效果。老师今天给大家看一段视频，大家猜测一下这个视频是倒放还是正放。

【播放视频】 该视频是一段教材中的“碰鼻”实验，在该视频中，由于已经进行倒放编辑，因此在视频中每次篮球的最高点越来越高，但由于篮球摆动的速度较快，需要寻找合适的参照物进行仔细观察。

生：我觉得好像是倒放。

师：你是如何判断的？判断依据是什么？

生：以这个人的鼻子作为参照点，篮球摆动的最高点不可能越来越高。

师：为什么不会越来越高？

生：因为能量会损失。

师：我们之前学习了动能、重力势能，是这两种能量损失了吗？

生：好像都不是，在这里动能和重力势能不断转化，但它们的总和应该会有损失。

师：非常好！在物理学中，我们把动能和势能统称为机械能。在这段视频中，最高点的高度在不断变高，那么就是机械能在不断变大，这显然与我们的生活经验不符。那么，真的没办法让它的最高点变高吗？

生：有，只要有人在对面推一下就行了。

教师播放视频，肯定学生的观点。

教学目标实施手段：利用这一真实情境设计的小游戏引起学生思考，根据生活经验判断出视频的正倒放，然而这样的生活经验与物理知识有什么关联？从这一情境的引入，带领学生从经验走向物理学概念和规律，建立起机械能的概念，同时可以根据最高点这一特殊位置初步判断机械能的变化。

素养目标培养路径：学生在观察摆锤实验视频的过程中，通过观察摆球最高点的变化，培养学生从视频中收集和获取信息的能力。在学生说明观点、分析原因的过程中，通过师生对话发现，学生很难将生活经验转化为物理语言表述清楚，因此教师通过问题链的设置，帮助学生厘清思路，培养学生的语言表述能力和逻辑推理能力。学生在思考并分析机械能变大可能性的过程中，培养了科学严谨、实事求是的科学态度。

４．２．２    进行模型建构，完成去情境化

【播放视频】 刚才我们已经学会采用最高点的位置去观察视频是正放还是倒放，接下来再观察一段尝试判断。视频为一个牛顿摆来回摆动，在视频拍摄时间段内摆动高度几乎不变。

生：没办法判断了，因为高度好像一直没有变。

师：同学们觉得这种情况可能吗？老师这里带来了一个牛顿摆的模型，请大家仔细观察最高点的高度是否发生变化。

生：好像最高点高度基本没变。

【展示图片】 一个用细线悬挂的小球在竖直平面内左右摆动的频闪照片，如图３所示。

师：刚才在视频中观察起来可能有些难度，老师这里有一张小球左右摆动的频闪照片，请问在这个过程中动能、重力势能、机械能怎么变化？

生：在这个过程中动能与重力势能来回转换，机械能的大小几乎不变。

师：同样都是摆锤运动，刚才出现在视频中的摆锤运动机械能变小，当有人在对面推一下，机械能变大，但在这张照片中机械能几乎不变。请问这三种摆锤运动有什么区别呢？同学们是否可以猜测一下，机械能保持不变或者说机械能守恒的条件是什么？

【小组讨论】 对比在三个摆锤实验中的机械能大小变化的不同情况，猜想并理论推导机械能守恒的条件。

小组讨论结果１：没有阻力也不受外力时，机械能不变。

教师提示：能量的变化应该和做功息息相关。

小组讨论结果２：没有外力做功时，机械能不变。

教师提示：那么，应该如何界定外力呢？

小组讨论结果３：只有重力做功时，机械能不变。

【理论推导】 是否可以根据之前学习的能量变化，理论推导出机械能守恒条件。

根据动能定理ΔEk=Wｆ合，明确动能的变化与合外力做功的关系。

又根据ΔEp=-WG，明确重力势能的变化与重力做功的关系。

综上，机械能的变化ΔE=ΔEk+ΔEp=Wf合-WG，由此可知，如果只有重力做功，机械能守恒。

教学目标实施手段：学生在观察摆锤运动的视频中，已经基本掌握了利用最高点作为特殊位置分析摆球运动中机械能的变化，通过展示摆的频闪照片，从照片中获取有用信息，判断该模型中摆动的机械能几乎不变。摆球在三种情境下分别呈现了变小、变大和不变三种情况，将这三种情况构建为同一种物理模型，分析其能量变化的原因。通过小组交流的方式，引起学生间的思维碰撞，并通过教师提示和理论推导的过程，最终得出机械能守恒的条件。

素养目标培养路径：从复杂的实际生活到简单的物理模型，逐步培养学生模型建构的能力。同时，反复训练学生利用视频或照片呈现的信息，培养基于证据得出结论并作出解释的科学探究能力。在小组讨论、交流、辩论、理论推导的过程中，不仅加深了对功能关系的认识，也培养了学生质疑创新以及逻辑推理的能力。

４．２．３    再次回归旧境，继续迁移新境

【回归旧境】 三种不同情况下的摆锤最高点变化情况（变低、变高和不变）。

师：刚才我们利用最高点这一特殊位置分析了三种机械能的变化情况，现在请同学们根据机械能守恒条件，讨论并说明这三种情况下机械能变小、变大或几乎不变的原因。

生：第一种机械能变小是因为有空气阻力做负功；第二种机械能变大是因为对面有同学推了一下做了正功；而第三种机械能几乎不变是因为空气阻力可以忽略不计。

师：非常好！刚才我们分析了三种情况下机械能变化的原因。我们发现机械能变化的原因都和除重力以外的其他力做功有关，因此从中可以总结出如果有除重力以外的其他力做功，物体的机械能变化。另外，在第三种情况，虽然现实情况中摆锤运动时一定受到空气阻力的影响，但只要空气阻力可忽略不计，我们也可以视作机械能守恒的情况。

【迁移新境１】 苹果树上苹果和树叶从同一高度无初速下落，二者的落地速度是否一致？

生：树叶下落会受到空气阻力，下落的加速度小于重力加速度，而苹果下落可以视作自由落体运动，由于二者下落的竖直距离一致，根据匀变速直线运动公式可知，树叶的落地速度小于苹果的落地速度。

师：那能不能通过今天学习的机械能知识来解释呢？

生：树叶下落时，由于空气阻力做负功，机械能减小；而苹果下落时空气阻力可忽略，因此机械能不变。

师：刚才那位同学只是定性分析，那么应该如何列式表示呢？

生：如果以地面作为零势能面，树的高度为ｈ。则初始时树叶的机械能E初=mgh+0，落地时E末=0+（1/2）mv2，由于机械能变小，因此树叶的落地速度v<√2gh；而苹果的机械能几乎不变，因此苹果的落地速度v=√2gh。综上所述，树叶的落地速度比苹果的落地速度小。

【迁移新境２】 如图４所示，某人乘雪橇沿雪坡经Ａ点滑至Ｂ点，接着沿水平路面滑至Ｃ点停止，人与雪橇的总质量为７０ ｋｇ。表1中记录了沿坡滑下过程中的有关数据，请根据图表中的数据判断ＡＢ段雪坡粗糙还是光滑，并说明理由。

师：这里ＡＢ段是否粗糙能不能利用牛顿运动定律进行分析？

生：不可以，因为ＡＢ段是曲线，物体的受力情况一直在变化，分析起来太困难了。

师：那你们有什么好方法吗？

生：我可以以地面作为零势能面，分别计算人和雪橇在Ａ点和Ｂ点的机械能大小，发现在Ｂ点的机械能小于在Ａ点的机械能，说明有除了重力以外其他力做功。而在此过程中，虽然支持力的方向始终在改变，但一直与运动方向垂直，所以不做功，那么机械能变小的原因就是摩擦力做了负功。根据以上推测，我认为ＡＢ段粗糙。

师：牛顿运动定律和机械能守恒定律分别揭示了运动、相互作用和能量之间的相互关系。如果满足机械能守恒条件，且只关注初末状态以及整个过程中的做功情况，优先考虑机械能守恒定律；但如果涉及运功过程中的加速度、时间等细节，则需要利用牛顿运动定律解决问题。

教学目标实施手段：根据机械能守恒条件分析说明这三种情境下机械能变化的原因，从对现象的分析过程中不断加深对功能关系的认识，总结出机械能变化的原因。通过将分析方法迁移至不同的落体运动情境以及滑雪运动情境，利用机械能的变化情况分析物体的运动情况和受力情况，直观感受牛顿运动定律与机械能守恒定律解决问题的不同特点。

素养目标培养路径：通过重新比较与归纳三种情境中机械能的变化原因，结合机械能守恒定律与实际情境，得出机械能变化的原因。从了解机械能守恒条件的理想性，培养学生严谨认真、实事求是的科学态度。通过对新情境的分析（苹果与树叶的下落、滑雪运动等），再次利用机械能的变化情况判断物体的运动情况和受力情况。

５    情境化教学对核心素养培育的实践反思

５．１    在主题情境中发现问题，培养物理观念

在物理观念的素养中，特别强调应用观念解决实际问题。究竟何为“观念”？情境化教学模式始终围绕情境渗透知识，再用知识解释情境问题，在这过程中就形成了从知识到观念的关键路径。物理作为一门与生活息息相关的学科，教师可以利用这一学科优势，在不同主题情境渗透不同的物理观念，比如可以在“粒子加速器”这一主题情境渗透物质观；在“风力发电”情境中渗透能量观等。那么，当学生经历了整个高中阶段的学习后，就能够从物理学视角初步形成关于物质、运动与相互作用、能量等基本认识。

５．２    在去情境化中建构模型，提升科学思维

从实际情境抽象为物理模型，是学生基于经验事实建构理想模型的抽象概括过程。因此，教师在选择主题情境的时候不应与学生的生活脱节太大或过于前沿，学生需要基于经验事实，再通过教师的层级递进式问题，不断抽丝剥茧，排除多余因素的干扰，才能对实际的复杂情境进行抽象概括。

５．３    在物理模型中理论或实践分析，提高科学探究能力

当对主题情境进行模型建构之后，需要对情境中发现的问题进一步进行探究。学生不应仅凭生活经验对其作出解释，应该通过理论分析或实验探究两种方式，基于证据得出结论，并对情境问题作出解释。例如，在家庭电路这一主题情境中，学生对此并不陌生，也能简单绘制出并联电路结构，但由于家庭电路更需要强调安全性，例如家庭电路中导线应如何选择？这就需要学生根据已有的信息（不同导线对电流的承载能力）及证据（焦耳定律），对家庭用电的导线问题进行理论或实践分析。

５．４    在不同情境中感受物理之美，加强科学态度与责任

在高中物理教学过程中，要通过知识的学习和科学探究，才能让学生逐步理解科学的本质。因此，在以情境主导的教学活动中，学生在好奇心的驱动下会自发地进行学习与探究，才能对科学本质有更深的认识。另外，由于物理学科涉及的情境范围较广，强调科学、技术、社会、环境的关系，学生在认识科学本质的基础上，逐渐形成对科学、技术应有的正确态度和责任感。

参考文献：

［１］教育部基础教育课程教材专家工作委员会.普通高中物理课程标准（２０１７年版２０２０年修订）解读［Ｍ］．北京：高等教育出版社，２０２０．

［２］吴喆，何善亮．物理教学的“情境化”“去情境化”与“再情境化”［Ｊ］．物理教师，２０１７，３８（１１）：２１－２５．

［３］谭海兰，袁勇．基于核心素养的高中物理情境化教学设计——以“高空抛物”情境教学片段为例［Ｊ］．课程教学研究，２０２１（８）：９２－９６．

（栏目编辑    刘   荣）

收稿日期：2023-12-19

作者简介：倪峥（1992-），女，中学一级教师，主要从事高中物理教学工作。