基于发展物理核心素养的探究式教学设计

田雯+++高翔

摘 要：探究式物理教学设计有助于培养学生的科学探究方法和强化学生的科学探究意识，帮助学生养成终身发展所需的必备品格与关键能力，形成学生的物理学科核心素养.

关键词：科学探究；核心素养；教学设计

《全日制义务教育物理课程标准（实验稿）》指出：“科学探究既是学生的学习目标，又是重要的教学方式之一.将科学探究列入内容标准，旨在将学习重心从过分强调知识的传承和积累向知识的探究过程转化，从学生的被动接受知识向主动获取知识转化，从而培养学生的科学探究能力、实事求是的科学态度和敢于创新的探索精神.”“学生在科学探究活动中，通过经历与科学工作者进行科学探究时的相似过程，学习物理知识与技能，体验科学探究的乐趣，学习科学家的科学探究方法，领悟科学的思想和方法.”

《普通高中物理课程标准（实验）》进一步强调：通过初中课程的学习，学生对科学探究的过程有了一定的体验，并具有了初步的科学探究能力.高中阶段的物理课应该在这个基础上，更加关注学生在科学探究过程中的学习质量，进一步加深对科学探究的理解，提高科学探究的能力[1].

物理课程作为自然科学领域的重要基础课程，它包括物理观念、科学思维、实验探究、科学态度和责任四个方面的物理核心素养内容.这四个方面的关系如图1所示.

从图1来看，实验探究是形成核心素养的基础和起点，通过实验探究可以逐渐形成物理观念，发展科学思维，培养科学态度和责任.其他三个方面的核心素养在形成的过程中，相互影响、相互促进、共同发展.

一、实际问题解决 培养学生的科学思维素养

科学思维素养包括模型构建、科学推理、科学论证和质疑创新等要素.学生通过物理课程的学习，不仅要能够解析“模型化”的物理试题，更要有利用科学知识和方法解释生活中的物理现象，解决学习和工作中问题的意识和能力.

例如：在《力的分解应用》一节中，笔者在课堂教学中设计了山路十八弯、锋利的斧刃、耕犁牵引杆的调整三个联系实际生活的问题，如表1.

教学设计的基本思路是要通过自然界及社会生活、生产中实际问题的分析、综合、简化和抽象，形成物理学研究的物理模型，再利用数学工具变成可以定量分析的数学问题，最后利用物理知识解释和解决问题.过程如图2所示.

在本节课中，教师引导学生首先从山路十八弯、锋利的斧刃、耕犁牵引杆的调整的实际问题出发，忽略次要因素，突出主要因素，抽象出斜面上重力分解模型、劈力的分解模型和倾斜拉力分解模型.其次，按照力的实际作用效果分解力，并用平行四边形法则作出力分解的平行四边形.第三，在平行四边形中，利用数学知识列出分力和合力的关系.第四，利用分力与合力的关系式和数学函数知识、物理知识，讨论、分析和解决山路为什么是十八弯、斧头锋利就容易劈开物件、耕犁的牵引杆长短为什么会影响耕地质量和效率等问题.最后，再和实际问题做对照，评估和反馈问题解决的合理性.

物理课堂教学应该为学生创造真实、复杂的问题情境，鼓励并引导学生剖析问题、简化问题、建立物理模型，并运用适当的方法解决问题.学生面对一个客观真实的实际问题，很难找到直接效仿的模型，需要通过独立思考，不断尝试，对问题进行探索.要经过对物理模型分解、简化、抽象等思维过程，进行推导、验算、评估和反馈等，这样可以达到培养学生科学思维素养的目的[2].

二、综合实践活动 培养学生的探究意识和合作精神

综合实践活动指的是，指导学生进行物理科学探究实践活动，通过学生自己的设计和实践操作，逐渐形成利用科学思维方法解决实际问题的能力，培养学生的科学探究意识和合作精神.

例如：利用“运动概念”的活动设计（此内容参考了《物理：原理与问题》），引导学生活动[3].（活动方案略）

学生初次完成这样的任务，显得有些稚嫩.在制定实验计划的过程中，学生必须明确实验目的和已知条件.要完成任务就必须要提出具体任务，学生要提出自己的猜想和假设.还要考虑实验的方法、装置与器材和实验中的变量及控制方法.在这个过程中，学生逐渐学会了把研究的猜想与假设落实到具体的操作方案上来.同学之间相互交流研究计划，寻找计划中的不当之处，并预料它在探索中所产生的不良后果等.

在实验探究过程中，学生遇到了困难，并想办法解决.

如：困难一，米尺长度过短，无法一次准确测量长度.

解决方案：我们用标记物每2m做一次标记，反复使用米尺，测量出距离.

困难二，跑的同学过快而不能测出时间.

解决方案：一个计时，喊“三、二、一”.走或跑得慢些（伽利略用斜面代替竖直运动，减小重力对速度影响，就是让运动变慢）.

困难三，没有标记工具.

解决方案：利用跑道边雨漏之间的等间距，解决被测路程长度不足.从树丛旁找来较为平直的树枝充当起点和终点线.弯道利用运动场上标好的线辅助实验测量.

学生在探究中遇到了困难，但能在实践中找到解决的办法.这些都有利于培养学生严谨的科学态度，在实践中要考虑数据的准确性、可靠性和严密性，也有利于发展学生的批判性思维.

活动结束后，学生各自都谈了自己的感受.

首先我们提出了问题并猜想，跑得越快时间越短.接着我们设计了实验方案（用米尺测量10m和50m距离，然后让几个同学分别走、慢跑、加速跑，用秒表测量时间），并收集了6组数据.分析实验数据我们发现物体运动速度越快，用时越短（路程相等时）.最后经论证，我们通过了该结论.

再进行评估，发现其中有一些地方不准确.和其他组交流实验数据和结论并完善我们的结论.在设计的物理模型中我们忽略空气对实验的影响.自己动手实验，动脑思考问题，很有趣味性，并要求团队有较强的协作能力.

从这些谈话中我们发现，在综合实践活动中，学生经历了与科学工作者进行科学探究时的相似经历，学到了物理知识與技能，体验科学探究的乐趣，学习科学家的科学探究方法，领悟科学的思想和精神，从而培养学生的科学探究能力、实事求是的科学态度和敢于创新的探索精神.在活动中，学生不断变化自己的角色，不仅有利于发展学生的合作精神，更重要的是有利于学生探究能力的全面发展.

三、失败实验 培养学生的科学态度和科学精神

有关科学精神和态度的核心素养表现为对科学研究的热情和实事求是的态度.学生通过物理课程的学习，应该能够领悟物理学研究过程中表现出来的尊重事实、实事求是的科学研究态度，能在学习、生活和工作中坚持做到实事求是.

例如：学习变压器的结构后，介绍变压器的理想化结构的三个要点：①线圈电阻不计；②闭合铁芯，无漏磁；③无涡流.

由此得到E1=U1，E2=U2

然后用实验来验证，当原线圈匝数为800匝，副线圈匝数为400匝，原线圈输入电压为16V，输出电压为多少伏？

引导学生们得出输出为8V，教师满怀信心地接通电源，可实验现象观察发现电压表的示数却只有4V，这时教师有点慌了.检查电路连接、电压输出等.学生也忙着检查，突然一个声音打破了宁静：“铁芯没有闭合！”这时引导学生仔细观察，发现刚才演示可拆的两个线圈時，把闭合铁芯可拆的铁块拿掉了，而实验前没有恢复.这时教师没有急着纠正实验，而是引导学生想“这个铁块真能起到我们预想的作用吗？它放在变压器上，到底起到了什么作用？”学生思考后争先回答：“闭合铁芯”“使磁没有损失.”

教师又进一步引导追问：“电压减小，说明能量减少，有能量损失.那么，请问，能量到哪里去了呢？”

学生回答：“漏磁，损失了磁场能.”

经过与学生探讨分析后，教师把铁块放到原位置上，使铁芯闭合.再接通电源，发现电压表的指针稳稳地滑过4V的位置，直到8V的位置.此时全班同学欢欣鼓舞，脸上洋溢着满足的笑容，显露出得意的神情，并体会到了思考探讨的成功.

在教学中，出现了意想不到的问题，然后经过观察、提问、试探、分析、得到结论的过程正是一个科学探究的过程，这种过程真实地呈现给了学生.而且学生在其中积极思考、分析并能提出建设性的意见和建议.在一些失败的实验教学中，教师从正面引导，分析造成失败的原因，激发了学生探究问题的兴趣.失败和挫折的经历留给学生深刻的印象，加深了对知识的理解，并培养了学生实事求是的科学态度.在教学中多创造一些这样的“失败”，学生就会多一些对不同现象的质疑和多方面多角度的研究意识，引导学生分析问题，找到实验成功所需的条件，让他们在失败中重新扬起风帆，培养学生的创新精神.

科学探究的过程充满着创造性，洋溢着科学的精神，渗透着科学的思想方法.科学探究的学习活动，有利于知识、技能、方法、态度、情感在学生自身人格中的内化，使学生的核心素养得以全面提升.科学的核心是探究，教育的重要目标是促进学生核心素养的发展，科学探究的教学设计正是科学和教育的结合.

参考文献：

［1］李尚仁.高中物理课程标准教师读本［M］.武汉：华中师范大学出版社，2003：96-113.

［2］邢红军.高中物理高端备课［M］.北京：中国科学技术出版社，2014：116-126.

［3］保罗·齐策维茨.物理：原理与问题［M］.仲新元，译.上海：上海科学技术出版社，2005：48-61.