指向思维发展的研学物理课堂的思考与构建探索——基于优课评比“功”课堂教学的观摩

韦叶平

(江苏省前黄高级中学,江苏 常州 213161)



指向思维发展的研学物理课堂的思考与构建探索
——基于优课评比“功”课堂教学的观摩

韦叶平

(江苏省前黄高级中学,江苏 常州 213161)

基于物理学科核心素养的内涵,笔者对5位教师实际课堂教学的表现进行分析点评和创新设计,构建以“问题→研究→展示→评价”为主线的研学物理课堂教学模式．

教学设计;核心素养;思维发展;研学物理课堂

笔者有幸受邀担任常州市区高中物理优课评比评委．其中,课堂教学环节共观摩了5节课,课题是“人教版必修2第7章第2节‘功’”．结合5位参赛教师对教材理解、教学设计、课堂实施等方面的具体表现,笔者和广大一线教师与专家共同探讨,谈谈自己的理解与分析以期抛砖引玉．

1 基于教材变化与物理学史的教材分析

现教材为什么要设置“追寻守恒量——能量”为本章第1节?

新课程实施前,即以往的教科书中,一般先定义功的概念及其表达式,然后说“一个物体能对外做功,就说明它具有能”．接着举例说明,做功伴随着能量的变化,进而得出“功是能量变化的量度”．因为能量的概念十分抽象,而功的概念比较具体,也容易量度,教材通过做功了解能量变化,从而认识能量无可厚非．19世纪20年代,法国科学家科里奥利明确地把作用于物体上的力和受力点沿力的方向位移的乘积叫做“力的功”．

当然,这样处理很容易使人感到,定义“功”是为了定义“能”,先有功的概念,才会有能的概念．但是,在物理学中能量并不是由功定义的,而是在人类追寻“守恒量是什么”的过程中发展起来的,守恒关系一直是自然界中客观存在的一种十分重要的关系．17世纪,莱布尼兹在惠更斯的运动量守恒的基础上研究发现,运动物体具有一种“活力”;18世纪末,人们研究热现象时认为物质中含有一种“热质”;19世纪初,人们研究发现热、光、电、磁、化学等各种现象中都含有类似“活力”、“热质”一样的“自然力”,它们不能从“无”到“有”,会相互转化,但他们是统一的,等价的,本质是相同的,于是人们用“能量”统称各种“自然力”;1807年,英国科学家托马斯·杨第一次使用了“能量”这个词．同时,尽管早在17世纪初,伽利略的理想斜面实验就已经接近机械能守恒思想,但直到19世纪30年代末、40年代初,才有分别属于西欧的四五个国家,从事七八种专业的十几位科学家,分别通过不同的途径,各自独立地发现了“能量守恒定律”,代表人物有迈尔、焦耳、亥姆霍兹等．基于这种思考,新课程实施后,即新教科书将“追寻守恒量”放到了具体的概念如重力势能、弹性势能、动能之前,即从追寻守恒量出发,引出能量概念,并把守恒思想的渗透贯穿于能量学习的全过程．

新教材本章第1节“追寻守恒量——能量”以引入能量概念为目的,强调近代物理学的发展伴随着对守恒量的追求,加强学生对守恒关系的认识,仅用一节相对独立的内容稍显突兀,有急于求成的感觉．2016年9月,教育部专家组修订的《普通高中物理课程标准》面向一线资深教师和专家征求意见．高中物理课程结构显示,必修课程由必修1(机械运动与物理模型,相互作用与运动定律,机械能及其守恒定律)和必修2(静电场,电路及其应用,能源与可持续发展)构成．“追寻守恒量——能量”不作为教材内容,“功和功率”作为第1节,随后学习机械能及其守恒等相关知识;在必修2学生逐步了解自然界中存在多种形式的能量后,把“能源与可持续发展”作为最后一章,更为合理，显得循序渐进．

2 追源功的概念的建立是否有必要?

功的概念的建立,5位教师引导学生结合初中已经学习关于功的初步知识,用不同的方法让学生回顾得到做功的两个要素:一是作用在物体上的力;二是物体在力的方向上移动的距离．从而得出功的定义,即一个物体受到力的作用,并且在力的方向上发生了一段位移,这个力就对物体做了功．

教师W提出一个有趣的问题:让你坐上时光穿梭机来到18世纪的英国,矿上都使用蒸汽机提煤,你会怎样来评估蒸汽机干活的多少呢?(在学案上试着写写或画画你的评估方案)．学生代表展示评估方案,教师W点评并结合教材说明:在实践中大家逐渐认识到,当燃烧同样多的燃料时,机器提起的重量与提起高度的乘积F·h是一个不变量．当把不同重量的煤提起不同的高度,就可以用F·h评估蒸汽机干活的多少,即做了多少功．

教师Z列举并演示推动箱子、接住下落的小球、弹弓弹射物体的远近等情景,让学生分析得出引起物体能量变化的原因是有力对物体做功．然后结合初中物理知识,观察水桶、叉车不同形式的运动过程,得出做功的必要因素和功的计算公式:W=0(α=90°);W=Fl(α=0°).

教师H1列举并演示小球上抛和下落过程、蒸汽机的工作过程,让学生从能量变化原因的角度引入功;结合教材列举图例中物体所处的不同状态或运动过程,探究归纳做功的两个不可缺少的因素和功的计算公式:W=0(α=90°);W=Fl(α=0°).

教师Q通过演示玩具电动小车水平开动、用手按住开动的小车、小车从桌上滑落、捡起小车、托着小车水平移动等过程,分析小车能量变化与做功的关系,强调功是能量转化的量度,从而回顾得出做功的两个要素和功的计算公式W=Fl.

教师H2展示6种情景,前3种情景物体的能量都没有变化,后3种情景(即教材图例)物体的重力势能、动能、弹性势能分别发生了变化,思考得出能量的变化与力以及力的方向上的距离有关,进一步提出问题:力和力的方向上的距离满足的某种关系能否成为衡量能量变化多少的量度呢?

教师H2介绍历史背景1:随着早期工业的发展,工程师通过长期实践,发现燃烧相同的燃料,机器举起的重量与上升高度的乘积可以作为衡量重力势能增加的量度,以此来比较机器的效能,于是将之定义为“功”．

图1

随后,教师H2设计趣味实验:“疯狂原始人”的挑战——模拟“吹箭”,将相同的纸巾揉成纸团放入不同圆管中,观察纸团飞出的远近,即纸团获得动能的大小(做功多少),如图1．

挑战1:一个男生和一个女生利用一样长度的吹管尽力吹．(l一定,W与F的关系?)

挑战2:一个男生第一次尽力吹长管,第二次尽力吹短管．(F一定,W与l的关系?)

挑战3:男生尽力吹短管,女生尽力吹长管．(怎样表示W与F、l的关系?)

教师H2介绍历史背景2:1829年,科里奥利在他的第一部著作《机器功效的计算》中,明确将力和受力点沿力的方向上位移的乘积叫做功,以定量地衡量能量的变化．从而复习回顾做功的两个不可缺少的因素和功的计算公式:W=0(α=90°);W=Fl(α=0°).

至此,5位教师都得出了做功的两个要素和特殊运动过程中功的计算式．显然,教师W和教师H2探究的时间较长,大约20min;学生在初中已经接触过功,另外3位教师在学生已有知识的基础上,较为简洁地从功和能量变化关系的角度得出结论．但这节内容并不是初中内容的简单重复,而是内容的深化和拓展,5位教师都注意本着创设情景,设疑激趣的原则展开教学,都有可取和改进之处．教师H2设计“疯狂原始人”的挑战游戏创设问题情境,同时注重方法渗透,利用控制变量法进行实验探究,学生则感到奇特不已,妙趣横生,让学生在自然、欢快、轻松的气氛中学习,在游戏活动中学习新知识、运用新知识．

当然,实验并不可能解决所有问题,这一实验探究最多只能得到W与F、l正相关,W=Fl、W=F2l、W=Fl2或是其他表达式?实验只是提供了定量探究功的计算式的一个桥梁,还有必要进行逻辑推理,这正是教师W探究一个有趣问题评估方案的必要性所在．蒸汽机能够将1t煤提升30m,根据等效思想,燃烧同样多的燃料,蒸汽机能够将3t煤提升10m．这两种情况,蒸汽机的效能相同,可以用Fl(=mgh)表示这个不变的物理量,而其他表达式不满足等效思想．

同时,我们还要注意到课堂教学的时间是有限的,如果不加指引,让学生探究活动信马由缰,不仅探究目标难以完成,而且对学生探究能力的培养不利．兼顾开放性与指导性的问题情景设计,是学生主体性和教师主导性综合发力的有效载体,也是课堂探究效益得以实现的保障．教师W的问题过于开放,教师H2设计的探究活动过多,每个探究环节都以若干个问题为指引,将探究任务和目的具体化,适时提醒学生在探究活动中要注意的事项,可以规避探究的盲目性．

基于以上分析,笔者建议设计以下教学流程:设置简单问题情景(手托粉笔擦的运动回顾做功的两个要素)→实验创新定量探究(模拟“吹箭”游戏)→借助史料逻辑推理(比较量度蒸汽机的效能)→归纳得出功的概念(科里奥利定义功),突出创设问题情景和开展方法教育的重要性,有助于学生思维能力的发展．

这里,笔者产生一个问题:高中知识的学习对概念的定义与理解更加深入,我们已经学习位移,对功的要素应如何更加精确地描述?似乎很自然地实现从“距离”向“位移”的跨越．力和位移均为矢量,也为学生难以理解功是标量留下隐患,因此对功不是矢量、没有方向的认识是本节的难点,建议本环节暂不作强调．

3 功的一般表达式W=Flcosα的处理与设计

若力的方向与物体的运动方向成某一任意角度α,该怎样计算功呢?5位教师的设计思路基本相同,让学生展开讨论,根据力的分解知识,将F用垂直位移方向的分力F1=Fsinα和沿位移方向的分力F2=Fcosα来等效替代,由于分力Fsinα与位移l垂直,故不做功,而Fcosα与l的夹角为0°,故做功为W=Flcosα,进而得出功的一般表达式．这个思路也是教科书中给出的方法．

图2

查阅苏科版、沪科版8年级物理教材,定义功是力和物体在力的方向上移动距离的乘积;人教版高中物理教材,定义功是力和物体在力的方向上移动位移的乘积,但实际探究过程中,往往用位移和在位移方向上分力的乘积推导．人教版《教师教学用书》中指出,对于基础较好的学生,在教学中应活跃和开阔他们的思路,可以介绍另一种方法,因为位移是矢量,也可以分解为lcosα和lsinα,如图2,同样可以得出W=Flcosα,同时自主学习教科书中的思路和方法．

图3

两种方法本质是相同的,但高一学生接触矢量不久,第1种方法容易形成只能分解力不能分解位移的思维定势;第2种方法探究过程不直观,学生较难理解,有把简单问题复杂化的嫌疑．笔者尝试重新构建物理模型,如图3,物体沿顶角为37°的斜面由顶端滑至底端,重力F与位移l成α=37°角,如何计算这一过程重力做的功?让学生展开讨论,分解位移l,根据重力F和物体在力的方向上移动位移lcosα的乘积,容易得到功的一般表达式W=Flcosα.

图4

笔者进一步构建物理模型,如图4,物体以某一初速度沿该斜面从底端冲上顶端的过程中,重力做了多少功?请比较这两种过程做功的异同．

学生讨论,这两种过程中,重力的大小和力的方向上位移的大小相等,因此做的功相等,即W=Flcos37°;也有学生提出,根据力和分位移的方向关系,第二个过程中重力做负功W=-Flcos37°……

本环节的教学中,教师Z利用图3模型以例题探究的形式理解巩固功的计算和功的正负;教师H1从分解力和分解位移两个方面进行比较探究功的一般表达式．值得肯定的是,教师H1设计了一个小实验,圆珠笔内被压缩的弹簧将笔弹出的过程中,W=Flcosα就不适用了,因为弹力F的大小在弹出的过程中不断变化,弹力所做的功,就是变力做功,指出该公式适用于恒力做功．如何研究变力做功,可以作为一个问题提出,既作为激发学生思维的问题,也为后续内容的学习埋下伏笔．此外,笔者认为,对功的单位焦耳,特别是1J的大小,需要让学生再一次有一个感性认识和体会,可以直接引入课堂．

3种教材分别设计了体会一些力做功估计值的活动．苏科版8年级物理教材,从地上拿起一个约50g的鸡蛋,并把它缓缓举过头顶,在此过程中你对鸡蛋做的功大约为1J．沪科版8年级物理教材,将两个鸡蛋举高1m,做功约1J;将一瓶500mL的矿泉水从地上拿起并举高,做功约为10J;将一袋10kg的大米从地面扛到肩上,做功约150J;体重600N的某学生从一楼走到二楼,做功约1800J．美国高中主流理科教材《物理原理与问题》,一只苹果重约1N,在你将它向上举高1m的过程中,你对它做了1J的功．

4 用等效思想进行总功的计算与难点突破

实际物体会受到多个力,如何求多个力作用下的总功呢?教师W、教师Z、教师H1等3位教师均以物块滑下粗糙斜面为例,求重力、弹力、摩擦力分别对物体所做功的代数和,即为总功．用这种方法求总功的前提是,在本环节前通过功和能的联系说明功是标量．结论当然是正确的,但从物理学发展的过程看,功和能概念的建立过程是相对独立的,之后在具体的物理过程中“汇合”时,人们才进一步认识到功的重要意义在于它可以决定能量的变化,才把它们联系在一起．

教师继续引导,由于合力与分力是等效替代关系,所以合力做功与分力做功也是可以替代的．分别用上述两种方法求解,得到求总功的两种方法,即W总=W1+W2+W3+…+Wn=F合lcosα.

图5

另一种教学设计,如图5,在光滑的水平面上,物体受两个沿水平方向、互相垂直的大小分别为3N和4N的恒力,从静止开始运动10m,求每个力做的功和合力做的总功．

两种不同的教学设计都体现等效的思想方法,笔者认为,第2种教学设计更符合物理学史的发展,更接近科学探究的思想．在发现规律、提出物理量的表达式的过程中,我们不仅告诉学生结论,而且告诉学生结论是怎样得出来的,这就是重视科学过程的做法．这既是一种教学思路,也是一种科学思维之路,因而对培养学生的逻辑思维能力和研究方法是有益的．

5 指向思维发展构建研学物理课堂的思考

2016年9月,教育部下发的《普通高中物理课程标准(征求意见稿)》指出,物理核心素养是学生在接受物理教育过程中逐步形成的适应个人终身发展和社会需要的必备品格和关键能力,是学生通过物理学习内化的带有物理学科特性的品质,主要由“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”4个方面构成．“科学思维”作为4要素之一提出,并在《标准》中58次出现“思维”这个关键词,可见,指向思维发展的培养对形成学生科学素养的重要作用．

“科学思维”主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素．以物理核心素养的大教育观为导向,对科学思维、教学内容、教学方法、教学过程等进行深入分析和合理设计,把握教学原则、优化教学策略、彰显育人价值,构建以培养学生物理核心素养,着力学生终身发展的高中物理教学设计．笔者提出以“问题→研究→展示→评价”为主线的研学物理课堂教学模式．研,即研究——以研究的方法;学,即学力——提升学习能力,研学物理课堂即是构建培养学生以研究的方法,提升学习能力的物理课堂．

问题:创设问题情境,建构物理观念．建构主义学习理论认为，知识不是通过教师传授得到,而是学习者在一定的情境即社会文化背景下,借助其他人的帮助,利用必要的学习资料,通过意义建构的方式而获得．创设的情境能否激发学生探究欲望的关键是问题,没有问题就难以激发和激起学生的欲望,学生也就不会深入思考,那么学习只能是表面和形式的．通过来自接近物理现象本身的“原始物理问题”抽象为理想化的“物理模型问题”,建构物理观念,有利于培养和发展学生的思维能力．教师W借助史料“比较量度蒸汽机的效能”引导学生从物理学视角解决实际问题,通过逻辑推理用“乘积法”建立功的概念．

研究:引导科学探究,激活科学思维．建构主义认为,学习活动不是由教师向学生传递知识,而是学生根据外在信息,通过自己的背景知识,建构自己知识的过程,教师要从前台退到幕后,要从“演员”变成“导演”,在“演员”最需要的时刻,提供适度的支持．教师H2设计“疯狂原始人”的挑战游戏——模拟“吹箭”,引导学生体会类比法、控制变量法等,体现高中物理方法教育的重要性．需要指出的是科学探究是否会有实验,不是其本质特征．笔者从物理概念建立的过程,沿着思维发展的方向,完成本课由“距离”到“位移”的思维跨越等知识的科学探究,促进学生科学思维的培养．

展示:追求多维互动,强化探究活力．基于核心素养的高中物理教学强调优化教学要素及其相互关系并形成多维互动．教师扮演学生的学术顾问,成为教学环境的设计者、学习活动的组织者和意义建构的促进者;学生通过同伴间的监督指正、展示互动,不仅会发现自己的不足,是自我反思纠正的过程,而且也会发现、甄别和利用展示过程中的生成性资源,发挥生成性资源对培养物理学科核心素养的作用,进一步强化学生的科学探究活力和科学思维的形成．在突破本课难点之一“功是标量”时,教师和学生始终是合作者的关系,改变教师告知学生“功是标量”,进而利用结论求总功的传统教学方法,而是通过用等效思想进行总功计算的两种途径,探究发现“功是标量”的结论,也体现了科学知识的自洽性．

评价:多元发展评价,形成科学态度与责任．课堂教学评价对学生活动有导向、诊断、激励、改进和交流协调等功能．建构主义理论强调,师生之间是一种平等、互动的关系,要改变传统的一元化、终极性评价方式．在过程性评价中,以物理核心素养发展为标准,实现教师评价、生生互评、学生自评等多元化、发展性评价,既能帮助学生暴露错误又能保护学生的自尊心,也能在教师指导、同伴帮助下纠正错误,从而形成科学态度与责任等核心素养的协同发展．

创新教育的目标是要培养学生的创新意识、创新思维和创造能力,教会学生探索未知、挑战未知,从而养成开拓进取、勇于冒险的求知精神,提升学生学科关键能力和学科核心素养．基于核心素养的物理创新教学应该围绕真实而复杂的实际问题,引导学生应用科学思维方法聚焦核心概念,设计核心问题,展开自主学习、合作学习、展评学习,还需要一线教师继续开展实践研究．

1 韦叶平.基于实验探究下的规律课教学实践研究——以创新建构“牛顿第二定律”为例[J].物理教师,2016(8):14-17,21.

2 耿宜宏,王志刚.基于问题探究式教学在高中物理课堂的实践与思考——以“牛顿第三定律”一课的教学为例[J].物理教师,2015(11):27-30.

3 张晓红,张静.以培养物理核心素养为导向的“电压”教学设计[J].中学物理教学参考,2016(6):50-51.

4 余华云.基于核心素养的高中物理教学探析[J].中学物理教学参考,2016(10):2-5.

2017-02-12)