优化课堂教学设计提升物理核心素养

惠广俊

摘 要：物理课堂教学是培育学生物理核心素养的关键途径.在物理概念和规律课教学中，把握学生科学思维的认知起点，创设问题情境，选择科学的探究内容和探究方法，精心设置问题，抓住基于学生思维发展的课堂动态生成，引领学生对科技和社会树立正确的态度和责任心，有利于培育学生的物理核心素养.

关键词：物理核心素养；理想化模型；实验探究；课堂教学；教学反思

提升学生的物理学核心素养是中学物理教学的价值所在[1]. 要落实、提升学生的物理核心素养，需要我们进行课堂教学理念、教学方式的变革以及学生学习方式的变革.本文以单摆教学中理想化模型的建立、周期规律的探究以及学生的提问等几个环节的教学设计探讨这种变革的实现，达到凸显科学思维、凸显实验探究和凸显科学态度与责任的目的.

一、把握学生物理思维的认知“起点” 搭建合适的“认知平台”

从关注学生物理思维过程的角度设计教学活动，不把学生当作装知识的容器，不仅仅关注如何以学生最容易接受的方式把知识讲透彻明白，更要关注的是知识在学生大脑里形成的过程.给学生传授的知识和方法要立足于发展学生自己独立的科学思维能力，让学生以后遇到新问题时能迁移研究的方法和能力.

譬如，在单摆理想化模型建立的教学环节中，一些教师往往简单地认为单摆模型是不言而喻的、显而易见的，所以直接告诉学生什么是单摆，在教学中忽略学生思考问题的逻辑起点，知识往往被一带而过，没有意识到该处可能成为一个“学生思维盲点”.为此笔者对此环节进行了以下的设计.

（一）对实际摆的抽象

教师（展示图1所示的材质、大小、长度均不同的摆）：生活中有各种各样的摆，现在我们要做一个最简单的便于我们进行研究运动规律的摆，你们要怎样选器材，球体积大的好还是小的好，为什么？

学生：越大越好，因为大，观察得清楚.得至少像乒乓球那样的大小.

教师：同样半径大小的木球、乒乓球、小钢球、泡沫球你愿意用哪个？为什么？（演示各种等长的不同材料、同样形状的摆球的振动）

学生：钢球好，因为空气阻力影响小.

教师：同样质量的大钢球和小钢球你选择哪个进行试验研究？为什么？

学生：小.越小越好，阻力小.

教师：线呢，用长线还是短线？粗棉线、橡皮筋还是细的棉线？

学生：粗线，看得清楚.

教师：那我们的线如果粗的质量很大呢？

学生大笑：老师，那就像个杆了.

教师：杆就不行了吗？

学生：这样一来摆球受力复杂了.

教师：请各位同学总结一下.（学生经过讨论：选线细长、质量大、体积小的球）

教师：对，如果我们再理想一点，把摆的质量集中在小球中心，运动过程中空气阻力也可以忽略不计，摆线的质量与小球相比也忽略不计，选择质量大、体积小的球和尽量细、伸缩性小的线，这样的理想化装置就叫单摆，单摆就是实际摆的理想化模型.

（二）将单摆纳入简谐运动模型

1.实验探究（运动学分析）

通过J2188型二维时间-空间描迹仪，学生分组实验体验，得到单摆的振动图像.通过分析单摆振动图线的时间轴的间隔均匀分布，让学生体会到x-t图像，学生很容易从运动学角度判断出单摆的振动是简谐运动模型.

2.理论探究（动力学分析）

教师：到底是什么力促使单摆做这样的往复运动呢？

学生：向心力.

教师：一起来分析向心力的来源（图2）.

[O][G][T]

图2

学生：绳的拉力和重力沿摆线延长线方向分力的合力是沿着摆线指向圆心（悬挂点），是使摆球沿圆弧运动的向心力.

教师：向心力对摆球的运动有什么效果？

学生：它改变摆球运动的方向，不改变摆球运动的快慢.

教师：因此，在研究摆球沿圆弧运动的位置变化时，不需要考虑向心力.

学生：那是重力沿圆弧切线方向的分力，这个分力是使摆球振动的回复力.

教师：该回复力的大小和方向有什么特点？

学生：这个回复力大小是F=mgsinθ.

教师：F=mgsinθ能否说明单摆振动是简谐振动呢？請同学们回忆简谐运动回复力的特点.

学生：特点是回复力满足公式F=-kx.

教师： F=mgsinθ这个力虽然始终指向平衡位置，大小随着位移的增大而增大，随着位移的减小而减小，但在什么条件下回复力与位移大小成正比呢？运动过程中角度θ的大小怎么与物体的位移联系上呢？

学生：应用数学知识，弧长与角度和圆周半径有关系，s=θ.在θ很小时，弧长近似等于弦长.

教师再投影摆角为1度至8度的弧度值和对应的正弦值，学生就比较容易结合数学知识推导出单摆的振动是简谐运动，也对理想化单摆的条件有了深刻认识.

在上面的教学设计中，通过有效的对话策略，教师提出的问题刺激学生思维和讨论，充分暴露学生思维，在学生的思维冲突与积极思考过程中，分层次把实际的摆纳入单摆模型、将单摆纳入简谐运动模型，通过引导，学生体验到了抽象理想化物理模型与物理近似处理问题的方法，学生在原认知和新认知的碰撞中亲历了抓住主要矛盾忽略次要矛盾的科学思维过程，也形成了学生积极的创造性思维.

二、把握学生科学探究的科学本质 发展学生分析性思维[2]49-50品质和能力

科学探究不仅是一种科学学习的主要方式，是形成其他物理核心素养的主要途径，而且对学生的提出问题能力、批判性思维能力、交流和合作能力等综合能力的形成具有重要价值.科学探究能力主要包括问题、证据、解释、交流四个方面.科学探究中的几个探究要素，并非是课堂上必须的探究形式和流程，并不是每一个探究都必须包含所有的探究要素.科学探究的要素呈现应该与探究内容和探究能力的培养目标有关，一节物理课探究突出某一个或几个环节就非常不错了，如果每个知识点都“为了探究而探究”，物理课就会不可避免地陷入僵化，物理课堂教学中不能因为局限于科学探究僵硬的“壳”，而失去科学探究富有活力的精神.

物理课堂教学的关键是怎样选择合适的科学探究内容与方式，让高中学生感觉到可以像科学家一样工作.我们以单摆的周期规律探究的教学设计为例来说明.

单摆的周期规律是比较精炼的语言和公式，如果直接将科学的结论告诉学生，让学生理解和运用，使科学的过程与结果分离开来，现成的结论使学生误以为物理概念和规律的得出轻而易举，不仅使学生失去了观察、研究问题的兴趣，同时也使教学黯然失色，学生的能力得不到培养.基于物理学科的实验学科特点，实验探究是必不可少的. 我们选择定性科学探究和定量科学探究相结合的方式来实现对单摆的周期规律的探究.

（一）单摆振幅、质量、摆长对周期的影响

定性探究：在铁架台的横梁上固定两个单摆，依次按照两摆的振幅不同（都在小偏角下）、质量不同、摆长不同，把它们拉起一定角度后同时释放，观察两摆的振动周期.

此处采取教师演示实验，学生观察，定性分析得出结论方式，实验效果明显高效，学生恍然大悟，周期与质量、振幅两项因素无关.

（二）单摆周期和摆长关系的实验探究

定量探究：此处采取学生分小组实验，探究不同摆长与周期的定量关系，对实验数据进行分析，用计算机数据拟合图像，培养学生动手实验、数据分析、合作交流等科学探究能力.

本教学案例中，选择定性科学探究和定量科学探究相结合，抓住局部内容进行课堂科学探究实验，克服了课堂教学时间限制，又让学生亲历了实验探究过程，增强了学生观察、研究分析问题的兴趣，学生通过一个主动探究环节，对探究实验中所蕴含的控制变量思想方法、实验操作技能、数据分析能力会有着深深的体验与感受.不管实验成功还是失败，能带给学生科学发现的曲折和愉悦的体验.最可贵的是，学生在实验过程中会发现、分析、解决自身操作中存在的一些问题，跟同伴有效交流分享，协同完成任务，科学探究能力得到培养，物理科学素养得到提高.

三、把握科学态度与责任内涵 发展学生创造性思维[3]品质和能力

科学态度与责任是学生在认识科学本质，理解科学技术、社会、环境（STSE）关系基础上形成对科学和技术应有的正确态度及责任心[4]. 发展学生的创造性思维，单纯的道理说教有时候效果不一定好，教师要以伙伴、促進者的姿态出现在课堂上，促进学生主动学习、独立思考，在课堂中对“生成”的问题和探究要有更多的首肯和鼓励，及时捕捉学生创造性思维的火花，加以指导和引导，在平等交往的对话机制中，师生共同完成知识建构，进而形成灵活开放与生成发展的探究式课堂运行机制， 为学生创造性思维品质和能力的发展创造有利的环境.

在单摆的教学中，笔者抓住了学生的一个提问，生成、设计了以下的教学过程.

学生问：为什么不论摆幅多大，摆动一个周期的时间总是相等的？是什么使得它自动调节自己的速度？为什么周期与质量M无关了？为什么与惯性无关了？

教师：这真是一个令人着迷的问题.你提了一个伽利略当年思考的问题.

（接下来，教师介绍了伽利略当年感觉到单摆问题与自由落体问题有内在的联系，先将单摆问题化为斜面问题，相当于把摆弧的曲线化为斜面的直线来处理，斜面倾角越大相当于摆幅越大，通过理想化斜面实验研究，得出物体的下落时间与物体质量无关）

教师：很久之前，时间测量始终是摆在人类面前的一个难题，一直到惠更斯1656年创造性地设计出人类历史上第一个摆钟，1673年提出摆的数学理论.对此有兴趣的同学也可以课后再进一步探索.

上述介绍和伽利略发现教堂吊灯振动规律的故事，以及惠更斯近70年后提出的摆的数学理论的历史过程，科学家进行科学探究的过程与学生思考的结合，更是使学生在探究知识规律的过程中获得的情感体验达到高潮，使学生更接近真实的科学，从而建立起正确的科学观.学生在科学探究活动中不仅锻炼了探究能力，还对探究本身有了更深刻的理解.

该节课后，班里有几个学生进行了一个研究性学习课题：钟表的发展历史.

课堂教学中对学生的物理观、科学态度与价值观的影响都是潜移默化的.课堂教学的“活”，表现为学生的积极性和主动性，表现为学习活动的生成性；课堂学习的“动”，表现为学生真正的动手动脑，思考和乐于探究，学生的思维往往是火花.在有效的课堂教学中让学生建立起正确的、严谨的、实事求是的科学观和物理观，学生会对科学研究和社会责任有更深刻的理解.

四、对物理课堂教学的再审视

（一）以学生为中心的课堂教学，科学思维培育是关键

教师的教学方式影响着学生的思维方式[2]9，物理课堂教学应该基于学生的思维发展进行精心设计.教师要分析每个教学环节对学科核心素养的培育是如何体现的、是否合适及是否可行.教师绝不能老是告诉学生问题是什么、解决问题的途径是什么，只把“问题解决”留给学生去做，课堂教学中教师说话的时间不妨少一点.

（二）不要让“伪探究”束缚了一节课的灵魂，避免科学探究模式僵硬化

探究学习的形式多种多样，基于物理学科的特点，实验探究是必不可少的.探究式课堂中教师要发挥组织者、引导者的作用，对学生一些漫无边际的想法、复杂的问题、代表性的问题要及时加以分类、开展深入讨论，避免已知明显结果的毫无意义的“伪探究”活动；教师也不能老沿着自己的教学思路去“引导”学生到自己的教学设计中，忽视学生自己领悟、感受、质疑的过程.

（三）教学相长，教师的物理观影响着学生的物理观、科学态度与责任观

学生的物质观、运动观、时空观和能量观等不是短时间就树立起来的，物理教师的使命与责任在于带领学生认识自然世界的奥秘，引领学生辩证、客观地看待自然和社会活动.物理教师的言行影响着学生的品德修养、精神世界和价值追求.物理教师要以新的课程改革为契机，反思自己的课程观和学生观，正确把握物理学科的本质特点，提高教师的综合素养和学科内整合能力，是对学生进行物理核心素养培养的重要保障.

参考文献：

[1]蒋天林. 基于学生物理核心素养提升的教学实践[J]. 物理教师， 2017（1）：7-9.

[2]斯滕伯格，史渥林.思维教学：培养聪明的学习者[M].赵海燕，译.北京：中国轻工业出版社，2001：7.

[3]陈安龙.创造性思维与教学[M].北京：中国轻工业出版社，2000：32-36.

[4]王高.物理核心素养培养浅探[J]. 物理教师， 2016（12）：15-19.