挖掘核心素养 对接课堂教学——以“光的粒子性”教学为例

徐 祯 邵 贝

(金华第一中学 浙江 金华 321015)

所谓“学生发展核心素养”，是指学生应具备的，能够适应终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力，是关于学生知识、技能、情感、态度、价值观等多方面要求的综合表现，是每一名学生获得成功生活、适应个人终身发展和社会发展都需要的、不可或缺的共同素养，其发展是一个持续终身的过程，可教可学，最初在家庭和学校中培养，随后在一生中不断完善.它的一个重要特征是“可教可学”，这对核心素养落实到学校教育、落实到微观的课堂教学提供理论支持.

那么，怎样才能够通过课堂教学有效提升学生的物理学科核心素养呢？

1 基于学科特点 领会核心素养

具体到物理学科，核心素养可以具体化为物理观念、科学思维、实验探究、科学态度与责任.“物理观念”包括物质观念、运动观念、相互作用观念、能量观念及其应用等要素；“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；“实验探究”主要包括问题、证据、解释、交流等要素；“科学态度与责任”主要包括科学本质、科学态度、科学伦理、STSE等要素.可以这么说，落实了学科核心素养就是落实了学科的最大教育价值.

2 基于有效对接 挖掘核心素养

核心素养在教学素材中的地位，好比深埋地下的宝藏，要经过挖掘洗炼，才能见其光华.同样，要将核心素养准确对接课堂教学，首先要做的是针对本节课而言，挖掘出哪些是需要重点培育的核心素养，即在课堂教学之前，教师根据具体教学内容提炼重点培育的核心素养细化目标.对一个特定课时而言，物理核心素养的培养，不求面面俱到，但求有所侧重.其核心素养挖掘应从对教学内容及其教育价值分析、从教学内容与其他内容的关系分析、从对接过程可能遇见的困难分析等角度入手.

2.1 从教学内容及其教育价值分析入手

教育价值的分析包括知识方法应用价值、思维价值，以及培育情感态度价值观的价值.比如“光的粒子性”，其主体知识由光电效应的实验规律、经典理论解释光电效应遇到的疑难以及爱因斯坦运用量子观点对光电效应实验结果的圆满解释3部分组成[1].光电效应是认识光的粒子性的重要依据，爱因斯坦用量子观点对光电效应的解释是科学转折的重大信号，更多的科学家开始关注普朗克提出的量子观点，并开创了新的局面.物理学的每一项重大发现都改变着人类的自然观、科学观和思维方式，物理学史显示，每当人们发现一种新的实验现象没法用旧有理论解释时，正是新理论诞生之机.黑体辐射、光电效应、氢原子光谱等现象的解释都遵循这一规律.学生很自然意识到，一旦科学走到了这样的转折关头，起关键作用的，往往不是具体的知识，而是观念的转变.

因此，本节内容除了知识本身的价值，还对物理观念的转变，对直觉经验和经典理论的局限，对包含问题、证据、解释的实验探究.对权威和自身过往知识经验的质疑创新甚至比知识本身更为重要，这些能力对学生个体的终身发展和社会发展弥足珍贵.教学过程也相当于提供一个转变观念、实验探究和科学思维的范本.

2.2 从该教学内容与其他内容的联系入手

本节内容之前，学生已经比较系统地学习了经典的物理理论，建立物质连续性的经典观念.同时，伴随黑体辐射诞生的能量量子化观点初露端倪，物质世界的不连续性第一次出现在学生面前.普朗克的理论是在经典理论遇到困难时，不得已而为之的假设，它虽然违背人们的直觉经验，却与实验对接得天衣无缝.量子这个“小精灵”初生的日子，到处不受待见，不得不在物理的荒野游荡，直到爱因斯坦接受它，并用它来解释光电效应现象的疑难获得巨大的成功.至此，人们才认识到量子论的重大意义.后面将要学习的氢原子光谱，也遇到了经典理论无法解决的疑难，玻尔也大胆引入量子观点才得以成功解释实验事实.这些事例为学生认识和了解物质的波粒二象性、物质波、不确定关系等做了充分的铺垫.爱因斯坦对光电效应的解释是科学的重大转折，本节内容在教材中的地位承前启后，非常重要.物理观念的转变，包括问题、证据、解释、交流等要素的实验探究，质疑创新的科学思维等核心素养都已潜藏其中.

2.3 从对接核心素养可能出现的困难入手

量子观点违背日常的直觉经验与经典物理理论.量子诞生初期，连量子之父普朗克本人也是疑虑重重、惶惑不安.量子理论诞生一百年来，在应用实践中大获成功，但是量子物理行为是如此怪异，以致至今仍属于物理学研究的前沿领域.量子论巨子玻尔曾说，谁要是宣称自己懂得量子论，就说明他根本不懂量子论.科学界尚且如此，要让初次接触量子论的学生接受它，难度可想而知.这是知识本身带来的困难.从对连续性习以为常的经典理论转变为以不连续性为特征的量子观念的转变，“物理观念”的核心素养落实非常困难.

如果仅仅在黑板上“做”教材中的实验，相当于在学习者和所学的知识之间隔了千山万水，实验成了久远的传说，真实性值得怀疑、实践性完全丧失，物理观念的转变成了无本之木，提升核心素养就是一纸空谈.事实上，光电效应的定量实验在中学课堂并不容易做，这是对接核心素养的拦路虎之一.

另外，光电效应的实验现象比较复杂，看穿复杂的现象，厘清实验规律，并尝试用现有理论解释新的现象，学生面临问题的多样性和复杂性前所未有.自己实验、自己总结规律、自己尝试解释，不仅要调动头脑中原有知识储备，还要提取合适的部分应用于具体问题，为自己的观点提供论据.关键还要对原有知识理论提出质疑创新，何其难也！科学思维的核心素养落实面临巨大的挑战.

3 基于教学设计 融入核心素养

围绕核心素养的培养目标，教学设计应包含教学内容的选择与组织、教学内容的表征与实现手段、学生的学习活动设计等方面.核心素养以半隐性形态贯穿其中.教学设计对接核心素养的具体策略包括合理组织教学内容、选择合适实现手段、设计有效学习活动等.

3.1 合理组织教学内容 顺畅有序融入核心素养

教材对教学内容的组织存在内在逻辑性、自成体系，但从学习者的角度来看，并不意味着这一定是最佳的组织方式.比如本节中，逸出功这个知识点出现在光电效应定量实验之后提出，在解释实验规律时突然冒出，学生毫无心理准备，既冲淡了经典理论遭遇的困难冲突，又显得突兀莽撞.这个编排不够合理.其实在光电效应定性实验(图1)之后，提出光电效应的概念时，就应该将“逸出功”概念一语带出，不仅自然，而且为后面的理论解释埋下伏笔，形成知识储备，更有利于突出光电效应现象解释面临的疑难.

图1 光电效应定性实验

下面为教学片段之一.

演示：打开紫外灯,用紫外光照射带负电的锌板，观察验电器指针张角变化.

提问：说明了什么？

回答：说明锌板上的电子跑走了！

指明：照射到金属表面的光，使金属中的电子从表面逸出的现象，称作光电效应(板书).逸出的电子常被称为光电子(副板书).光电子不是新东西，它就是电子.电子原来与金属内部的其他粒子挤挤挨挨、磕磕碰碰，无规律做热运动.不过它也并非完全自由，若要从金属表面逸出获得自由身份，必须先要克服阻力做功.我们把与其他粒子结合得最为松散的电子逸出所需要的最小能量称为逸出功(副板书：逸出功W0)，逸出功由金属本身决定，它主要反映金属对电子的束缚能力.

在这里，不仅自然得出逸出功的概念，还唤醒一个核心观念——能量观念(物理观念)，为后续学习做好了心理准备.之后的实验探究、尝试解释、经典理论与新的实验事实的矛盾疑难，以及新理论的适时出世逻辑合理、连贯顺畅，知识的学习犹如移步换景，妙不可言.

3.2 选择合适实现手段 突出实验探究

空谈误“学”.任何一个培养目标的实现，只有空谈不起作用.无论物理观念的建立,还是实验探究，抑或科学思维的培养，都离不开恰当的示例、体验和点拨.

比如，课题引入时，可以用“横看成岭侧成峰”(见图2)类比说明观察角度对认识的影响.

图2 横看成岭侧成峰

客观世界丰富多彩，客观事物复杂多样.如果观察事物的角度不同，得到的结果也不同.所谓的“横看成岭侧成峰,远近高低各不同” 形容的就是这个道理.比如我们已经从光的干涉衍射认识到光是一种电磁波.那么是否可以从另外的角度重新认识它呢？如果可以，应该能更全面地反映光的本质吧.

比如，实验探究，应该创造条件让学生能够亲眼见证实验事实的发生.教材中的实验装置如图3所示，这个电路图的缺点是控制电路过于复杂，对主要知识学习形成较大干扰，因此用图4所示的数字式可调电源来替代控制电路，电流表也用数字式微电流表.如此，既简洁方便又突出学习重点.

图3 光电效应实验装置

图4 简化后的光电效应实验装置

(1)将电流表与光电管串联，自然光照射下得到光电流.但它实在很小(5×10-8A)，能不能使光电流再大些？(提出问题)

(2)将电源、电流表和光电管按图4所示情形连接，用黄光照射光电管.实验并记录电压和电流的数据.(改进方案)

(3)利用Excel表格数据描绘I-U图像.展示新作的图像.(数据处理)

(4)通过观察图线，得到电流随电压变化的规律，顺势得出饱和电流的概念.(得出结论)

(5)将电压反向，继续实验.顺势得出遏止电压.换成蓝光照射，继续实验，得到更完整的图线，如图5和图6所示.(深入探究)

图5 电流与光强的关系

图6 遏止电压

3.3 设计有效学习活动 引发科学思维

除了亲身参与实验活动之外，独立思考与小组讨论结合、场景模拟辩论都能充分调动学生的学习积极性、增强课堂参与度.为保证讨论的有效性，应该提供讨论提纲.

讨论提纲(问题)：

(1)从我们以往学过的知识来看，你认为最容易解释的是哪一条？怎样解释？

(2)从经典理论来推演，遏止电压与光强应该是怎样的关系？

(3)从经典理论来推演，是否会发生光电效应,应该与光的什么因素有关？

学生讨论后觉得疑点重重(交流、质疑).

正在这一筹莫展的时候， 教师指出：

同学们，我们遇见的困难也是当时物理学家遇见的困难.

一旦科学走到了这样的转折关头，起关键作用的，往往不是具体的知识，而是观念的转变(物理观念).

当时已经知道能量的存在形式有连续和分立两种.能量连续的观点不能解释，那能量分立的观点行不行？最早是普朗克提出能量分立的观点，认为电磁辐射时能量是一份一份的，每一份大小是hν，叫做能量子.但是他这个假说与经典物理观念完全不同，以致他本人都惶惑不解，大家注意到照片中那惶惑的眼神，似乎表明他心中的纠结……年轻人往往更容易接受新观念.时年26岁的爱因斯坦最先意识到能量量子化的意义……(创新)

将思维的方向转向量子观点，为学习爱因斯坦对光电效应的解释指明方向.

引入光电效应方程，对实验结果做出正面解释.这时仍有学生觉得知识过于抽象，似懂非懂，引入类比往往能有出其不意的效果.

从方程可以看出，对于某种确定的金属，光电子的最大初动能(或遏止电压)只与光的频率有关，而与光的强度无关.

这个过程好比(板画)一个位于深井中的人，他如果要跃出深井，至少需要W0(板书)的能量，井很深，显然依靠他自身的力量跳不出来.正着急之时，一个大小为hν0的能量包从天而降，正好砸中他，那么,他吸收能量hν0后将刚好到达井口(图7).如果具有更多能量hν的能量包从天而降砸中他，那他吸收能量后不仅跃出深井，并且还有动能盈余，可以向外跑.

图7 深井中的人跃出深井

4 结束语

素养是“可教、可学”的[2]，是经由后天学习获得的，它可以通过有意的人为教育加以规划、设计与培养，是经由课程教学引导学习者长期习得的.物理核心素养与教学素材之间的关系犹如大地与矿藏，教师要做好“挖掘洗炼”工作,然后对接课堂教学.教师是核心素养与学生之间的桥梁.作为一线教师，不仅要深刻领会核心素养，也要结合具体教学内容挖掘核心素养并将它融入课堂教学.

1 唐果南，周智良，张颖.物理·选修3-5教师教学用书.北京：人民教育出版社，2010.56

2 柳夕浪.从“素质”到“核心素养”——关于“培养什么的人”的进一步追问．教育科学，2014(03):7