核心素养导向的物理内核探究教学

林辉庆 莫信奇

摘 要：物理核心素养是所学的物理知识遗忘之后剩下的，对学生今后从事各种工作、处理各类事务继续发挥作用的必备品格和关键能力.积极自主、深度参与的探究活动有利于发展物理核心素养.内核探究教学能促进学生物理观念的形成、科学思维方式的发展、科学探究能力的提高、科学态度和社会责任感的养成.

关键词：物理核心素养；知识系统；内核问题；内核探究教学；促进

物理核心素养是学生发展核心素养在物理学科中的体现和具体化，主要由“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”四个方面构成.[1]它不是具體的物理知识和技能，是所学的物理知识遗忘之后所剩下的，是学生今后从事各种工作、处理各类事务继续发挥作用的必备品格和关键能力.

完全被动接受的学习方式不利于物理核心素养的培育，因为这样获得的知识遗忘之后，并不能在头脑中留下多少东西.只有积极自主、深度参与的探究活动，才能深刻地影响学生的内部世界，使学生的观念、态度、思维方式和探究能力发生明显而长远的变化.

学校课程，要求在规定的时间内完成规定内容的教学，在课程内容的教学中培育学生的核心素养，所以不可能也没必要所有的知识都用探究的方式教学.那么，哪些知识采用探究式教学？哪些知识采用授受式教学？两种教学方式如何结合？笔者在多年教学实践和广泛理论学习的基础上，提出的“中学物理内核探究教学模式”，在较大程度上解决了这些问题.

一、认识的内核突破性与知识的核式结构[2]75-80

（一）认识的内核突破性

人们在解决一个原有知识无法解决的问题时，总是先多方寻找证据，不断猜测论证，冥思苦想，酝酿发酵，直到某个时刻突然灵光一现，产生了一个想法或念头，这个想法或念头正是解决问题的关键或要点.将这一想法或念头展开并深化，就能使问题得到解决，这就是认识的内核突破性.

科学作为人类的共同事业，其发展过程与个体的认识过程有相似的特点.对某一领域的认识，往往需要很多科学家的共同努力.先是不断地获得局部的、零星的经验，随着研究的深入，经验的积累，终于某个科学家有了关键的发现，随之建立起完整的理论，使这一领域的各种现象得到统一的解释.

（二）知识的核式结构

人类的知识是认识过程的成果和结晶，知识的结构和形态由人的认识规律决定.在解决问题中由感悟产生的新想法、新认识，虽然只是很小的一点东西，但它是一个知识胚胎，包含着解决问题的全部信息.将新想法、新认识中的意义概念化、清晰化，结合相关的原有知识经验，就会生成一个有机的核式结构的知识系统.该知识系统中的各个知识在相互联系中同时获得意义，由感悟产生的新想法、新认识是系统的核心意义，反映核心意义的概念和规律是系统的核心知识.

例如，人们在生活和工作中观察到很多硬杆在外力作用下绕固定点转动的现象，于是把硬杆和固定点理想化为杠杆和支点，然后研究它在外力作用下的平衡条件.通过反复实验终于发现杠杆的平衡与作用力的大小和支点到力作用线的距离的乘积有关，从而定义支点到力作用线的距离为力臂，同时得到杠杆的平衡条件，由此建立起图1所示杠杆的知识系统.这是一个有机的知识系统，力臂和杠杆的平衡条件是在相互联系中同时建立起来的.

二、内核探究教学模式[2]81-90

（一）内核探究教学的基本思路

学习必须遵循认识规律，才能获得知识的本质意义，才能发展核心素养.内核探究教学是根据认识的内核突破规律和知识的核式结构规律而建立的一种教学模式.其基本思路是：确定一个恰当大小的知识系统，分析系统中知识的内在联系和结构，明确系统的核心知识.在知识的核心处设置问题（即内核问题），引导学生对内核问题进行充分的探究.然后依靠被突破之内核的强大生命力，接受性地建构起整个知识系统.

（二）内核探究教学的基本步骤

内核探究教学主要由如下六个步骤组成：确定知识系统；明确核心问题；创设问题情境；探究生成内核；发展形成体系；应用巩固知识.

1.确定知识系统

内核探究教学需要确定恰当大小的知识系统，以既能使所学知识的本质意义在其中得到充分的反映，又能在课堂时间内完成探究.例如，将力臂和杠杆平衡条件作为一个系统学习，能在1节课的时间内探究突破内核.通过探究学习，学生能正确理解力臂的本质意义和用力臂表述的杠杆平衡条件.而如果象教科书阐述的那样，先行介绍力臂的概念，再学习杠杆平衡条件，那么学生只能形成力臂的字面意义，并且使杠杆平衡知识的学习流失了很多探究性，增加了机械性.

2.明确核心问题

确定了课堂探究的知识系统，接着需要通过对其中各知识之间关系的分析，明确其核心意义，然后将核心意义转化为内核问题.内核探究教学正是围绕对内核问题的探究而展开.

3.创设问题情境

探究教学应根据学生的原有知识经验和心理需要，以及实验器材、学习资料等教学资源因素，创设具有适度挑战性的内核问题情境，以吸引学生投入对内核问题的探究之中.

4.探究生成内核

在内核探究中，由于探究点集中，为学生进行充分的自主探究创造了条件.课堂中，学生在独立思考的基础上发表自己的见解，不同观点相互碰撞，不同大脑彼此激发，在教师的引导下使探究不断深入，直至实现内核突破.

5.发展形成体系

学生通过探究突破了内核问题，获得了核心意义，即从整体和本质上把握了知识系统.在此基础上，就可用授受或自学的方式，让学生快速地构建起整个知识系统.当然，为了便于记忆、应用、交流和传播，学习成果应该整理成简明清晰的、符合逻辑的知识体系.

6.应用巩固知识

用新知识解释已有的现象，或从新知识作出推论，然后用实验或原有的理论进行检验.新知识在这些应用过程中，意义得以清晰和丰富，适用范围得以明确，与相关知识的联系得以建立.

三、内核探究教学案例

下面以浙教版义务教育课程标准实验教科书《科学》九年级上第三章第4节 “认识简单机械”中的“杠杆”的教学为例，介绍内核探究教学的实施过程.

（一）知识系统

杠杆及有关知识.将力臂和杠杆平衡条件当做一个整体来研究.

（二）内核问题

杠杆受两个力作用，平衡条件是什么？

（三）问题情境

投影姐姐与妹妹一起玩跷跷板游戏的图片（图2）.教师分析跷跷板的受力与运动特点后，介绍杠杆、支点以及杠杆平衡概念.

教师：图2中妹妹一端位置高，姐姐一侧位置低.有什么办法使跷跷板静止在水平位置？

学生提出三种方法：姐姐用脚蹬地，使自己压板的力减小；姐姐坐的位置靠近转轴一些；妹妹坐的位置远离转轴一些.

教师：可见，杠杆是否平衡与作用在其上的力的大小有关，还与支点到力作用线的距离有关.那么杠杆平衡的条件到底是什么？我们通过实验进行研究.

（四）内核探究

教师介绍图3所示的实验装置及F1、l1、F2、l2的意义.学生通过分组实验得到，当F1l1=F2l2时杠杆平衡.

教师：在图3中，撤去挂在杠杆右端的钩码，在左端施加一个作用力，能否使杠杆平衡？如果能，力应该取什么方向？

学生：能.所加的力应该竖直向上.

教师：在图4中A点加一个大小等于多少的竖直向上的力，杠杆才能平衡？

学生：3N.（每个钩码重0.5N）

教师用实验验证.然后让学生预测在B点应施加多大的力杠杆才能平衡，学生很快回答应该加1.5N的力.

教师如图5那样在B点施加作用力，杠杆平衡时弹簧秤读数为2N.

学生很惊讶.有的说可能是弹簧秤不准；有的说是弹簧秤的“拉力方向错了”.

对第一种观点，教师用钩码挂在弹簧秤下端进行检验，发现弹簧秤读数是准确的.对第二个观点，教师反问学生：应该怎样拉才是正确的？

很多学生：应该竖直向上.

教师：斜向拉也能使杠杆平衡，所以这种方法也是正确的，问题是为什么斜向拉需要的力要大一些？

学生3：因为这时力与支点的距离变近了.

教师：F1作用点与支点的距离是3格，B点到支点的距离是4格，怎么说是变近了？

学生3：那条线与O点的距离变近了.

教师：你的意思是力作用线到O点的距离变小了？

学生3：是的.

学生分组实验：弹簧秤以各种方式斜向作用在杠杆上使其平衡，用三角板测量O到力作用线的距离l.通过测量研究，弹簧秤拉力的大小F2与O点到作用线的距离l2的乘积，是否等于钩码对杠杆的作用力大小F1与O点到作用线距离l1的乘积.

学生实验后，教师：你们的实验结果如何？

很多学生：力的大小与支点到力作用线的距离的乘积相等.（内核突破）

（五）知识体系

在学生探究实现了内核突破的基础上，教师直接给出力臂的定义和用力臂表述的杠杆平衡条件，然后投影并讲解本节课的研究成果（图6）.

[杠杆及其平衡条件

1.杠杆：能绕固定点转动的硬杆叫杠杆，固定点叫支点.

2.力臂：支点到力作用线的距离.

3.平衡状态：保持静止或匀速转动状态.

4.平衡条件：作用在杠杆上的两个力要使杠杆向相反方向转动，当F1l1= F2l2时杠杆处于平衡状态.]

（六）应用巩固

学生阅读教科书87～92页.要求阅读后提出自己的疑问.

学生的主要问题有：①作用在杠杆上的两个力一定要区分动力和阻力吗？如果两个力都不是人施加的，那么哪个力是动力？②杠杆静止时处于倾斜状态是平衡状态吗？③杠杆可以是弯曲的吗？④钓鱼竿不是硬的，也可以看做杠杆吗？

四、内核探究促进学生物理核心素养发展

一方面，知识系统的内核问题是真正的科学问题；另一方面，虽然，课堂上对内核问题探究的曲折程度远不及历史上的真实探究，但其经历的基本过程、运用的一般方法和需要的一般推理，与真实的科学探究无异.所以，内核探究教学能有效地培育学生的物理核心素养.

（一）促进物理观念的形成

学生对于通过全身心投入的探究发现其核心意义而建立起来的知识系统，理解全面而深刻.更为重要的是，这样获得的知识，与学生的内部世界既有字面上的联系，也有情感上的联系，还有潜意识乃至无意识方面的联系，是学生精神世界不可分割的有机部分，因而更容易内化和升华为物理观念.

在“杠杆”的探究教学中，学生通过自己的实验研究发现了力臂的意义及杠杆的平衡条件，这有助于他们形成物质的运动是有规律的观念，结合即将学习的机械效率知识，还有助于形成能量的观念.

（二）促进科学思维方式的发展

科学思维的方式、方法和能力，形成、运用并发展于科学探究活动.在“杠杆”的探究教学中，通过对各种硬杆受外力作用绕固定点转动的现象进行抽象概括，建立起杠杆和支点的模型；通过对实验数据的分析综合，形成力臂概念，发现杠杆的平衡条件；自学教科书时提出各种疑难问题；对弹簧秤斜拉杠杆时读数与预测不相符的“异常”现象提出各种观点等过程，都能有力地促进模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新能力的发展.

（三）促进科学探究能力的提高

课堂中的内核探究，是简化的但却保留了最本质因素的科学探究.探究性的课堂中，学生还会遇到各种问题，需要用科学探究的方法去解决.在杠杆的教学中，阅读教科书后，有学生提出：“钓鱼竿不是硬的，也可以看做杠杆吗？”讨论中，有个学生认为，对于钓鱼竿弯曲的这种状态，可以认为它是硬的，这时仍满足F1l1=F2l2.这种观点是否正确？教师要学生课外设计实验进行检验.几个学生在课外，利用小竹竿、铁架台、弹簧秤、钩码，设计了图7所示的实验，证实了猜想是正确的.在这里，学生自己发现问题，做出猜测，设计并通过实验检验猜测，在独立思考的基础上发表自己的观点，科学探究能力得到了很好的锻炼.

（四）促进科学态度和责任感的养成

经历突破内核问题的智力探险，学生会不断加深对科学本质的理解.在投入的探究中，学生将经历攻克难题时的思维紧张，获得感悟时的兴奋激动，从而增强对科学研究的积极情感.在对杠杆平衡条件的探究中，当对弹簧秤斜拉杠杆读数与预测不符的原因的猜测，和钓鱼竿在弯曲状态时可以看作硬杆的猜想得到实验证实时，学生都会产生情感上的“高峰体验”，并会积累这样的自信：科学研究并非高不可攀，并非只有智力超群的天才人物才能从事；只要自己投入、专注地探索科学问题，同样会有所发现，有所发明，对人類文明的进步做出贡献.

参考文献：

[1]胡卫平.物理学科核心素养的内涵与表现[J].中学物理教学参考，2017（8）：1.

[2]林辉庆.中学物理内核探究教学模式构建艺术[M].重庆：西南师范大学出版社，2015.

[3]余文森.核心素养导向的课堂教学[M].上海：上海教育出版社，2017：72-81.