学科核心素养导向下的高中物理单元作业设计

◎ 桑 嫣

《普通高中物理课程标准（2017年版）》提出了物理学科核心素养。构建高中物理学科核心素养的基本理念之一是：高中物理课程应注重体现物理学科的本质，从物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任等方面提炼学科育人价值，充分体现物理学科对提高学生核心素养的独特作用，为学生终身发展、应对现代和未来社会发展的挑战打下基础。为能充分体现学科核心素养的要求，我们选择基础型教材“第三章牛顿运动定律”进行单元作业整体设计。牛顿运动定律是经典力学的基础，也是高中物理的核心内容。该单元涉及丰富的物理学史和物理学方法。

一、体现学科核心素养要求的作业设计

物理学科核心素养主要由“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。这四个方面涵盖了学生经过物理学习后，在知识结构、综合能力、思想品格等方面应获得的发展，既是独立的要求，又相互融合内化为学生的认知与精神内涵的一部分。优质的作业题应能帮助促进学生在巩固理解知识的基础上，形成能力、养成品格。

（一）设计启发性问题，引导学生形成物理观念

物理观念是关于物质、运动与相互作用、能量等的基本认识；是物理概念和规律等在头脑中的提炼和升华；是从物理学视角解释自然现象和解决实际问题的基础。

物理观念不能等同于物理知识，是学生对物理概念、规律理解的基础上，对客观世界形成的一种认识和看法。显然，仅会背两条物理定律，甚至会解释一些简单的生活现象，都不足以使“认识”上升为“观念”，观念应是在经历学习的基础上形成的一种思想上的总结。以往的教学偏重于学习的经历，缺少后续总结的形成，因此学习的结果往往就停留在知识层面。

在“牛顿运动定律”教学中，教师通常比较重视在课堂中让学生经历物理学思想方法的学习，但作业偏向于检验对规律的记忆、理解和运用规律对现象进行解释的能力，这些虽是观念形成的基础，但距形成一定的思想上的总结尚有差距。为帮助学生能进一步形成观念，可以通过启发性的问题，引导学生对问题进行更深入或更广泛的思考，从而形成一定的观念。例如：

“牛顿第一定律 惯性”课后作业

作业目标：知道伽利略斜面理想实验，感受理想实验的科学方法。

同学们在学习牛顿第一定律时，了解到是伽利略首创了理想实验。请问：

① 什么是理想实验？

② 理想实验和真实实验的区别有哪些？

③ 理想实验虽然不是真实实验，但对物理学的发展同样起到了不小的推动作用。你可以查阅资料，了解物理学发展史上还有哪些较著名的理想实验，结合这些资料，请你谈谈理想实验是如何对物理学的发展起到推动作用的。

理想实验是物理学中重要的思想方法，因为它将科学实验与逻辑推理结合起来，从而能更深刻地反映自然规律。教材上仅通过介绍伽利略的斜面理想实验，对理想实验进行了说明：“理想实验又叫想象实验，它以可靠的事实为基础，突出主要因素，忽略次要因素，通过抽象思维深刻揭示自然规律。”光靠这段文字很难让学生对理想实验在思想方法层面上产生真正的理解。传统作业中也较少有关于理想实验的习题。本题设计了层层递进的三个问题，特别是第三个问题，让学生跳出书本，通过查阅资料，拓宽知识面，从而对这种思想方法产生更深入的理解。

（二）设计基于真实情景的问题，引导学生形成科学思维

科学思维要求学生从物理学视角对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系进行认识，具体表现在能否将实际问题中的对象和过程转换成物理模型；能否对综合性物理问题进行分析和推理，获得结论并作出解释等方面。因此要帮助学生形成良好的科学思维习惯，作业设计应以解决真实问题为载体，引导学生养成缜密、严谨的分析能力和品格。例如：

1. “牛顿第一定律 惯性”课后作业

作业目标：能用牛顿第一定律和惯性概念解释简单的生活现象。

《上海市道路交通管理条例》第三十七条规定，机动车乘坐人在配有安全带的座位就座时，应当使用安全带。如违反规定，将对机动车乘坐人处警告或者20元至50元罚款。请你用牛顿第一定律和惯性概念解释这一规定的必要性。（你可以使用互联网搜索与安全带相关的信息）

2. “牛顿第二定律”课后作业

作业目标：理解力是使物体运动状态改变的原因；理解力是产生加速度的原因。

以火箭在发射过程中与青蛙跳跃过程中的瞬间为例，回答以下问题：

（1）这两个例子中，物体的运动状态是如何变化的？变化的原因是什么？

（2）火箭启动时的推力远远大于青蛙蹬地产生的推力，但火箭的质量也远远大于青蛙的质量，所以火箭启动时的加速度不一定就大于青蛙跃起时的加速度大，这一分析有道理吗？

上述习题分布在单元的各个小节中，均要求学生运用课堂上学到的物理规律来解释或解决具体情景中的问题。在本单元的作业设计中，具体实际情景的习题占据了大多数。而且与传统习题不同的是，这些习题均要求学生写出分析的具体过程，从而让学生在运用规律的过程中进一步理清思路，运用科学的语言规范表述。

（三）设计小组合作活动，促进学生形成时空观念

培养学生的科学探究能力是物理教学的重要目标之一。但在实际教学中，教师常常感叹课堂时间有限，40分钟里既要学习新知识，又要进行科学探究，还要进行适量的练习反馈，根本来不及。这一矛盾始终困扰着教师，在实际教学中，教师往往压缩甚至舍弃学生进行科学探究的时间。

这一矛盾可以通过设计课后探究活动作业在一定程度上得到解决。但这样的作业需精心设计，避免难以操作或流于形式。探究活动作业以长时、小组合作完成更为切实可行。此类作业能较好利用学生的课外时间，并促进学生动手、查阅资料、小组合作学习等能力的提升。例如：

“牛顿运动定律的运用”

作业目标：能联系运动学等规律，用牛顿第二定律解决具体实际问题。

活动主题：设计一个残疾人适用的轮椅斜面通道。

作业要求：

1. 设计一斜面通道，设计应包括尺寸、材料等内容的说明。

2. 选择合适的材料和工具，制作斜面通道模型和轮椅车模型，并进行实际测量以验证你们设计方案的可行性。

3. 写下你们的设计方案，包括：斜面通道的简易设计图，对轮椅车在通道上通过时测得的一些必要数据（可用模型数据代替），设计的可行性分析等。

4. 制作汇报交流展示时所用的PPT或展板。

5. 汇报交流时以PPT或展板等形式展示设计作业，并使轮椅车安全顺利地在通道上行驶，完成现场互动提问。

6. 在制作以及活动过程中请注意安全。

不同于传统的作业习题，这道作业题设计了丰富的作业内容：有培养学生社会责任感、学以致用的活动主题；有指示明确、引导适度、切实可行的作业要求；有给予明确要求、保证活动质量的评价量规。此外，为保证作业的完成质量，活动作业应给予课堂交流展示的时间，并给予评价反馈。因此在作业要求和评价标准（见表1）中均对汇报交流的形式和要求给予了具体的说明。

为避免活动类作业流于形式，我们将单元最后一课时设计为“汇报交流、小结”课，这也代替了传统意义上的单元复习课，通过对活动作业的交流将整个单元的知识串联了起来，同时也进一步培养了学生的口头表达能力。

与传统作业习题相比，活动类作业的优势不言而喻，不仅可以设计丰富的探究活动，在活动中提高学生的探究能力，还可以通过活动培养学生合作学习、表达交流的能力，对活动作业的评价也是开展过程性评价的良好契机。

（四）人文性话题培育学生的科学态度和社会责任

在物理课堂上，教师较少与学生讨论科学的两面性、科学与人的关系等颇具哲学意味的话题，因为这些话题好像与物理教学无关，且每个学生的想法不一，课堂时间有限，也很难让每一位学生畅所欲言，表达自己独特的个人见解。而其实对这些话题的深入探讨，恰恰是对学生形成影响一生的科学观、世界观有着不可忽视的作用。正确的科学观的养成，比物理知识的掌握，对个体的影响更深远、更重要。

在“牛顿运动定律”单元中，教材有“从牛顿到爱因斯坦”一节。正是基于人类探寻运动规律的历史，充满了科学家坚韧不拔、认真严谨的科学精神，牛顿和爱因斯坦两位科学巨匠，其充满传奇、矛盾的一生，含有丰富的教育元素。但与教材配套的“练习部分”并未设计该节作业。于是笔者尝试设计了关于此内容的作业。例如：

表1 评价标准与教学目标

“从牛顿到爱因斯坦”课后作业（小组作业）

请阅读补充材料，也可自行查找资料，就以下任一话题，展开讨论，写下自己的观点，并汇报交流。

作业要求：

小组共同确定话题，就话题展开讨论，查找资料，达成共识，梳理观点，写成一篇小论文。（限于篇幅，仅选取其中三个话题）

话题1： 牛顿的研究都是对别人研究成果的总结吗？他有独创的见解吗？

话题2：在爱因斯坦提出相对论后，牛顿的地位被爱因斯坦取代了吗？

话题3：爱因斯坦的理论也会过时吗？据此请谈谈你对物理学发展的看法和认识。

话题4：爱因斯坦对原子弹的看法前后不一致，我们应如何对待科学技术的发展？

话题5：请你谈谈物理学发展与人类文明发展之间的关系。

话题6：你同意爱因斯坦对“生存的意义或目的”的看法吗？亲爱的同学，你是否愿意分享你对理想的看法？

上述6个话题从牛顿到爱因斯坦，从科学家到物理学发展，从学科发展到人类发展，最后回到个体的生存价值，从教材内引向教材外，从小我引向大我。为引起学生的思考，每一话题都为学生提供了一定的补充阅读材料。

该作业同样也为小组作业，之所以设计为小组合作完成，是由于这些话题都需要和同伴讨论交流，在讨论的过程中，对问题产生深入的思考，并形成观点。此外，作业的时空延伸性，也使学生可以更广泛地查找资料，用以支撑自己的想法和观点，并给予更多思考的时间。为了保证该活动的质量，要求学生制作展板，进行最后的汇报、交流，并给出了展板制作的要求。在这样的讨论交流中，学生对科学本质的认识会逐渐加深，对科学、技术、社会与环境的关系的理解会更加深刻。在此基础上，通过有效的学习活动过程，才能逐渐形成无形的科学态度和社会责任感。

由于四个学科核心素养之间的关联性，一道优质的作业题往往包含学科素养的某个方面或各个方面，并不仅限于其中之一。我们在进行设计时，也并未从某一素养的角度基于知识进行专项设计，而是在整体理解学科核心素养内涵的基础上进行整体设计。

二、作业设计的建议

面对这一极富挑战的项目，我们组建了区域内跨校青年骨干教师团队，团队成员中既有优秀的市示范学校教师，也有来自于区域中下甚至尾部学校的教师。以往这些不同学校的教师在本校内布置的作业差异很大，往往超过一半的习题内容不同、难度不同、数量不同。但是在学习了学科核心素养之后，大家跳出了传统物理试题的窠臼，新设计的试题由于指向知识背后的思维和方法，且不少具有较大的开放性，适合层次不同的学生在自身的学习基础上发挥并提升。通过项目研究与实践，收获了以下经验：

（一）作业形态的变化

根据作业的功能，我们改变了传统的作业形态，让学生完成作业的过程从静到动，从全部独立到部分合作。在这样的设计中学生动起来了，不仅是查阅资料、动手实验这种外在的动，更重要的是思维的动。而这种思维的活动既需要独立的思考，同时也需要在群体的讨论、交流中得以实现。

（二）单元作业设计的路径

作业设计要能体现学科核心素养，首先是建立在设计者对核心素养的深入理解上。面对全新的“学科核心素养”，团队教师进行了先期的理论学习，充分研读新的课程标准，了解学科核心素养的指向、构成要素。在设计过程中，大家查阅了不少国外的相关资料，开拓眼界和思路，努力体悟并实践从知识到能力到素养的构建过程和培养途径。

在进行作业设计时，首先对整个教学单元进行整体设计、系统体现，再根据单元中每一节内容的特点，将单元教学目标合理分解至每一课时，根据每一课时分目标设计适切的作业，这样将有利于整体把握、处理好教授知识和培养素养之间的关系。 总体而言，设计路径为：先确定单元总体目标，然后对总目标分解细化，最后设计达成目标的适切载体。

（三）素养导向的评价标准

在作业试题的设计中，我们认为评价一道作业题是否优质，其标准应是：能帮助促进学生在巩固理解知识的基础上，形成能力、培育品格。完成作业的过程，是学生离开课堂时空后的自我学习过程，这一学习过程，教师较少的参与，但教师可以通过精心设计的作业，引导学生在自我学习中，从掌握知识到形成能力，从养成习惯到培育品格。这种形式的作业在之前是无法想象的，只有当对人的评价的标准、教与学的目标发生了大转变，从故纸堆中的死知识转变到人发展需要的活思维，我们设计的作业才有用武之地。