基于核心素养的高中物理动态资源开发

张冲 张红洋 王瑞珍

摘 要：中国基础教育质量监测协同创新中心的研究显示，为了客观反映学生的学业质量、身心健康和变化情况，应从科学观念与应用、科学思维与创新、科学探究与交流、科学态度与责任[1]四个核心素养来制定科学教育评价指标；物理教育，作为国际科学教育研究的重要组成部分，在促进高中生思维与全人发展方面起着越来越重要的作用。本研究选取高中物理学科为研究对象，论证教师应扎根于核心素养的四个维度，有针对性地开发动态资源，以全面提升学生的素质。

关键词：科学教育；核心素养；高中物理；动态资源

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2018）4-0067-4

高中阶段的物理学习，对培养学生良好的数理逻辑思维、自然探究兴趣和实事求是的作风起着奠基作用。2018年1月刚公布的《普通高中物理课程标准（2017版）》提出“体现物理学科本质，培养现代公民必备的物理核心素养”[2]。15～18岁高中生的“全人”发展诉求对物理教学提出了新的要求，如何通过物理学科教学培养学生的物理核心素养这一问题逐渐显露。

1 新课标对物理教学的新要求

从学科本质上看，物理学是冷酷的，不讲人情的，能站得住脚的就是客观事实和实验数据。在当前形势下，物理的学科本质是对未成年人进行价值观教育和求实精神熏陶的天然活素材。物理学作为自然科学和工程技术中的“母学科”，受到了联合国教科文组织的重视，2005年被命名为“世界物理年”，物理学科为每个人更好地迈向社会生活提供了诚实的作风导向和思考问题的科学方法。

从学习者诉求来看，人日益渴望的精神文化层面的成长和身心人格的健全发展，这是迈入紧张高中伊始，学生向教学设计者提出的难题。必修1、必修2和必修3是准理科生和准文科生都要学习的，如何寻求“平衡点”，既满足学生的“生活需求”，又照顾学生的“升学需要”，这就为教育工作者开发动态教学资源提出了要求。前者对应新课标中物理核心素养的关键成分，即培养适应个人终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力[3]。

从教育学原理来看，开发智力和培养“德性”是文化课教学的主要出发点，二者相互反馈，相互促进。现行常态化评价中，二者遭割裂的现象时有发生，“立德树人”在高中场域中艰难前行[4]。能否坚守科学的“教育原理”，遵循心理学和人的成长规律；同时又能平衡评价体系要求，这是很有价值的一个课题。因此，学习者在规律学习中，在科学探究中，如何改善思维，锤炼人性，并将收获内化为具有物理学科特质的品性，这值得关注。

下面，从建构主义出发，基于物理核心素养的四个维度，介绍如何开发动态的物理资源。

2 动态物理资源的建构

（1）注重概念和规律的提炼升华，培养学生的“物理观念”

核心概念是近几年国际科学教育的热点，核心概念的进阶学习被认为是科学教育的主要目标[5]。物理教育的研究，国际上一般放在科学教育里进行。物理概念是关于一类实物本质属性的定义，譬如“什么是密度”“什么是质量”“手机发射出的无线电波是什么”……“是什么”也就是它们的固有属性和本质特征在学习者头脑中的反映，这是物理概念；而物理规律是反映物理现象所遵循的规律，例如，光的折射定律、动量定理、机械能守恒定律都是物理规律，再如“光波从光疏介质射向光密介质时，反射光会发生半波损失（这跟两种介质的固有属性直接相关）”，“物体顺着重力场降落或一个正电荷顺着电场线方向运动时，保守力都做正功，势能转化成动能，但总的能量在转化中是守恒的” ……

核心概念和核心规律构成了物理教育的主体。然而，在传统的应试教育中，教师忙于赶任务，学生疲于赶进度，对上述两个“核心”缺乏提炼和升华；而在物理核心素养中我们强调更为上层的“物理观念”，这是一种“大概念”和“综合规律”，这是在实际未知情境中辨认适用情形的意识和在有限时间内整合提炼物理定义和规律的能力。譬如，学生观察到鸡蛋在盐水中漂浮时，脑海中应即刻调出关于“物质的观念”之本质属性——密度，还可联想到“相互作用的观念”之浮力及其大小因素；再如，卫星发射时，燃气向下，马上联想到“作用的相互性”，所以火箭向上，紧接着，化学燃料耗损，高度不断攀升，动能增大，这里就用到了“能量”的观念——能量之间转化和守恒，进入预定轨道后，地球与卫星之间的万有引力足够提供向心力，这里涉及“相互作用和运动”的观念，卫星开始做匀速圆周运动。

可见，物理观念主要涵盖“物质”“相互作用与运动”和“能量及其转化”三大观念，这是对高中物理所有概念和规律的高度提煉和升华。

（2）提倡质疑创新和推理论证，培养学生的“科学思维”

思维是衡量一个人智力和学习能力的核心指标。人的思维的深度和灵活度在很大程度上能决定他的学习能力和解决问题的能力。高中力学朝夕相伴着15～17岁的学习者，理应成为培养学生的推理、质疑和创新思维的有力手段。譬如，解决斧子劈柴时怎样更容易这一问题，可以对柴进行受力分析（图1），然后进行正交分解，可以得到数学关系N=

从而验证生活中“越薄的楔就越容易钉进物体里（越大）”的道理。

由此，学习者亲建模型，浸入论证，运用分类讨论和正交分解受力的方法，参与体验了科学思维的全过程，即提出假设—选择方法—推导阐释—验证或推翻假设。值得注意的是，思维实验是理论物理学家常采用的方法，1924年德布罗意对应光波在黑体辐射、光电效应现象中显示出来的“粒子性”，果断逆向思维，提出：实物粒子除了具有粒子性之外，还应该会像波一样发生干涉或衍射，具有“波动性”，这就是普通物理中提到的“物质波”。1925年，G·汤姆孙用电子束（实物）照射金箔，首次得到了电子的衍射图样（图2[6]），直接证实了电子具有波动性；随着技术的精良化，1961年，C·约恩孙得到了电子的双缝干涉图样（图3[7]），为实物粒子的波动性提供了最为直观的证明。德布罗意的对比思维和逆向思维起到关键作用，协助他单纯以博士论文获得诺贝尔物理学奖。

教师在实际操作中，首先应给学习者思维以自由空间，引导学生探究物理本质，力行示范用科学语言和符号来整理规范思维，撰写符合格式的文章，提升学习者思维的逻辑性。

（3）鼓励提出问题和解释交流，激发“科学探究”能力

辩证唯物主义是自然科学的认识论，而扎根于唯物主义的科学探究又为自然科学提供了方法论，具体到自然科学的“母学科”——物理学也如此。英国《国家科学教育课程标准》提出通过科学教育主要为了培养学习者如下的核心技能：科学调查研究，科学探究、发现和交流各种不同的事实、观点和意见以及收集、思考与分析第一手和第二手数据[8]；在英国，很多小学生都会收到一个家庭作业，做一项与生活息息相关的科学调研，完成很大的阅读量，分析相关数据，并采用科学语言写成报告。相比西方，我们的学生上述能力的培养长期滞后到本科毕业时甚至研究生阶段。此次科学核心素养提出在中小学阶段培养学习者的“科学探究”能力，是有实证依据的。

以具体教学为例，教师可在电磁感应一节中引入物理学发展史上的“科学探究”：1820年，大学老师奥斯特在做演示实验时不经意间发现了“电能生磁”。紧接着，法拉第反过来猜想“磁能生电”，他的支撑是“自然界一切事物都是相互关联的”。为了验证，法拉第设计各种实验进行了多年艰苦卓绝的努力，直到1831年，终于验证了“变化的磁场可以产生电场”的设想，最终提出了法拉第电磁感应定律，“电学之父”由此诞生。

（4）开发兴趣，树立实事求是的精神，培养“科学态度与责任”

科学是在挫折和反复摸爬中前行的，物理教育应该培养学习者基于事实独立思考作出判断的能力，对科学本质坚定的追求以及和谐地处理人与自然能源的能力。上述能力对应核心素养中的“科学态度与责任”，譬如麻省理工学院物理教师Walter Lewin（图4）在讲到人的身长测量时，应用事实说话，证明人体的竖直身长和水平身长存在显著差异[9]。实测显示：被測者Zach的竖直身长为183.2±0.1cm，水平身长为185.7±0.1cm，几乎一英寸的前后差异证实了地球引力对人体脊椎的压缩效应。Walter Lewin对“真相”的执着追求和尊重事实的态度值得学习。

学习者卷入原始问题和物理学科发展史实，这是物理态度和责任教育的重要方法。迈克尔逊和莫雷不畏权威，设计实验证明地球表面不存在光的传播媒介——“以太”，推翻了经典物理中连牛顿和麦克斯韦均“深信不疑”的“以太说”，为光速不变原理和狭义相对论铺垫了事实依据。在实际教学中，学生理解了煤炭和石油燃烧后“熵”增加了，这个不可逆过程中能量的品质下降了，才不会轻信社会上“能量守恒，因此不需要节约能源”的谬论；学习者通过实验仪器测量到了光压，方才体会光波的粒子性……

值得注意的是，人类对于物理学科本质的理解具有阶段性和反复性，这意味着学习者应该抱有理解乃至同情的心态来看待暂时的不完美和挫折，并努力求是，让研究逼近客观科学。譬如，爱因斯坦1916年从理论上预言了激光产生的可能性，即“原子受激发辐射放大”，但囿于技术平台，直到1960年，美国人T.H.梅曼才制成了世界上第一台红宝石激光器，证实了爱因斯坦在44年前的假说。再如，在学习选修3-4《相对论简介》时，不少学生难以相信动尺收缩和时间延缓的实际效应，甚至萌生“狭义相对论在通常情况下很难成立”的错误观念。这时教师可以用宇宙射来的介子为例阐明，介子的半衰期也就是寿命很短只有T0=2.2×10-6 s，其速度v=0.995c，距离地面实验室l0=6 000 m，若不考虑相对论效应，用时间乘以速度得介子的运动距离不足700 m。但客观上，美国地面实验室接收到了此高能粒子，与理论计算相悖；实际上，此时粒子速度完全可以与光速比拟，必要考虑相对论效应，在动系S'中，粒子寿命（时间）延缓了，最后计算出运动距离l=6 700 m，可成功抵达地面。

学习者通过上述教学案例，深刻地体会到狭义相对论的客观真实性，坚定了科学情感态度，增强了物理学习的责任感。

3 反思与展望

素养，又解“素来的修养”，非一蹴而就的；对于科学素养的获得更是如此，教育部《义务教育小学科学课程标准》印发一年了，科学核心素养的培养应遵循连贯性原则，不断进阶，前后相承，而非到了高中阶段突然开始培养物理核心素养。如何评估学习者先前的物理素养水平，有的放矢地展开资源，这是值得反思的。

其次，将心理统计与测量应用于物理核心素养的监测和考评中，会成为本领域的重要课题。新课标附录给出了物理核心素养的水平划分及对应标准，这对高考命题具有导向作用，有助于物理核心素养成为可测评、可考量的变量。

值得一提的是，本文主要针对高中阶段物理核心素养的培养，然而，我们并不能止步于此。在刚刚落幕的教育部物理学类专业教学指导委员会西北地区工作委员会第二次会议（2017年12月）中，我们发现，一些斩获陕西省大学生物理学术竞赛佳绩的工科本科生最终将其研究成果发表在了Physical Review B等SCI来源刊物上。由于工作的原因，笔者也曾参与此项赛事的指导。我们从刚进入大二的学生中选拔苗子，比赛不区分参赛者是否出身于物理学类专业，大部分参赛者出身于工学专业。可见，高中物理乃至大学物理公共课教学渗透给学生的科学核心素养，其潜在的“垫基”作用很难估量。

参考文献：

[1]胡卫平.物理学科核心素养的建构[J].中学物理教学参考，2017，46（13）：1-3.

[2][3][4]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[5][8]韩葵葵，胡卫平，王碧梅.国际科学教学心理的研究进展与趋势[J].华东师范大学学报（教育科学版），2014（4）：63-70.

[6][7]常文利.大学物理教程[M].上海：上海交通大学出版社，2014：325.

[9]Walter Lewin.麻省理工学院公开课：经典力学[EB/OL].http：//open.163.com/movie/2009/5/T/V/M6S8LP3CJ_M6S8LUVTV.html