核心素养下高中物理教学设计优化的关键环节

蔡千斌

摘    要：为促进核心素养下高中物理教学设计的最优化，实现学生核心素养在高中物理课堂教学中的真正落地，根据最近发展区理论和目标导向教学理论，从情境、问题、活动、教法四个角度出发，诠释了核心素养下高中物理教学设计优化中问题情境创设、问题链设计、学生学习活动设计和教师教学方法设计这四个关键环节的操作策略.

关键词：核心素养;物理教学设计;优化

基于最近发展区理论和目标导向教学理论，我们在实践中提出了核心素养下高中物理教学设计优化的四个关键环节，包括问题情境的创设、问题链的设计、学生学习活动的设计和教师教学方法的设计.[1]

一、问题情境的创设

（一）联系学生实际

问题情境的创设应当联系学生的实际.教师设置学生熟悉的生活场景，学生才会有亲近的感觉.由于学生有经历，有体验，一旦将这些熟知的场景同所学的物理知识联系起来，就更容易为理解物理知识提供感性认识.例如，在“探究感应电流产生的条件”的教学中，为了揭示无线充电的秘密，教师可以设置两个情境.

情境1：如图1（a）所示，教师将一只手机放到一块布上，通过投影学生看到手机上出现正在充电的画面.布的下面与手机的内部到底隐藏着什么样的秘密？（学生将此情境与生活中的手机无线充电联系起来，认为布下应该隐藏着无线充电器，教师给予肯定的回应，然后揭开布进行验证.但学生对于手机内部的秘密并不知晓.）

情境2：如图1（b）所示，移走手机后，将一个与小灯泡、开关串联的线圈放到了同一块布上.开关断开时，小灯泡不亮.开关合上时，小灯泡竟然变亮了.对比图1（a）、（b），有学生提出无线充电手机的内部也应该有线圈.教师拆开手机的背面外壳，果然内有一个闭合的线圈，证实了学生的想法.

（二）适合学生思考

由于问题的解决者是学生，所以问题情境的创设必须适合学生的思考，不能过难也不能过易.例如，“跳环”问题的创设.

情境：如图2所示，交流电源、开关、插有铁芯的线圈组成一个闭合回路，将一铝环置于线圈上，开关闭合瞬间，铝环跳了起来，请你解释铝环跳起的原因.

图1中所接电源为交流电，虽然“跳环”实验现象明显，但解释复杂，并不适合初学者思考.如将交流电源换成直流电源后，開关闭合瞬间，线圈中磁通量由无到有，铝环中磁通量跟着增大，根据楞次定律，铝环中感应电流的磁场要阻碍铝环中磁通量的增大，因此铝环跳了起来.这样的情境难易适中，便于学生解释，因此适合学生思考.

（三）针对教学目标

问题情境是为教学服务的，问题情境的创设要针对教学目标.有效的问题情境能促成教学目标的顺利达成.例如，在“竖直平面内圆周运动”的教学中，教学目标是“能分析物体在竖直平面内做圆周运动到达最高点时的受力情况和运动状态;能求解物体在竖直平面内做圆周运动到达最高点的最小速度;能分析物体在竖直平面内做圆周运动刚好通过最高点时的受力情况和运动状态”.为此，可以设置以下一个情境.

情境：英国特技演员特鲁利亚驾驶汽车象过山车一样在一个12m高的巨大圆环内行驶了一周，如图3所示.已知g取10m/s2.（1）特鲁利亚驾驶汽车通过最高点的最小速度vmin为多大;此时特鲁利亚处于超重状态、失重状态还是完全失重状态？（2）假设人的质量为m，特鲁利亚驾驶汽车通过最高点的速度为1.1vmin，则汽车到达最高点时，人对座椅的作用力为多大，方向指向哪里？

显然“此时特鲁利亚处于超重状态、失重状态还是完全失重状态”这一问题并不针对本节课的教学目标，应该删除，可增加“汽车通过最高点的最小速度vmin的受力特点是什么”这样一个问题.

（四）突出关键要素

从可学性角度来看，问题情境的创设要突出学生学习的关键要素.如图4所示，一个薄金属圆盘水平放置在竖直向上的匀强磁场中，下列各种做法能使圆盘中产生感应电流的有哪些.（1）圆盘在磁场中水平向左平移;（2）圆盘在磁场中竖直向下平移;（3）圆盘在磁场中以某一水平直径为轴匀速转动;（4）圆盘绕过圆心的竖直轴匀速转动;（5）匀强磁场逐渐减弱.

这5个问题都不宜在《探究感应电流的产生条件》新课结束时出现.理由是：图4主要难在闭合回路物理模型的构建上，没有突出“让学生利用磁通量发生变化来判断感应电流的有无”这个关键要素.如果将该问题情境中的金属圆盘改为金属圆环，就非常适合在《探究感应电流的产生条件》这节课内学习.

二、问题链的设计

（一）基于学生起点

如果我们的教学理念不是“教为中心”而是“学为中心”，即解决问题的主体是学生，那么基于学生的学习起点设置问题就应该是一个需要遵循的基本原则.例如，在闭合电路欧姆定律的教学中，学生的学习起点是“电源无内电阻，将小灯泡与电动势超过其小灯泡额定电压的电源相接，小灯泡会很亮甚至会烧坏”.教师紧紧围绕学生的这个学习起点展开问题链的设计.

问题1：一节干电池的电动势为1.5V，两节干电池串联，总的电动势为多大？

问题2：寻找小灯泡发光微弱的原因，如图5所示，将这个小灯泡直接与两节干电池串联，小灯泡会发光吗？（学生1：灯丝会烧断.学生2：小灯泡会很亮.教师合上开关，结果小灯泡发出的是微弱的光.）

问题3：小灯泡为什么没有很亮，或者灯丝被烧断？（学生：电池没电了，电池两端电压为0.教师断开开关，用电压表测量电池组两端的电压，结果是2.7V.）

问题4：电池组两端的电压为2.7V，已经超过小灯泡的额定电压2.5V，小灯泡为什么没有发出很强烈的光，是谁“偷走”了本应属于小灯泡的电压呢？（学生：电源内部可能有电阻，它“偷走”了一部分电压，导致小灯泡两端的电压低于额定电压，因此小灯泡很暗.）

（二）围绕教学目标

围绕教学目标设置问题链，有利于教学目标的达成.如果设置的问题链偏离了教学目标的则宜删掉.比如，在电磁感应的热量计算专题中，某节课的教学目标是运用能量观点求焦耳热，教学设计中设置的问题链就不宜出现求通过某电学元件的电荷量.例如，电磁感应中的“双杆问题”.如图6所示，在水平面上有两条足够长的平行光滑金属导轨MN、PQ，导轨间距为d，匀强磁场垂直于导轨所在的平面向下，磁感应强度大小为B.两根金属杆间隔一定的距离摆放在导轨上，且与导轨垂直，已知两金属杆质量均为m，电阻均为R，两杆与导轨接触良好，导轨电阻不计，现将杆1以初速度v0向右滑向杆2，在运动过程中两杆始终不碰撞.（1）杆1、杆2将做什么样的运动？（2）杆1、杆2最终以多大的末速度做匀速运动？（3）杆2上产生的焦耳热为多大？（4）通过杆1的电荷量为多大？

问题（4）求导体棒上通过的电荷量要用到动量观点（或取安培力的平均值），偏离了本节课的教学目标，应该删掉.如果在一节电磁感应的综合应用专题中，教学目标是“会运用动力学知识分析导体棒的运动性质，会运用能量观点求导体棒的焦耳热，会运用动量观点求导体棒上通过的电荷量”，这时就可选用上述电磁感应中的“双杆问题”.

（三）符合思维发展

学生思维的发展是有规律的，例如先初浅后深入，先定性后定量，先特殊后一般，先形象后抽象等.问题链的设计要符合学生思维发展的规律，这样才能促进学生思维的发展，体现以学定教的原则.例如，E=Blv公式的运用.如图7所示，固定在地面上的两根平行金属导轨相距为d，右端接有一个电阻，整个装置处于竖直向上、磁感应强度为B 的匀强磁场中，一根导体棒在金属导轨上以速度v匀速运动，与导轨保持良好接触.（1）图7（a）中导体棒与速度方向垂直，求电路中感应电动势的大小.（2）图7（b）中导体棒与线框夹角为[θ]，导体棒的速度方向为水平向右，求电路中感应电动势的大小.（3）图7（c）中导体棒与线框夹角为[θ]，导体棒与速度方向垂直，求电路中感应电动势的大小.由此说明，求解导体棒切割磁感线产生的感应电动势大小时，需注意哪些事项.

问题（1）中B、l、v三者两两相互垂直.学生通过问题（1）的解决，可以直接巩固E=Blv公式的运用.问题2中B与l垂直，B与v垂直，但l与v不垂直，夹角为[θ].学生通过问题（2）的解决，可以掌握“分解速度v求感应电动势大小”与“取导体棒有效切割长度求感应电动势大小”的计算方法.思维要求比问题（1）高.问题（3）中的B、l、v三者两两相互垂直，它的本质与问题（1）相同.由于问题（3）与问题（2）具有形似的特点，学生容易将问题（2）中的结论套用到问题（3）中.通过反思“求解导体棒切割磁感线产生的感应电动势大小需要注意的事项”，能让学生意识到E=Blv公式的运用必须要看清哪些条件，从而形成问题解決的策略性知识.这是一种元认知思维，居于思维层次的最高端.从问题（1）到问题（3），学生的思维层次逐渐加深.

三、学生学习活动的设计

不同的学习内容，需要不同的学习过程，不同的学习过程，学习的效果并不相同，教师和学生的水平又会制约一些学习活动的展开，学生学习活动的设计目的是确定与学习内容、教学、学生水平相适应的学习方式，如观察、思考、体验、推理、探究、展示、讨论等.

（一）适合学生能力

学生学习活动的设计要符合学生的实际能力.例如，让学生自主学习，定量探究电荷间相互作用力的大小是无法完成的.让学生在教师指导下，定性探究影响电荷间相互作用力的因素是完全可以的.具体学习活动的设计如下：

任务1：讨论：电荷间相互作用力的大小可能与哪些因素有关？

任务2：讨论：在定性实验探究中，要研究电荷间相互作用力与带电体间的距离、带电体所带电荷量之间的关系，涉及三个量的关系，应当采用什么样的方法来研究？

任务3：根据教师提供的实验器材：球形导体，带细线的泡沫小球，铁架台，PVC管，毛皮.要求学生利用这些器材设计实验定性探究电荷间的相互作用力F与电荷量q、距离r的关系.（教师指导：如何比较电荷间相互作用力的大小？能否从理论上推导出电荷间相互作用力大小与偏角的关系？如何使球形导体、泡沫小球带上电？如何改变球形导体所带的电荷量？）

（二）能够自主完成

学生自主学习活动的设计，一定要根据学习内容来确定.如果所学内容难度大，学生自主学习是难以完成的.学生学起来既费时费力，学习的效果也比较差.对于这样的内容，学生就不能自主完成.例如，加速度概念比较复杂，学生自主探究的效果一定是比较差的.因此，加速度概念就不能安排学生自主学习.而对于概念容易理解、难度又比较小的学习内容，学生就完全能够自主完成.例如，“重力  基本相互作用”“力学单位制”“经典力学的局限性”等学习内容，教学上就可以安排学生进行自主学习.

（三）教师适时引导

有些问题，如果缺了教师的引导，学生就不知道朝什么样的方向去推理.这时，需要教师搭建思维台阶，进行有序的引导.例如，闭合电路欧姆定律的推导.教师提出：令电源的电动势为E，内电阻为r，外电路的电阻为R，闭合电路中的电流为I，（1）在时间t内，外电路电阻所消耗的电能E外为多少？（2）在时间t内，内电路电阻所消耗的电能E内为多少？（3）在时间t内，电源内非静电力所做的功W为多少？（4）从功能关系来看，电源（如干电池）内非静电力所做的功将化学能转化为电能，那么这些电能又转化为什么能量，能否用一个式子把它表示出来？（5）由此，你能得到闭合电路中的电流与哪些因素有关，成何关系？

四、教师教学方法的设计

（一）根据教法特点进行优化组合

高中物理常用的教学方法有讲授法、讨论法、练习法、直观演示法、分组实验法、读书指导法、任务驱动法、问题教学法、项目教学法，还有自主、合作、探究学习法等.当然，这些教学方法并不是孤立的，也不是一种方法就能包打天下的.各种方法都有自身的优势与缺陷，教学时要根据实际情况进行不同方法之间的优化与组合，以达到所需的最佳效果.

（二）针对学生情况选择教学方法

对于同一任务，教师水平与学生水平不一样，对应的教学方法也可能不同.如果学生水平高，就能自主完成难度较大的学习任务.如果学生水平较低，就不可能自主完成难度较大的学习任务.对于后者来说，比较合适的方法还是教师讲授来得效果好一些.

例如，对于多用电表功能、使用方法的探究，当学生水平高时，不管教师水平怎样，都宜采用学生自主探究的教学方法;当学生水平低教师水平高时，则宜采用教师引导学生探究的教学方法;当学生水平低教师水平不高时，则宜采用教师示范探究的教学方法.

总之，精准把握问题情境的创设、问题链的设计、学生学习活动的设计和教师教学方法的设计这四个环节，能够促进核心素养下高中物理教学设计的最优化，最终实现学生核心素养在高中物理课堂中的成功落地.

参考文献：

[1]钟启泉.课堂转型[M].上海：华东师范大学出版社，2018：69.