指向核心素养的物理教学设计的优化策略与实践

摘 要：结合教改实践，提出了四条物理课堂教学设计的优化策略：让学习从真实问题真实情景开始;带着猜想或问题去观察;用问题引导思维，用猜想推动问题的解决进程;让思维插上想象的翅膀.学生的课堂表现将因此而不同，学生的科学思维能力将初步达成.

关键词：物理教学设计;优化策略;问题;猜想;想象

文章編号：1008-4134（2020）01-0045 中图分类号：G633.7 文献标识码：B

作者简介：李铁（1968-），男，江苏无锡人，本科，中学高级教师，中学特级教师，研究方向：高中物理课堂教学.

2017版《普通高中物理课程标准》的颁布揭开了新一轮物理课堂改革的序幕.课程目标从2003版较抽象的三维目标转变成较具体的核心素养，注重培养学科关键能力，对教师的课堂教学设计的指导更加明确.但物理学科核心素养的形成最终取决于教师课堂教学行为的变化，比如教师是否愿意给时间让学生独立思考？给时间、空间让学生质疑交流？教师的教学观念是否真正地发生了改变，并把这种变化体现到每堂课的教学设计中？教学设计是作用于课堂教学的最直接方式，其中的精妙设计变化能促进学生的反思与提高，也最能促进教师教学观念的变化.那么，新课程背景下，促进学生核心素养形成的课堂教学设计，正发生着哪些变化呢？

1 让学习从真实问题或真实情景开始

真实问题或真实情景能极大地激发物理学习的兴趣，激发认知冲突，形成强烈的学习动机.让课堂从真实问题开始，让学生把实际问题抽象成物理问题，能培养学生主动发现问题的能力、抽象思维能力.在问题背景的导引下，学生能主动寻找解决问题的方法，培养科学思维能力，增强实践意识.

例如，在学习全电路欧姆定律时，教师这样设计引入：（1）用电压表测量一节干电池的电压约“1.5V”（2）出示小灯泡，查明其额定电压“1.2V”，同时提问，用该干电池对该灯泡供电，灯泡亮吗？学生给出预期答案（亮）.（3）实验观察：结果灯泡不亮.这样的实验引入与学生的前认识产生强烈的冲突，令学生困惑.学生不禁要问：电源两端的电压哪里去了？电源两端的电压是变化的吗？用实验很好地突破了学生的思维定势（初中认为电源两端的电压是不变的），也为本堂课的后续学习指明了方向.

用真实问题或真实情景引入，要关注其有效性适切性，不能仅看热闹，要与本堂课的内容相关，而且最好是经过本堂课的学习，能够解决引入的问题.在学习磁扬对运动电荷作用力的时候，很多教师用极光引入课题，引入时五光十色，但本堂课的后续学习与极光无关联，到本堂课结束，也不能解决极光形成问题.对本堂课而言，这样的情景是无效的，甚至对本堂课的学习起到了干扰作用.

2 带着猜想或问题去观察

观察是发现之源，要培养学生观察的习惯、观察的意识，在观察的时候，能主动发现问题，并对问题的解决带着预设再观察、再实验，让学生逐步学会科学探究的一般流程与方法.高中课堂演示的大部分实验，学生通常有一定感性认识，对实验研究的目的，也比较明确，学生对实验的结果，有合理但可能是错误的预期.在观察之前，让学生有一个合理假设，一方面能发现存在的问题，另一方面也能使后面的观察更专注、更有目的性.

例如，在讲超重与失重的时候，大部分老师通常的讲法是：（1）看录像，在电梯上放一个台秤称重物的重量，观察电梯上升运动，再观察电梯下降运动，记录台秤示数变化;（2）根据观察完成表格：记录速度方向、加速度方向、台秤的读数;（3）根据表格总结超重失重的条件;（4）最后用牛顿第二定律做定量讨论.上述教学流程是：观察→总结→思考.上述教学设计把学生当成一张白纸，压制了学生的思维，由于观察中少了思考，不利于学生自主地、创造性地解决问题.换一个讲法就是说，课堂学习气氛不同，学生参与状态就完全不同：（1）带着问题去观察，首先提问：电梯从底楼上升到顶楼，台秤的示数是否变化？谈谈自己的看法;（2）学生提出自己的假设或分析，课堂变活了，教师则如实记录;（3）学生根据自己的假设，自己设计需要的表格，同学之间的表格可以不一样，如部分同学可能只记录加速度的方向与台秤的读数;（4）每位同学带着自己的假设去观察，目的明确，观察更有效;（5）从牛顿第二定律的角度总结超重与失重.这样的设计流程是：问题→猜想→观察→反思.学生在自我思考、自我创造，在自我否定之否定中不断提高.

又如在讲授楞次定律的时候，教师通常直接演示磁铁插入螺线管的实验，让学生观察，然后师生一起总结感应电流的方向与哪些因素有关.学生对结果表示认同，或者认为实验结果很平淡无奇.教学流程是：观察→总结.换一个教学过程，学生的表现会完全不同：（1）出示磁极及螺线管电流表闭合回路，这套装置前二节课已经多次使用，学生有足够的感性认识;（2）提出问题：猜想感应电流方向与什么因素有关？（3）学生做合理猜想，教师如实记录磁铁的磁场方向，可是大部分学生说不出“磁通量的变化”;（4）学生带着问题去观察，观察目的明确，学生很快就发现了假设中的问题;（5）学生修证假设，得到结论，认识升华了.该教学流程是：问题→猜想→观察→反思.学生观察非常专注，同时很快发现了存在的问题，提高了学习效率.

带着猜想去观察，猜想可以是不完备的，也可以是片面的，甚至是错误的，只要相对学生现有的认识是合理的，就是一个很好的假设.这样的假设，能及时发现学生的思维障碍，观察目的明确，对学生的思维起到很好的引导作用，学习的有效性及课堂的效益也将得到提高.

3 用问题引导思维，用猜想推动问题的解决进程

物理学习的目的之一是为了解决问题.要把问题的提出、问题的解决变成一条明线.要让学生自己发现问题，并对问题解决有一个预期猜想，再围绕问题的解决，去寻找解决问题所需的知识方法，用问题与猜想推进课堂的进程，进而培养学生分析与解决问题的能力.这样，课程标准所倡导的“观察、假设、实验”的科学探究的方法，才能落到实处.

例如，在理论探究洛伦兹力的大小时，人教版课本分下面四步提出问题：一根通电导线长度为L，放在匀强磁场B中，电流I垂直于磁场B：（1）写出电流的微观表达式.学生不知道为什么要写？（2）写出长为vt导线受到的安培力.（3）求出每个电子受到的力，即洛伦兹力.课本在这里加了一個说明：许多中间量，如n、v、s、t等都应不再出现.该教学流程是：问题1→问题2→问题3.笔者称这种问题链为导航式问题链.设置导航式问题链，等同于视学生为木偶，学生只要按部就班，很快就得到结论，但学生缺乏思维碰撞，缺乏对旧知识的主动回忆和新问题的理性思考，学生知其然但不知其所以然，学生获得知识的过程是肤浅的，表现为学生课后知识再现率很差.但如果用问题与猜想作引导，学生的表现就完全不同，下面是笔者的实践 ：（1）猜想：电荷电量为q，以速度v在磁场B中运动，其受到磁场的洛伦兹力与哪些因素有关？并给出定性结果;（2）猜想：通电导线受到磁场的安培力与导线中每个运动电荷受到磁场的洛伦兹力是什么关系;（3）一根通电导线，放在匀强磁场B中，电流方向垂直于B，其中电子的电量为e，电子的定向移动速度为v，求解每个运动电子受到的洛伦兹力？（4）你能否设计实验验证上述公式的正确性？该教学流程是：情景→猜想1→猜想2→问题解决.这样的设计有合理的猜想作为指引，学生的思维方向明确，在解决问题的过程中，学生能主动回忆已学知识，进行积极的自我反思与自我建构、自我动态生成，学生的输出远远大于教师对学生的输入.

猜想是创新的起点，教师在平时的课堂教学中，要多给学生猜想的机会，培养猜想的习惯，同时要注意让猜想建立在一定的事实基础上，让猜想遵循认识规律，而不是胡猜乱猜.如在研究碰撞中的不变量（动量守恒）时，课本上的做法是：（1）用气垫导轨实验获得数据;（2）对碰撞的规律作各种各样的猜测，各种猜测组合达到四种以上;（3）用数据来逐一验证猜想的正确性.该教学流程是：问题→多种猜测→实验验证.这就是典型的胡猜乱猜，估计教师也没几个人用这样的教法.我们的做法是遵循认识规律，从特殊过程入手，并由此提出一般性猜想，再用实验验证一般猜想的正确性.该教学过程为：（1）用气垫导轨做特殊典型的碰撞实验：①质量为m的运动物体碰撞质量为m的静止物体，发生完全非弹性碰撞，由实验发现碰撞前后的规律性;②质量为m的运动物体碰撞质量为2m的静止物体，发生完全非弹性碰撞，由实检发现碰撞前后的规律性;③质量为2m的运动物体碰撞质量为m的静止物体，发生完全非弹性碰撞，由实验发现碰撞前后的规律性;（2）由以上实验事实对碰撞的规律进行一般性猜想;（3）用气垫导轨实验：验证猜想在一般情况下的正确性.该教学流程为：特例实验→提出一般猜想→实验验证.从简单典型的问题入手，进而寻找一般的规律性，这本身就是一种重要的研究方法.让猜想满足认知规律，学生思维清晰，表现出很强的创造力，课堂效益也得到提高.

4 让思维插上想象的翅膀

爱因斯坦说过：想象力概括着世界上的一切，推动着进步，是知识进化的源泉.想象力是科学研究中的实在因素，质疑能力、创新能力由此而生.当物理过程的实验条件现实中无法满足时，或逻辑推理的前提假设可能有误时，或在学习宏观与微观领域的内容时，可以用想象完成理想实验，得出结论.如建立牛顿第一定律的理想斜面实验.在讲光速不变时，我们引入爱因斯坦的追光实验，让学生想象，如果用伽利略速度变换公式，我们的速度可以等于光速甚至超光速，你将看到什么生活现象.学生的想象力被充分激发了，课堂活跃了.

培养学生丰富的想象力首先要保护学生的好奇心，平时要耐心回答学生提出的各种问题，同时要丰富学生用于想象的表象储备，积累必要的知识经验，使学生的想象有丰富的感性认识做支撑.如在学习气体分子的运动特点时，由于气体分子看不见摸不着，似乎知识只能靠灌输.我们首先通过几个问题，让其它分子运动的整体图景尽可能直观化，然后借助想象帮助学生建立气体分子运动的图景.教师设计下面3个问题：①气体分子间距多大？（约10-9m）②对氧气分子，0℃时分子运动的平均速率约为300m/s，估算每个氧气分子的碰撞周期及碰撞频率？（T=10-9/300≈10-10s，f=1/T≈1010Hz=100亿次/秒）③想象每个气体分子的运动图景？学生在上述3个问题的引导下，借助想象顺利完成气体分子运动特点的自我建构.

高中物理学习的目标是培养学生的核心素养.关注实际问题是形成物理观念、进行模型建构的必由之路.以问题为中心，基于现有的认识提出假设或大胆合理想象，并由此推进学习进程，这正是科学探究的学习方法的具体体现.学生的科学推理能力、质疑创新能力将得到不断发展，并将最终促成科学思维的学科培养目标的达成.

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准[M].北京：人民教育出版社，2018.

（收稿日期：2019-10-01）