基于核心素养的高中物理课堂探究式教学模式

何保民

【摘要】在核心素养视野下，为了深化教学实践，使教学模式更适合学生的需求与核心素养的培育，文章结合“太阳与行星间的引力”教学案例，阐述了如何在核心素养视野下实施高中物理探究式教学，发展学生的物理学科核心素养，如何建构以学生为主体、教师为主导的探究式教学模式。

【关键词】高中物理;核心素养;探究式教学;五阶循环教学模式

【基金项目】本文是2019年度河南省基础教育教学研究项目“基于核心素养的探究式教学实施研究”（JCJYC19063201）的研究成果。

一、引言

在物理教学实践中有效落实物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任等主要核心素养;在物理教育过程中培养学生应具备的、能够适应学生终身发展需要的必备品格和关键能力，渗透物理观念、物理方法、物理思想和物理精神，则建构以学生为主体、教师为主导的科学探究教学模式势在必行。

新课程理念上的主要变化是将原来的“知识与技能”“过程与方法”“情感态度与价值观”三维目标要求变为“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”四个核心素养的要求。

二、高中物理探究式“五阶循环教学模式”的内涵

1.什么是探究式“五阶循环教学模式 ”

“五阶循环教学模式”是基于物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任四大核心素养，结合学生的学情而创设的“自主型”物理课堂的探究式五环节教学模型的简约表达。五个主要环节是自主学习环节、探究合作环节、互动互评环节、精讲答疑环节和学成展示环节。“五阶循环教学模式”是相互影响、相互制约、彼此循环的动态系统，不是不可调变的，不是机械固定静态的，而是学习进阶而上的、螺旋式上升的探究式教学模型。

2.探究式“五阶循环教学模式”物理课堂的课程价值

物理核心素养的四个方面是物理教育的有机整体，不能割裂开来。物理观念教学中肯定会涉及科学思维的训练、科学态度的培养及科学探究的运用。在这四个核心素养中，物理观念是基础，科学思维是核心，科学探究是方式，科学态度与责任是必备品格、育人的最终目标。教学中要注意四位一体的全面设计。

探究式教学是通过“探究—创新”式教学，在具体问题情景中研究问题，解决问题，从而主动获取知识、应用知识的学习活动。运用多样化的教学方式，通过问题、证据、解释、交流与模型建构、科学推理、科学论证和质疑创新等探究活动而获得知识，发展情感和态度，培养应用和创新的意识与能力的过程，是学生自主地发现问题、分析问题和解决问题的过程。探究式教学带给学生的不再是被动接受，而是主动探索的科学精神和勇于创新的科学理念。

3.探究式“五阶循环教学模式”的实践构建

构建课题教学模型的根本原则是以学生为中心，学中有读，学中有练，学中有问，学中有思，以学定教，先学后教，是自主学习型的教学模型。以“学”为主的教学设计流程：分析核心素养的教学目标，确定学习主题;情景创设，信息资源设计与提供，自主学习策略设计;学习效果设计，强化练习设计;学习拓展设计，能力提升与综合应用设计等。将四大核心素养与自主学习型的五个教学环节融合一体，构建如图1所示的“五阶循环教学模式”。

4.通过“五阶循环教学模式”发展学生核心素养的策略

将高中物理核心素养与探究式五环节教学融合，如图2所示，在教学中不断向学生渗透核心素养，构建探究性五环节学习模式，发挥学生的主体作用。教师精心铺设台阶，调控引导，把学生指向“设疑—探究—形成—深化”的主动学习过程中去，让他们动脑、动手、动口、动笔，以发现者的姿态进行角色活动，充分领略到学习主人的充实感，体验获得知识、迈向成功的欢乐，进而激发学生学习物理的兴趣，增强学习物理的信心，培养学生独立思考、发现问题和解决问题的科学思维和科学精神。

三、探究式“五阶循环教学模式”在概念规律课教学中的应用

高中物理教科书中增设了较多的探究课，例如概念探究课“摩擦力”、规律探究课“自由落体运动”、关系式探究课“探究弹性势能的表达式”、理论探究与实验探究相结合的课型如“平抛运动”等。概念规律课、实验课、问题解决课和复习课等课型都可以采用探究式“五阶循环教学模式” 。

下面通过“太阳与行星间的引力”案例进行分析，阐述如何在核心素养视野下构建高中物理探究式“五阶循环教学模式 ”。这是物理必修2“万有引力与航天”一章的第二节。本章以科学探究为主线，从第谷一生观测的数千个数据，到凝结成开普勒的三句话，再到牛顿的一个简洁公式，探究过程不断创新。万有引力定律的发现过程为我们展示了物理规律课的探究过程：模型建构（行星的运动）、科学推理（太阳与行星间的引力）、科学论证（万有引力定律）、质疑创新（万有引力定律的成就）。沿着科学家的足迹，经历探究过程，揭开天体运动规律的神秘面纱，重塑物理观念，凝聚物理思想，开启物理方法，激发物理精神。

1.物理观念与应用

分析核心素养教学内容，确定学习目标。了解行星绕太阳运动的不同观点和引力思想产生的历程，形成物质观和宇宙物质观。知道行星绕太阳运动的原因，行星绕太阳做匀速圆周运动的向心力的来源，树立运动与相互作用的观念和能量观念。

〖教学环节一：自主学习〗

在课前或課堂预留时间，让学生自主学习课堂内容，归纳自探提纲。给学生提供学案，先独立自学。

探究1：探究行星运动学特征，分析行星运动定律的物理意义。

探究2：探究简化模型下的行星运动定律的内容，建构物理模型。

探究3：探究行星有规律运动的原因，猜想向心力的来源。

探究4：科学探究向心加速度与轨道半径的关系，提供行星运动的半径、周期的观测数据。

探究5：科学思维探究引力与轨道半径、质量的关系式。

探究6：探究科学精神、科学本质和规律应用。

〖教学环节二：探究合作〗

行星是怎样运动的？从运动学角度思考开普勒行星运动定律的物理意义。从动力学思考运动的原因是什么？学生探究、阐述行星运动定律的内容和物理意义。

行星的实际运动是椭圆运动，但我们还不知道求椭圆运动加速度的运动学公式，我们现在怎么办？把它简化为什么运动呢？学生根据观测数据分析行星的轨道半长轴与半短轴的差 别，简化物理模型，得出结论：行星绕太阳的运动可以看作是匀速圆周运动。

2.科学探究与交流

（1）提出问题，学生猜想。解决了描述行星运动的问题，还要解决为什么的问题。仰天叩问：是什么力量支配着行星绕着太阳做如此和谐而有规律的运动呢？

启发学生用牛顿第一运动定律解释开普勒行星运动定律。分组讨论，猜想行星做椭圆运动的原因，行星的椭圆运动是什么力产生的？大小跟太阳与行星间的距离有什么关系吗？

探究伽利略、开普勒、笛卡尔、胡克、哈雷等科学家的观点，建构引力物理思想，培养运动观及相互作用观。

第一大组进行科学探究，根据观测有效提出问题，收集并处理证据得出科学探究结论，对结论的科学性进行质疑，根据证据进行科学解释。学生在科学探究过程中不断记录、计算、讨论、合作等，提升了自身的科学探究能力。

（2）收集证据。根据牛顿第一定律我们知道，改变速度都需要力，使行星沿圆或椭圆运动，需要指向圆心或焦点的力，即太阳对它的引力。由牛顿第二定律可知，找到加速度与轨道半径的关系就能推导出引力与距离之间的关系。根据表1所示，太阳系的行星运动的一些数据，分析数据，寻找加速度与距离之间的关系。

根据加速度和距离的数据，猜测它们之间存在怎样的关系，思考如何验证我们的猜测，引导学生设计探究方案。

（3）合理解释。如果加速度与距离成反比，我们做出a-1/r图像，应是一条直线。通过EXCEL软件输入数据产生图像如图3所示。继续猜测，它们之间存在怎样的关系呢？如果加速度与距离平方成反比，a-1/r2图像应该是一条直线。

（4）交流合作。通过猜测、图像验证、再假设再验证等一系列科学探究过程，得出小组探究结论：行星的加速度a与行星到太阳的距离r的二次方成反比。

3.科学思维与创新

第二大组进行科学思维探究。通过分组探究，学生的模型建构、科学推理、科学论证和质疑创新等科学思维能力得到了提升。

（1）模型建构。太阳与行星间的引力F跟行星到太阳的距离有关，然而它们之间有什么定量关系呢？将行星的运动简化为匀速圆周运动。太阳对行星的引力等于行星做匀速圆周运动的向心力。如果设行星的质量为m，速度为v，运行周期为T，行星到太阳的距离为r，则行星绕太阳做匀速圆周运动的向心力可以怎样表示？

（2）科学推理。已知行星的运动情况，求它的受力情况，向心力的表达式有哪几个？学生讨论交流自主推导由①，②，可得太阳对行星的引力。引力与哪些因素有关？小组讨论形成：不同行星中的为常量，、不同，与成正比，与的平方成反比：。培养学生的抽象思维及推理能力。

行星对太陽的引力。同理，可设太阳的质量为，再进行类比的推导。小组讨论交流得出结论：。

（3）科学论证。两种力是同性质的相互作用力，遵循同一规律，可以把它们用同一公式表达出来。引力与行星和太阳的质量成正比，与两者距离的平方成反比，所以可写成公式： 。

（4）质疑创新。通过类比推理、演绎推理得到的结论，推广到一般意义上的规律，在科学上是十分严谨的事情，需要经过实践的检验。科学家们在引力表达式中使用了G 这个比例系数，G是多大？太阳与行星间的引力规律是否适用于行星与它们的卫星？保持学生好奇心，激发新的探究。

4.科学态度与责任

领略自然界的奇妙与和谐，蕴含其中的规律之简洁，发展学生对科学的好奇心与探究欲，使其乐于探究自然界的奥秘，体验探索自然规律的艰辛与喜悦。培养学生勇于探究的科学精神，认真严谨的科学态度和创新精神，培养学生关注环境，具有社会责任感。

〖教学环节三：互动互评〗

小组之间对科学探究的问题、方法、过程、结果进行点评、补充，使探究方向正确，探究结果更完善，形成新的结论：引力与行星和太阳的质量成正比，与两者距离的平方成反比，所以可写成以下比例式：。

学生之间对科学思维与创新的推理、论证和解释进行交流、评论和完善，使思维严谨，推理合理，使行星对太阳的引力与太阳对行星的引力的对称性、平等性的类比思想得到学生的接受。

对科学态度、拓展应用等进行评论与展示，必要时教师可给予精讲答疑。

〖教学环节四：精讲答疑〗

对学生探究过程中存在的问题或解决不了的问题进行精讲答疑。

根据牛顿第二定律，即太阳对不同行星的引力与行星的质量成正比，与行星和太阳间距离的二次方成反比 ，行星对太阳的引力，太阳与行星之间的引力与行星和太阳的质量成正比，与两者距离的平方成反比，所以可写成以下比例式：。经后续学习牛顿的月地检验、卡文迪许测定引力常量，使论证严谨，在此可产生新的质疑。

〖教学环节五：学成展示〗

将各小组科学探究成果和科学思维探究成果展示出来，进行分析点评，并把本节课的学习成果展示出来。把探究成果拓展应用到具体问题中，在课堂展示出来让学生评论。

拓展应用：已知火星绕太阳运动的周期为T，火星到太阳的距离为r，引力常量为G。

求：（1）太阳的质量M;

（2）若M已知，找出开普勒第三定律中的k与中心天体质量M的关系式。

四、结语

物理观念分为物质观、运动与相互作用观以及能量观念。落实物理观念教学要注意把握概念和规律的主体，要注意在概念、规律的基础上适时加以总结、提升，使得学生对概念和规律有深刻的理解，同时形成统领这些概念和规律的大概念——物理观念。

物理教育中概念和规律的建立是基础，科学思维的培养是核心。科学思维分为模型建构、科学推理、科学论证和质疑创新这四个要素。科学探究分为问题、证据、解释和交流与合作。科学态度与责任分为科学本质、科学态度、科学伦理及STSE等。基于核心素养构建高中物理探究式“五阶循环教学模式 ”，使之适用不同物理课型，从而提升课堂效率。

【参考文献】

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

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