核心素养视域下物理习题专题的教学转变*——以共点力的动态平衡习题教学片段为例

□董光顺 李志坚

（1.云南师范大学附属中学呈贡校区，云南昆明 655000；2.昆明市教育科学研究院，云南昆明 655000）

学科核心素养的提出广泛地推动了围绕学科核心素养的教学研究和实践.以物理学科为例，在以培育学生核心素养为目标的课堂（新课教学）实践中，教学设计的思路和教师的教学行为都发生了可感知的变化.然而，相比于新课教学，习题教学改革却缺乏有力的理论支撑.

一、习题教学的变革思路

从教学的价值视角看，物理核心素养作为物理学科教学的价值归宿，我们需要在习题教学中正确理解习题的学习内涵，还原习题课的教学价值，探寻学科核心素养在习题教学活动中的合理表达，才有可能探得习题教学改革的有效路径.

二、核心素养视域下习题教学的价值重塑

物理学科核心素养高度概括了学生经历物理学习后应该习得的必备品格和关键能力，它不仅适用于新课教学，同样应该植根于习题教学中.

物理习题是编制者将自然界和社会生活中客观存在的物理现象和事物通过建模、赋值处理后形成的一种教学素材.问题情境是核心素养发展的最佳场域，学生在完整的问题解决过程中，至少需要依次经历：还原题境、关联知识、信息加工、科学推理、演算表达等重要过程.若参照核心素养的话语体系，我们可以将上述过程概括为：以物理观念为基础，在科学思维参与下，以获得有效策略为目的的科学探究活动.

三、探寻核心素养在习题教学中的合理表达

关于核心素养的培育，彭前程从教学设计层面明确指出：突出核心素养的教学设计应该是“思维型教学”.思维型教学的大致流程是：创设情景—提出问题—自主探究—总结反思—应用迁移[1].

为了探寻核心素养在习题教学中的培育路径，笔者在观摩全区骨干教师优质课展示时，细致地梳理了以“共点力动态平衡”为主题开展的多节异构课.我们发现不同的授课教师在开展解题方法的教学时，几乎都采用“知识回顾—例题讲析—方法提炼—变式迁移”的传统习题教学流程，教师习惯以例题为载体，偏重以讲授的方式将解题经验和技巧向学生直接传授.我们很难在这种一线教师普遍采用的习题教学程序中感知到核心素养的抚育痕迹.笔者以相同的课题为例，做如下探索.

（一）尝试将物理观念向物理应用观念转化

学生在新课教学中习得的相互作用观念，是由核心概念和规律通过提炼和升华而形成的知识网络.我们认为，在解决问题时，学生不仅要能准确调用物理观念中的核心知识，还需要具备对问题情境的分析和建模能力，掌握解决问题时的程序性知识，学生才能够生成解决问题的恰当策略.我们将这种可以直接应用于解决问题的较为综合的认知网络称为“应用物理观念”.例如，学生在处理三力静态平衡问题时熟练掌握的“已整合好”的能力，就是解决多力平衡问题、动态平衡问题时需要具备的应用观念.这里“已整合好”的认知能力主要包括：问题情境分析（或建模）能力、相互作用观念中的相关内容、处理力学问题的程序性知识和基础思维.

教学片段1：形成“三力动态平衡”相关的物理应用观念

第一步：重视原始问题情境，构建理想模型

创设情景：如图1 所示，用网兜将篮球悬挂在竖直墙壁上，则球对墙壁的作用力是多少？

活动：学生通过模型构建，将原始问题转化成如图2所示的物理模型.

第二步：引导学生进行科学探究

图1

图2

活动1：学生利用天平、量角器测量篮球质量和绳墙夹角，采集数据.

活 动2：分 析问题情境的“基本”特征，被悬挂起的篮球保持静止，篮球处于受力平衡状态.

第三步：调用相互作用观念中的最关联知识

（1）核心规律：物体受力平衡时合外力为零，在三力平衡状态下，任意两个力的合力与第三个力平衡.

（2）核心知识：力的矢量合成法则.

（3）相关知识：三角函数.

第四步：对科学探究过程进行论证

如图3 所示，在绳端栓连力传感器测出绳子受力大小，与计算结果进行验证.

第五步：帮助学生形成应用观念

学生经历上述学习体验后，有助于识别和分析该问题的“基本”情景特征，掌握处理该类问题的核心程序，建立科学的问题模型，精准调用物理观念中相关的核心知识，从而形成解决动态平衡问题的“应用观念”，应用物理观念所包含的基本要素如图4所示.

图3

图4

教学评析：物理观念在人脑中的储存，主要是依赖核心概念和规律在生成过程中所经历的探究情境，而物理应用观念的储存则是以问题情境的特征作为主要的联结方式.物理应用观念促进物理观念向应用方向构建和发展，更加清晰地统摄和整合了物理观念与社会生活之间的联系，其基本关系如图5所示.

图5

学生只有形成清晰的物理应用观念，在解决具体问题时，才能够通过问题情景的特征引起足够的思考动力，并形成明确的思考定向.

不难发现，在习题教学中，我们以实际问题作为载体，让学生经历物理观念向物理应用观念转变的学习过程时，同样从核心素养层面强化了“科学探究”和“科学思维”（模型构建、科学论证）.

（二）创设科学探究体验，生成解决问题的核心方法

学生经历解决物理问题的过程就是科学探究的过程，习题教学中核心方法的生成与新课学习中核心规律的探究十分相似.我们需要在核心方法的探究中重视科学思维的融入，凸显分析综合、推理论证和辨析创造的思维活动痕迹.

教学片段2：生成动态平衡问题中的核心方法：“动态三角形法”

第一步：教师呈现进阶问题——动态平衡问题

问题：如图1 所示，若我们将悬挂篮球的细绳缓慢缩短，则墙壁对篮球的弹力如何变化？

第二步：学生调用已初步形成的物理应用观念尝试解决问题

活动1：学生进行问题情景分析，然后通过信息加工（识别问题的“基本”信息点：即篮球“受三力作用平衡”），便能快速调用已内化的物理应用观念，获得如图6所示的篮球的受力关系N=mg·tanθ.

活动2：通过绳墙夹角的变化，分析弹力大小变化.（备注：人教版高一数学还没有开始三角函数的教学）

第三步：引导学生转换分析问题的视角，形成解决问题的创新策略

提出问题：我们能否结合力的矢量性对作用力的大小变化进行定性分析.

意图：鼓励学生自主从定性角度对解决问题的新方法进行科学探究并形成结论，从而解决实际问题.

活动1：引导学生选取不同的几个位置做出小球的受力分析（如图7所示），通过比较弹力作用线的长短，分析弹力的大小变化.

图6

图7

问题：能否更直观地观测弹力大小的连续变化情况.

综合创造：学生通过思考讨论，将A、B、C三个位置的矢量三角形平移在一起，创造性地生成解决该问题的策略“动态三角形法”，如图8所示.

图8

动态三角形法基于作用力的矢量特征，让学生从定量计算转变为定性分析，从认知方式层面改变了学生解决力学问题的思路，也为学生继续探究解决动态平衡问题的其他几种方法奠定了基础.

教学评析：不少学生对于学科方法（如此处的动态三角形法）的认识是错位且模糊的，他们容易错误地将学科知识等同于学科方法，或将学科知识与科学方法混淆，进而妨碍对科学方法的理解和应用.事实上，在习题教学中，物理方法必须独立于物理观念和物理应用观念呈现在学生面前，重视科学方法的探究和建构，有助于学生掌握科学方法的内容和功能，促使他们关注到科学方法对策略生成过程中所采用的思路、程序、规则、技巧和模式所产生的影响，从而在头脑中形成关于科学方法的清晰轮廓.

（三）保留足够的自主学习空间，触发学生深度学习

无论在何种类型的课堂教学中，倘若要引起学生的深层学习，那么，必不可少的前提就是为学生提供合理的可发展的独立思考空间，并设法唤起学生发生以高阶思维为主的高投入性学习.因此，克制解题方法“紧迫传递”的不良教学习惯，在习题教学中刻意“留白”，创设类似于新课教学中学生能够独立探究和讨论空间是习题教学变革的另一关键.

教学建议：在常规的习题课堂中，一线教师多以典型例题的方式，迫切地为学生展示解决各类动态平衡问题的技巧.我们认为，在高中物理习题教学中，思维含量高、具有教学价值的经典学科方法十分有限，应该充分重视，认真开发.教师在授课过程中应该以“动态三角形法”的探究为基础，为学生提供相应的教学素材（如表1中的题目情景），让学生在课后以小组合作的形式，探究相应问题的解决策略雏形，并提交探究报告进行展示交流.

表1 动态平衡的几类典型问题

认知基础：1.学生经历“教学片段1”所示的学习后，已初步形成了三力动态平衡问题的应用观念；2.学生经历“教学片段2”所示的学习后，基本形成了解决问题的基本思路：“力的大小→矢量→力作用线长短→引入合适的方法→构建多组力三角形→分析受力变化”.

学习活动：学生在利用习得的方法解决新问题时不断出现的认知冲突中，发生以分析、综合、评价和创造为核心思维的学习活动.

教学评析：转变后的习题专题教学，在此环节中缩小学科知识的占位，聚焦学科方法的生成，强调学生的自主探究.教师的主要任务是为学生提供恰当的学习素材，设置合理的认知障碍，并设计清晰的自主探究路线，为学生发生深度学习创造可能.我们希望利用教学上的这种改变，帮助学生将解决问题的“学科方法”从解决问题的“学科知识”中成功剥离，将学习方式从“记识”向“探究”转变，促使学生在解决同领域的新问题时，在意识、方式和能力上，都能从“试误”（套用）转向“分析”.

郭华指出，在相当长的时期里，“教学即传递”是人们对教学活动的定位，这种教学导向主要引发的是以死记硬背为手段的表层学习，很大程度上片面化了教师、学生的角色与地位，也弱化了知识本应有的意义与作用[2].虽然，“探究学习”不能等同于深度学习，但探索和经历知识的形成过程，是学生发生深度学习的必要机制.

我们认为，核心素养视域下的习题教学高度符合了深度学习的基本特征，指向学生核心素养培育的课堂教学有利于唤醒学生开展深度学习.