指向学科核心素养培养的物理核心概念构建策略实践研究

杨志东 杨庆华

摘 要：对物理核心概念的深入理解是学生形成物理观念的重要组成部分，对核心概念的科学构建过程是学生深入理解概念并熟练应用其解决问题的重要认知完善渠道，是概念教学过程中落实核心素养课程目标的关键.通过对核心概念构建策略关键要素的分析，提出核心概念构建的必要环节的设定，并以“磁感应强度”教学为例，围绕这一核心概念构建过程中的重要环节采用的策略、指向的核心素养和评价进行教学实践和反思.

关键词：核心素养;物理概念构建;策略

中图分类号：G633.7     文献标识码：B     文章编号：1008-4134（2021）15-0011-05

基金项目：北京市朝阳区“十三五”规划课题“基于高中物理学科核心素养发展的贯通式单元教学设计实践研究”（项目编号：1352YB132）.

作者简介：杨志东（1972-），男，辽宁人，本科，中学高级教师，研究方向：教师培训、教学设计与实践、学生阅读能力培养;

杨庆华（1987-），女，山西人，硕士，中学一级教师，研究方向：中学物理学科教学.

物理概念是一类物理现象的共同特征和本质属性在人脑中概括和抽象的反映，是物理知识的重要组成部分，物理核心概念更在教学中统领整个单元教学的知识脉络.故物理核心概念的科学构建是对概念的理解由浅入深、由系统反思到迁移应用的关键，是从碎片知识到概念体系、从方法到思维提升过程中不可或缺的一步，更是物理观念逐步形成的重要渠道.

在当前的概念教学实践中，一些教师受思维定势的影响，依旧按照传统的物理概念教学模式进行教学，采用的教学方法单一、机械，更有甚者会让学生死记硬背相关概念的定义式及物理意义，忽视了概念构建过程中应体现的“为什么—是什么—还有什么”这些由浅入深、由一般到概括、由具体到抽象的学生认知提升过程，更忽视了过程中指向学科核心素养培养的层级进阶性.这就导致学生对概念的理解片面化、浅显化、碎片化，长期以往，学生无法形成结构化的知识体系，物理观念的形成也会不顺畅.

故注重物理核心概念构建过程中关键环节的设立，并依据环节采用科学策略是在概念构建过程中落实核心素养的关键要素.

1 核心概念构建过程性策略关键要素分析

《普通高中物理课程标准（2017年版）》的基本理念中明确提出，引导学生自主学习，提倡教学方式多样化.高中物理课堂通过创设学生积极参与、乐于探究，善于实验、勤于思考的学习情境，培养和发展学生的自主学习能力.通过多样化的教学方式，利用现代信息技术，引导学生理解物理学本质，整体认识自然界，形成科学思维，增强科学探究能力和解决实际问题的能力，即物理学科核心素养的培养目标要与物理教学顺利对接.物理核心概念教学方式也应该达到课程标准基本理念和核心素养的要求，所以物理核心概念构建的教学策略应具备以下的特征.

1.1 激发学生学习热情的学习情境创设

生产生活中有很多现象需要用物理核心概念来解释，且可以生成有研究价值的科学探究问题的情境，可以与学习的物理核心概念有关的生活现象或社会发展的前沿科技为切入点，引导学生思考学习物理核心概念带来的社会影响和价值导向.

在物理核心概念课的教学中，教师应充分挖掘相关素材，创设适切的学习情境，通过利于学生参与和思考的演示实验或研究任务，激起学生学习热情，并引导学生学会探究现象背后蕴含的物理知识，初步获取感性认识.

1.2 提高学生参与度的教学活动开发

教学活动应基于学情，注重增加实际现象与核心知识的联系;活动的设定应以提高学生的学习兴趣、探究的欲望为目的，注重落实核心素养课程目标.学生根据兴趣积极地参与到学习活动中，不仅收获知识，还能体验问题解决过程中的艰辛与乐趣，更深层次的是能对于物理核心概念的理解上升一个台阶，实现合理进阶.

学生活动的实施可以以小组为单位，不同认知水平的学生对于物理概念的理解基础不同，自主学习小组的协作性能让学生意识到自身的思维定势.在小组学习讨论过程中，从知识层面看，能收集同伴们不同的视角，能打破自我思维的固化，开阔思维和见识，提高了对于物理概念的理解效率;从素养层面出发，能意识到对任何问题的全面剖析和解决，不是一个人能简单完成的，能充分感悟合作的影响力，加强团队合作意识.

1.3 对概念的认识从感性到理性突破的科学方法和思想的探索

高中物理的核心概念大多需要从定性认知上升到定量层次，需要有具体的定义方式和数学表达式.而这些概念的定义都会遵循重视科学抽象，抓本质摒弃非本质的原则，让学生实现由感性到理性的认知上升，所以从定性感知到定量探究是让学生形成物理核心概念进阶的关键.

通过有效活动的实施，学生对于物理核心概念获得了必要的感性认识，然而这只是概念学习的初步阶段，还需要沿寻物理概念从简单到复杂的进阶路径，感悟此过程中科学思维有哪些，能运用到的科学方法有哪些，这些都是教师反思的关键.

1.4 对原有熟悉的物理概念或事实经验的加工和迁移

在对物理概念的定义中，很多新概念的学习是借助原有概念的认知基础.例如，高中阶段的“势能”概念，是在力做功的特点的基础上加以定义，并按照科学方法具体展开探究的.

同时，对于类似的势能、电场、磁场、电动势这些较抽象的物理核心概念的深入理解，还可以借助数学工具和典型思想進行探究.例如，重力势能具体表达式的推导可以借助能量守恒的思想.对于弹性势能、电势能、分子势能的学习可以借助类比的思想，由重力势能的学习基础加上科学方法实现迁移.

2 核心概念构建过程中必要环节的设定

主要以自主学习小组的形式开展物理核心概念的教学，在教学目标的驱动下，教师在每个环节都会对学生及时引导和把控，关注各个层级学生的参与度和教学目标的完成情况（如图1）.

3 案例分析

物理课堂教学中，促进学生合作学习，通过关键环节的协作学习，学生不仅能逐步加深对概念和规律的认知，还可以领悟协作学习的意义.

关键环节科学方法的应用不仅能使学生对概念加深理解，也是提升学生思维和能力的必要环节，利用好实验课对学生操作技能的训练、观察能力的培养、思维的提升和解决问题能力的培养有着重要的意义，而这些能力正是物理学科核心素养的核心.

下面以“磁感应强度”新授课为例，介绍指向学科核心素养培养的物理核心概念构建的实践.

3.1 环节一：学生亲自参与实验，增强感性认识

师：请同学们用你手边的器材做两个小实验：（1）用手拿着小钢球在磁铁的近处、远处，感受磁铁对小钢球作用力的大小;（2）将两个条形磁铁吸在一起，徒手拉开;将两块强磁铁吸在一起，徒手拉开.对此你有什么感受？

生：小钢球在磁铁的近处比远处受力大;将两个条形磁铁吸在一起，很容易徒手拉开，将两块强磁铁吸在一起，却很难徒手拉开.

师：从同学的感受我们可以看出不同磁体的磁场强弱并不相同，同一磁铁不同位置的磁场强弱也不同，上节课我们通过磁感线定性描述了磁场的强弱，本节课我们一起来研究如何定量描述磁场的强弱？

设计意图：通过直观感受让学生定性感知磁场有强弱，并生成有价值的问题：如何描述磁场的强弱？

3.2 环节二：基于已有认知类比分析，深化对物理概念的认识

师：同学们，在学习磁场之前，我们还学习过哪种场呢？

生：电场.

师：在学习电场的时候，我们如何来描述电场的强弱？引导学生回顾电场强度的建立过程，教学思路流程如图2所示.

师：我们研究检验电荷在电场中的受力情况，从而确定了一个叫作电场强度的物理量来描述电场的强弱.那么我们能否借鉴学习电场的思路，研究磁场的强弱？

学生可能想到在磁场中放入小磁针，通过研究小磁针的受力情况来研究磁场的强弱.老师可以指出：小磁针静止时，两个磁极所受合力为0，小磁针不会单独存在一个磁极，因此无法从小磁针受力的角度研究磁场的强弱.老师可以追问磁场还对哪些物体有力的作用？学生根据已有知识会想到磁场对通电导线的作用力.

设计意图：结合学生原有的认知水平，引导学生明晰研究描述磁场强弱的思路方向.

3.3 环节三：实验探究、科学方法和思想的应用，领悟物理概念的内涵

师：那么，我们接下来先通过实验探究一下磁场对通电导线的作用力与哪些因素有关.请各小组设计实验方案，明确实验方法，设计数据记录表格.

实验探究：影响磁场对通电导线的作用力大小的因素.

猜想：通电导线在磁场中受到的力F的大小与导线长度L、通过导线的电流I、磁场的强弱以及导线与磁场方向的夹角θ有关.

实验方法：当有多个因素决定一个问题时，为研究各因素与这个问题的关系，我们采用控制变量的研究方法.

实验装置：如图3，线框与传感器相连，固定在铁架台上，线框的重力可以通过传感器调零抵消，因此传感器的读数就是通电导线在磁场中所受磁场力的大小.装置一，磁体固定在可转动的圆盘上，通过转动圆盘可以改变导线与磁场方向的夹角;装置二，导线与磁场方向垂直放置，调节滑动变阻器可改变电流，电流大小通过电流传感器测量，移动U型磁铁，改变处在磁场中导线的长度.

将实验拆分成4个研究项目，分配给4个小组，完成实验并记录在设计的表格中.

第1组实验：控制电流大小、导线长度不变，磁场强弱不变，改变导线与磁场方向的夹角，探究力与导线、磁场方向夹角的关系，闭合开关，采集数据，数据见表2.

第2组实验：控制磁场强弱和导线长度不变，探究力与电流的关系，将滑动变阻器的阻值调到最大，闭合开关，不断调节滑动变阻器的阻值来改变电流的大小，采集数据，并记录数据（见表3）.

第3组实验：控制磁场强弱和电流大小不变，探究力与导线长度的关系，调节滑动变阻器保证导线中电流大小不变，移动U型磁铁，改变处在磁场中导线的长度，采集数据，并记录数据（见表4）.

第4组实验：控制导线中电流大小和长度不变，在磁场的不同位置重复实验，实验数据见表5.其中，F1（N）为导线在磁场中位置1所受磁场力的大小，F2（N）为导线在磁场中位置2所受磁场力的大小.

将各小组实验数据呈现，引导学生小组讨论分析数据.

分析表2实验数据我们发现，当导线与磁场方向平行时，导线受到的磁场力为0;当线圈的摆角为90°时，线圈受到的磁场力最大.

让学生分别观察表3和表4，思考可以得到什么结论？在学生思考的基础上，用Excel对表3和表4中的数据进行拟合（如图4、图5），可以得到结论：B、L一定，F∝I;B、I一定，F∝L.

结论：定量实验表明，当通电导线和磁场垂直时，所受力的大小与导线的长度L成正比，又与导线中的电流I成正比，即F∝I×L.

师：我们研究影响磁场对通电导线作用力大小的因素，目的是为了研究磁场强弱，同学们仔细观察表6中的数据，F/（ I×L）这个比值有什么物理意义？类比电场强度，能否用它们的比值描述磁场强弱？

我们发现在实驗误差范围内，F/（ I×L）是一个定值，这个值是否就是我们寻找的可以描述磁场强弱的物理量？我们来进一步处理分析一下表5的数据，处理结果见表7.

通过分析数据，我们发现在磁场的确定位置，F/（I×L）为一个确定的比值，不同位置该比值不同，该比值仍具有客观性，仍能描述磁场的强弱.

设计意图：以自主学习小组为单位，引导学生从定性感知到定量探究，培养学生科学思维和合作意识.

3.4 环节四：概念构建和拓展，挖掘概念本质特征

综上所述，在磁场的同一位置，不同通电导线受力不同;在磁场的不同位置，同一通电导线受力也不同，但F/（ I×L）为常数，F/（ I×L）这个比值只与磁场本身有关，能描述磁场本身的强弱，与通电导线无关.比值F/（ I×L）称为磁感应强度，用“B”表示.进一步介绍比值定义法含义，引导学生回顾以前学过的加速度、功率、电容等概念建立的思路，从而让学生认识比值定义法建立概念的重要性.

师：上述结论是在匀强磁场中得到的，在一般的（非匀强）磁场中，还能用F/（ I×L）描述它的性质吗？为什么？

启发学生运用“无限分割、以匀代变”的极限思想进行分析推理，也可以描述磁场的强弱.建立检验电流元理想模型：很短一段通电导线中的电流I与导线长度L的乘积I×L.尺寸充分小，被检验的磁场不会因电流元的出现而有明显的变化.

师：磁感应强度概念是电磁学知识网络中一个重要的节点，对于相关知识的学习有着不可或缺的作用.其研究的思想方法与电场一脉相承，一些重要的物理学思想方法，例如物理量的“比值定义”、多因素的“变量控制”、以匀代变的“极限思想”等，在本节课中都有再次涉及.因此，让我们再次回顾磁感应强度概念建立的过程思路，以及所用到的思想方法，体会电场强度与磁感应强度类比迁移的巧妙，深刻理解比值定义法建立概念的方法和内涵.对比分析如图7所示.

设计意图：构建磁感应强度的概念，并进行思维拓展，由特殊到一般，建立电流元理想模型;并通过类比电场强度概念的建立，幫助学生对“场”这类特殊物质建立系统的认识，形成场的物质观、相互作用观，落实发展学生的物理核心素养.

4 结束语

物理概念的科学构建是中学生物理核心素养培养的有效措施之一，教师不仅要帮助学生获得物理概念的具体知识，同时更要注重培养学生对物理概念和规律形成由浅入深的理解.

本节课将教材中“磁场对通电导线的作用力——安培力”“磁感应强度”两节内容做了适当删减和合并，意在完整呈现磁感应强度这一概念构建的来龙去脉，深刻理解其内涵.整节课瞄准学科核心素养，通过设计关键环节，采用科学策略，逐级完成概念的构建.在该过程中，学生从感性认知出发，通过类比迁移旧知，合作定量探究，科学数据处理分析，思维进阶拓展，最终构建出磁感应强度的概念;完成了 “知识”和“素养”双重教学目标的落实.

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（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[2]徐卫兵.注重“物理观念建构”教学培养学生物理学科素养[J].物理教师，2017，38（07）：5-8.

（收稿日期：2021-03-11）