基于原始物理问题培养学科核心素养的教学模式探究——以高中物理光学为例

内蒙古 张永刚 宁夏 朱巧萍

1 问题的提出

英国哲学家、批判理性主义的创始人卡尔·波普尔(Karl Popper)曾经说过“科学和知识的增长永远始于问题，终于问题”。物理学科的本质特征就是基于现象发现问题、设计实验解决问题。原始物理问题源自“原汁原味”的自然现象和实际生活，具有真实性、多面性、复杂性等显著特征，对全面培养和发展学生物理学科核心素养至关重要。物理教学过程是基于物理学科特征和学生认知发展规律的教育实践活动，必然会突出地强调原始物理问题的教育价值。本文中的原始物理问题采用“基于对自然界及社会生活中客观存在的、未被加工的物理现象的观察，而产生的对现象背后自然本因的疑问，具有思辨性特点，其回答可解释物理现象、揭示事物的内在规律”。

在科技快速发展的今天，高中物理教学远离实际、脱离生活的现象还普遍存在。基于此，原始物理问题的教育价值愈显重要。近年来，有关原始物理问题的教育价值受到普遍性的关注，相关方面的教学研究也是硕果累累、精彩纷呈。如原始物理问题对于契合学生的直接经验和间接经验、培养学生的创造性思维、推动高考物理改革、促进科学方法教育等方面的价值；引入原始物理问题对提高学生思维品质的深刻性、灵活性、批判性、敏捷性、独创性等方面的价值。这些研究对继续挖掘原始物理问题的教育价值都具有重要作用。

如何把原始物理问题带入课堂，在纵向上融入学生已有物理知识经验，使之能够激发学生探究其中科学知识的积极性；在横向上使原始物理问题与中国传统文化有机融合，引导学生感悟传统文化魅力，树立文化自信，助力物理课程育人价值的顺利实现。两个方向上的教学模式在本质上都是围绕原始物理问题培养和发展学生物理学科核心素养的教学实践探究。因此，本研究的主旨就是以高中物理光学为例，探究原始物理问题教育价值的双向融合模式。

2 纵向上原始物理问题与学生已有知识经验的融合模式

我国高中物理教学多以分析理想情境中的处于理想状态的问题为主，导致学生分析原始物理问题的能力处于“原始状态”。原始物理问题中伴随着多种自然现象，包含着丰富的科学知识，具有启发学生深度思考、引导学生知识迁移的重要作用，这也正是探究原始物理问题与学生已有知识经验纵向融合教学模式所蕴涵的教育价值的根本所在。

2.1 基于学生已有知识经验，分解原始物理问题中的现象，循环进阶的教学模式

原始物理问题中包含着令学生十分好奇又非常疑惑的物理现象，当学生运用已有知识经验不能解释这些物理现象时，学生就会急切地想知道现象背后的物理规律，这是非常宝贵的物理学习动机。利用一个包含着多种自然现象且相对复杂的原始物理问题进行教学时，应该基于学生已有知识经验确定教学目标。先提取和分析原始物理问题中的某一个现象并进行讲授，把前一个物理现象的研究结果作为学习下一个物理现象的“生长点”，以此类推，采用逐一分析、各个突破、循环进阶教学的方法来讲授原始物理问题中的现象。这样才能在满足学生好奇心、答疑解惑的基础上，把原始物理问题情境融入学生已有知识经验的体系之中，实现运用知识、发展能力、提升素养的教学目的。具体的融合模式可以参考如下流程。

2.1.1 以“旧境”探新知，突出实质联系，侧重知识的融合导向

事物之间的联系是千变万化、错综复杂的，原始物理问题中的现象也具有多样性和交织性的特点，利用原始物理问题进行教学的根本困难，就在于教师和学生都难以驾驭原始物理问题情境中一系列物理现象背后的本质性联系。因此，在纵向融合的教学模式中，应该侧重于知识的实质性联系，定向设置疑问，忽略次要因素，突出主要因素，在物理学科视角范围内寻找和发现原始物理问题中物理现象背后的物理规律。

本着以“旧境”探新知，导向新旧知识相互融合的原则。利用已知情境回顾已有物理知识，借助分析原始物理问题中的某一自然现象，进行情境类比、本质比较，再在原始物理问题的情境中建构和运用某一物理知识解决新的问题，促进物理知识在新旧情境中的顺向迁移，导向知识融合。

2.1.2 运用物理思维方法，再探原始物理问题，实现循环进阶学习

由图1的教学模式流程可知，对原始物理问题中的物理现象可以采用逐一分析、各个突破、循环进阶的讲授方法，来促进学生深刻理解源自于实际生活的物理知识的现实意义，加深原始物理问题对学生深度学习的认知影响。经过对原始物理问题中一个问题的分析和求解之后，学生不仅获得了好奇心、疑惑感方面的满足，更重要的是学会了运用物理思维分析原始物理问题的方法。这才是实现探究原始物理问题，循环进阶学习的关键所在。

图1 分解原始物理问题促进循环进阶学习的教学模式流程图

2.2 聚焦物理学科视角，预设问题表，将原始物理问题融入学生知识体系的小组合作学习模式

在《普通高中物理课程标准(2017年版2020年修订)》中，物理学科核心素养的“物理观念”、“科学思维”两个维度都明确强调从物理学视角出发。要结合学生基础知识，全方位地将原始物理问题融入学生知识体系也必须从物理学科视角出发。因此，教师要在预设问题环节中发挥主导作用，在将原始物理问题融入学生已有知识经验的过程中，确保研究的物理问题不超出物理学科视角范围。

2.2.1 结合教学目标，呈现原始物理问题情境，教师预设问题

根据高中物理光学部分中反射、折射、干涉、衍射等现象的教学目标要求，呈现原始物理问题的影像资料。以飞机的尾气留痕为例，如图2、图3、图4所示。

图2

图3

图4

飞机的尾气留痕也叫“云带”“飞机云”“尾迹云”等等，是学生生活中常见的原始物理现象。以此为原始物理问题展开教学，教师提前预设可能涉及的物理问题，如下表所示。

基于飞机尾气留痕现象预设的问题表

上述飞机尾气留痕的影像资料中包含着几十种与高中物理光学、热学、动力学等知识相关的实际问题。教师要围绕光学教学目标中的反射、折射、全反射、干涉、衍射等现象，将这些问题分类分组，以问题表的形式呈现给各个学习小组，供其学习讨论。根据学情适当地提供光学知识的原理。

2.2.2 小组自选问题表，结合已有知识经验合作探讨问题

以小组长为代表，抽选上述问题表进行合作研究，学习和讨论的重点是挖掘问题背后的物理知识，如何解释和说明原始物理问题。此项学习任务需要留给学生充足的时间，这是真正发挥原始物理问题教育价值的根本保证。一般情况下，要给予学生两周左右的调查时间，让学生带着原始问题融入自然、探索自然。最后，小组成员经过交流讨论形成答案，由组长汇报所讨论问题的答案。

2.2.3 师生共同对小组的答案进行交流讨论，实施多元化评价

教师和学生一起充当“评委”，师生可随时提出问题；汇报组的成员亦可帮助组长补充问题的答案；充分发挥讨论学习中“答辩”模式的教育功能。

2.2.4 丰富和完善教师预设的问题，保存课题研究成果

经过上述环节的交流讨论之后，学生会发现和提出基于原始物理问题情境的其他物理问题，这些问题自然而然地就扩充了教师提前预设的问题，丰富和完善了原始物理问题应该折射出来的其他问题。为便于学生继续深入地学习和研究，可将此次的课题研究成果存档，便于后期的复习使用。

3 横向上原始物理问题与传统文化的融合模式

光是普遍的自然现象，在中国古代的文献中也曾有着广泛的相关记载，特别是唐诗中关于光现象的描述更为常见，诗人笔下的“光景”引人入胜。将唐诗中的诗情画意与原始物理问题中的真实情境相互融合，可以有效地提高学生的民族文化自豪感和爱国主义情怀，促进学生物理学科核心素养的综合提升。

3.1 唐诗意境与物理情境相互融合的情境创设模式

将包含着原始物理情境的唐诗做为“原始物理问题”引入课堂教学，通过发现唐诗意境中的物理现象，分析其中可能存在的物理规律。将唐诗意境与物理学问题相融合创设学习情境，引导学生运用物理知识分析唐诗意境中的物理问题，必然有助于学生深度感受唐诗的意境之美和文化魅力。

3.1.1 教师根据原始物理问题情境确定唐诗篇目，提出相关的物理问题

中国古代诗人满怀探索宇宙的热情，以李白的《把酒问月》为例，诗人通过“今人不见古时月，今月曾经照古人”的赏月和问月方式，描述了时光流逝，岁月变迁。唐诗中蕴涵着大量的物理知识，主要表现在写景之美的惟妙惟肖和细致入微等方面。

有关光学现象的唐诗比比皆是、数不胜数。以描写光的反射和折射为例，具代表性的诗篇包括：白居易《忆江南》中的“日初江花红胜火，春来江水绿如蓝”；《慕江吟》中的“一道残阳铺水中，半江瑟瑟半江红”；王安石《江上》中的“江水漾西风，江花脱晚红”；杨万里《晓出净慈寺送林子方》中的“接天莲叶无穷碧，映日荷花别样红”等等。

结合“飞机尾气留痕的原始物理问题”情境，引导学生思考：为什么上述诗篇中只有在日初与日落时分才会出现“江花红胜火；半江瑟瑟半江红；映日荷花别样红；江花脱晚红”等绝妙美景？这是光的什么现象？

3.1.2 结合原始物理问题情境聚焦研究对象，从物理学视角感悟唐诗的意境之美

基于物理学科视角感悟唐诗意境，首先需要发现和分析唐诗中的自然现象，再通过聚焦一个或一类研究对象并对其运用高中物理课堂中学过的光学知识进行解释，最后研究唐诗中所包含的此类物理现象、分析原因、得出结论。其实质是借助唐诗意境运用物理知识、发展学生能力、促进学生物理学科核心素养提升的过程。

在文学界，《忆江南》中的“江花”一直存有争议，有观点认为，江花是某种植物的红色花朵；还有观点认为，江花是水花、浪花或江面。教师可以采用“图文并茂”的方式，引导学生体验从物理学视角辨析“江花”实质的审美过程。

以荷花为例，运用光的反射和折射现象解释，日出时分，阳光经过大气层(外疏内密的空气层)发生折射，红光的折射率最小，穿透能力最强，使得万物“披红光”。因红色花瓣带满朝露(清晨的露珠)，露珠里面的光线折射出露珠表面时伴有全反射现象的发生，使得荷花看上去更加亮丽。随着红日的缓缓升起，在反射、折射和全反射的作用下，远远望去，红色晨光中的荷花出现了火一样的“亮感”。于是，有“日出江花红胜火”的美景。

以江水为例也可以解释。日出时分，阳光穿过大气层并发生折射，照射在宽阔的江面上，经过江面的反射和水中光线折射出江面时的全反射现象(江面显得更加明亮)，使得江面发出红色的亮光。伴随着东方冉冉升起的红日，在江面镜面反射、水中光线全反射的共同作用下，江面上太阳的倒影随着粼粼波光像“火光”一样由近及远。也会出现“日出江花红胜火”的美景。

经过上述分析，学生认为两种观点均有其合理性，仅从物理学科知识中光的反射、折射现象出发，还不能辨析江花的实质。但是，学生初步感悟到了唐诗意境中的美轮美奂，被传统文化的魅力所震撼，增强了民族文化的自豪感。教师可以鼓励学生运用光路图，仿照上述过程对“荷花别样红；江花脱晚红”等意境进行分析和描述，进一步提高学生运用物理知识解释自然现象的能力。

3.2 基于现实、提升观念、发挥物理课程思政功能的教学模式

在以唐诗意境所涉及的物理情境为原始物理问题来引导学生学习和运用物理知识的过程中，唐诗中意境描述深深地吸引着学生对美丽景色的向往。在学生感叹诗人绝妙的文笔之余，也意识到了“昔日美景今不在”。教师借此引导学生分析现实生活中的各种环境问题，提升学生的环保观念，助力物理课程在保护环境、珍爱家园等方面育人价值的实现。

根据学生所熟悉的“江花红胜火、春水绿如蓝；半江瑟瑟半江红；荷花别样红；江花脱晚红”等唐诗意境中物理现象的光学原理。对比雾霾天气可能会出现“江花雾蒙蒙、江水灰蒙蒙”的景象，使学生牢固树立“绿水青山就是金山银山”的生态环保理念，培养学生的科学态度与责任，发挥物理课程在转变学生生态环保理念方面的教育功能，助力物理课程育人价值的完美实现。

4 结论

原始物理问题的教育教学价值影响重大、意义深远。有利于学生科学思维能力发展的方面表现在“科学教育的根本任务是发展学生的科学思维，为发展学生的思维而教更是物理教学的基本理念，物理问题是思维的诱因和起点，也是推动思维发展的动力”；其中原始物理问题对学生思维能力发展的推动作用更是不可估量。丰富学生已有知识经验的方面表现在学生已有知识经验具有原始性，本身就源自于部分原始物理问题，学生原有知识经验构成了建模的“基本原料”，如果学生缺乏这些“基本原料”，抽象思维就无法进行，物理建模也就无从谈起；可见物理学科的建模教学同样也离不开基于原始物理问题的学生已有知识经验的参与。当然，原始物理问题的教育教学价值还远远不止这两个方面的表现。

在实际教学中，物理教师不应该被某种教育理论或某种教学模式所局限，物理课堂应该基于原始物理问题，密切联系学生实际、加大学生参与、解放思想、大胆尝试。以学生对系列原始物理问题的思考和解决来培养和发展物理学科核心素养，这不仅可以提高学生的问题导向意识，而且有利于学生质疑能力、批判性思维能力和创新能力的进一步发展。将原始物理问题中的真实情境与传统文化有机融合是在物理教学过程中培养学生爱国主义情怀，树立民族文化自信的有效途径；更是实现物理课程育人价值不可或缺的方式和方法。