素养发展学习理念下物理创新实践性作业的实施策略——以“探究摩擦力”单元复习为例

刘信生

安徽省庐江县龙桥镇初级中学( 231551)

2021年7月24日,中共中央办公厅、国务院办公厅印发了《关于进一步减轻义务教育阶段学生作业负担和校外培训负担的意见》(以下简称“双减”政策)。文件要求“全面压减作业总量和时长,减轻学生过重作业负担”“提升课后服务水平,满足学生多样化需求”。这是一场以减轻义务教育阶段学生书面作业与校外培训负担的变革。文件给一线教师传递出一个明确的信号:减少低效率、重复式、机械式、只能培养模仿能力的纸笔式作业,鼓励教师布置分层、弹性和个性化作业。如何实现“减量不减质”,笔者认为在操作性作业训练中培养学生的物理核心素养和关键能力是当下教育面临的现实问题,由传统知识积累为主的作业向素养发展的实践操作模式作业的转变是实现物理教育教学“减量增效”的重要途径。

1 新要求:由追求分数至上转向发展核心素养

国家通过义务教育阶段的学生作业布置为突破口推行史上最严厉的“双减”政策,其背后折射出的是对教育观念的重大变革和对教育规律的重新审视,扭转那些推崇在“时间+汗水”中以“提分数”为主要学习目的的理念,破除急功近利的思想,抛弃片面追求分数至上,严重违背教育规律的教学乱象。“减负”就是以学生的德智体美劳的全面发展规律为总基调,以身心和谐发展规律为根本出发点,培养适应现代化社会发展需求的,既有渊博的知识,又具有缜密思维、充满智慧,能应对未来社会竞争和挑战的高素养型新时代人才。

素养是指“人面对复杂问题情境时做出明智而富有创造性的判断、决策和行动的能力”[1]。以培养学生核心素养为教学目标,实现在功利价值向发展价值的升级换代中构建素养发展学习模式,其特点就是由传统教学中基于知识积累、以学生获得结论为根本目的学习过程转变为基于思维发展的、以问题解决为目的学习过程[2]。一线物理教师要改变教学观念,从学科本位、知识本位中实现素养的发展学习、学科的融合迁移,将物理学科核心素养作为教学目标,在创新实践性活动作业的布置中渗透概括理解、实验探究、实践应用、求实创新等能力的培养。依据物理新课标改革要求,体现由功利价值向认知价值、发展价值的进阶,在学生发展核心素养体系中实现物理教学的基础性、实践性。

2 新路径:由重复刷题转向真实情境创设

一直以来,纸笔测试是传统教学形式下最直接、最有效的评价方式,其在考查学生知识层面的达成、学业水平的提升上起到积极作用。但是,随着社会发展对人才培养的要求不断提高,通过“刷题”训练,学生在大量重复性劳动中得到的只是模仿能力,而不是创造能力[3]。在当前“双减”政策下,我们必须清醒地认识到“双减”是有利于学生“高质量发展”的。“双减”减的是超数量与超难度的书面作业给学生身心健康带来的沉重负担,“减”的最终目的是“增”,达到“高质量的发展”即学生的身心健康、优质的学业水平、创新创造能力、强烈的社会责任感等。因此,笔者以为新形势下的作业布置应该以教材和生活中相关物理现象为落脚点,以创新实验与科技创新实践活动为突破口,充分利用身边和生活中的物品,在知识问题化、问题情境化、情境生活化的理念中设计和研究实践性课外作业案例,在教学实践中探索不同功能作业对学生的核心素养与关键能力的培养,提升学生的思维和学习活力,使学生热爱生活、关注社会,在立德树人的成长过程中达到可持续发展。

3 新实践:在知识重演教学中由“知识为本”转向“素养为本”

教学实践证明，直接告诉学生知识看起来可以让学生在较短的时间内获得更多的“学问”，然而这些“直接告知”的知识与技能，很难转化为问题解决的能力与智慧。因为物理学科知识只是形成学科核心素养的载体，学科活动(如科学探究实践)才是形成学科素养的重要渠道。因此，转变学生对知识的学习方式，基于物理创新实践性作业展开深度学习和合作学习，使这些知识成为学生的探究对象，以发现问题为开始，以解决问题为结束，才能在重演知识发生过程中实现知识向素养发展转变。本文以探究滑动摩擦力为例展开讨论。

3.1 从单一习题训练转向应对多维实际问题解决

探究滑动摩擦力大小与哪些因素有关实验是课标中重要实验之一,初中物理教材中通过学生分组实验,采用控制变量法探究得出滑动摩擦力大小与物体间压力大小、接触面间的粗糙程度有关的结论,能让学生从知识记忆达到知识理解的层面。传统的学生作业之所以繁重的主要原因是将内容雷同的、思维深度相似的习题进行重复式训练。笔者一改以往的风格,实现单向习题训练向多维问题解决为目标的教学,取得很好的效果。以沪粤版教材为例:同一水平桌面上放有质量相等的长方体木块和铁块各一块(侧面带有细钩),还有量程足够的弹簧测力计一只,请设计实验,探究桌面对木块和铁块的摩擦力是否一样大?学生在研读分析题目中的已知条件发现:质量相等的木块和铁块物重也相等,放在水平桌面上对支持面的压力也是一样大,用弹簧测力计挂在侧面细钩上分别匀速拉动木块、铁块,只要比较它们各自的拉力大小就可以比较桌面对木块和铁块的摩擦力大小。教师不能只满足于结论与技巧,还要提升学生思维与智慧,要善于收集学生们近乎“稀奇古怪”的想法:在教师引导下对原题进行多维方向的变题,可以提高学生对实际问题的解决能力。

变题1:通过上题的实验探究,你能简单地判断木块与铁块哪一个表面更粗糙吗?说说你判断的依据。

根据滑动摩擦力大小与物体间压力和表面粗糙程度有关的结论。当物体间压力一定时,物体表面越粗糙,滑动摩擦力越大,根据思维的可逆性,可以推理得出当物体间压力一定时,滑动摩擦力大的物体表面应该越粗糙。因此,若原题中木块的摩擦力比铁块的摩擦力大,则木块表面的粗糙程度大,反之亦然。

变题2:在原题中,若体积相等、形状相同的长方体木块和铁块各一块(侧面带有细钩),如何简单地判断木块与铁块哪一个表面更粗糙?

若想比较物体表面的粗糙程度可采用控制变量法,那必须要使木块与铁块对桌面的压力大小相等。在体积一定时,由于铁块比木块的密度大,铁块的质量与物重也大,它们对桌面的压力是不相等的,有些学生想到了在木块上面增加钩码、硬币等使木块与铁块的物重相等即对桌面的压力相同,但在实验操作时发现很难达到目的。此时,有学生提出新的想法:首先将木块叠放在铁块上面,用弹簧测力计匀速拉动铁块,读出拉力大小;再将铁块叠放在木块上面,再用弹簧测力计匀速拉动木块,读出拉力大小;再比较两次拉力即摩擦力大小,得出摩擦力大的物块(放置在下面的)表面粗糙程度大。

变题3:在原题中,质量相等的长方体木块或铁块各一块(侧面带有细钩),同一物块各表面粗糙程度相同,如何探究滑动摩擦力大小与物体间接触面积是否有关?

思维能力的提高是解决实际问题的重要保障。在已经得出滑动摩擦力大小与物体间压力、物体表面粗糙程度有关的基础上,若想进一步探究滑动摩擦力还与其他因素有关,必须要控制前面两个因素相同。学生灵活运用控制变量法,用弹簧测力计匀速拉动平放的长方体木块,读出示数;再用弹簧测力计匀速拉动侧放的长方体木块,读出示数;比较两次示数的大小,得出实验结论。

变题4:如果有两块相同的正方体木块(前后侧面带钩),如何探究滑动摩擦力大小与物体间接触面积是否有关?

此时,学生的思维能力已得到很大的提高,其中不少学生稍加思索就开始抢答:可以将两块木块竖直叠加在一起,用弹簧测力计匀速拉动下面的木块,读出示数;再将两块木块一前一后钩在一起(将两个木块看成一个整体),用弹簧测力计匀速拉动前面的木块,读出示数;比较两次示数的大小,得出实验结论。

结论固定、导向严格、答案唯一、思维定向的传统作业布置,能够很好地提高学生的模仿能力,但是对学生素养发展的价值太低,已经不适应当下“双减”政策的要求。必须做到对学生作业的布置依据教材而不唯教材,以教材中原题为出发点,展开对原题条件的开放式拓展,在问题解决中设定不同的要求,再以问题牵引思维的形成,形成由单一维度习题向多维度实际问题的解决中提高思维的含金量,以实验推动活动的开展,随着问题的逐渐深入,让不同知识基础、不同思维层次的学生都能得到发展和提升。

3.2 从具体性知识学习转向核心观念建构

传统物理作业的布置都是围绕教材中的知识点,一对一地进行映射式练习巩固,思维是零散不成体系的。如何实现从知识的碎片化到整体化的转变、从关注学科教学和笔试成绩向关注育人方式和素养发展的转变、从关注知识的传授向促进知识的建构转变[4],值得广大教师重点关注。

题目:某同学脚踏自行车沿着斜坡向上行驶,自行车前轮受到的摩擦力的方向是________,其后轮受到摩擦力方向是________。

由于初中生的思维能力有限，摩擦力方向的判定是初中物理教学的难点，通常学生的答案都是：向后。教师可以在课堂上播放创新实验视频，将正在后轮驱动的玩具小车放在特制的长毛刷“马路”上行驶，学生通过观察车轮下的毛刷的形变方向能直观地观察小车前、后的摩擦力方向，由于车轮对毛刷有力的作用而使毛刷发生形变，根据力的相互性作用原理，车轮也受到毛刷的作用力，这就是小车受到的摩擦力(见图1)，其方向与毛刷的形变方向相反。但是如何让学生在实际生活中去感知车轮受到摩擦力的方向呢？有学生想起汽车陷入泥土中打滑的场景，将自行车推到操场上的沙池里，立起脚撑，一人用手轻提车让自行车后轮刚好接触沙面，另一人使劲用力摇转自行车踏脚板使后轮呈向前行驶的状态，学生观察发现此时后轮下面的沙子向车后方向喷射。因此也可以得出后轮受到的摩擦力是车子行驶的方向(见图2)。此时，有些学生在教室里也展开探究，先在塑料盆中装满水，再将通电的四驱玩具车轻触脸盆中的水面，观察轮下水珠的喷射方向，得出四个轮子受到摩擦力的方向(见图3)。此时，有位学生根据人在行走过程中两脚受到地面向前的静摩擦力的特点做了一个二人游戏：教室里，甲同学双手抱住乙同学的腰部，让乙同学双脚向前呈坐姿状不动，此时甲同学将乙同学向前慢慢推行，模仿自行车在行进中两轮受力情况，全班同学在欢笑声中明白了甲同学受向前的摩擦力，而乙同学受向后的摩擦力(见图4)。这些创新实验能够让学生顿悟自然现象中的物理原理。

图1 用长毛刷显示小车前后轮摩擦力方向

图2 观察自行车骑行时后轮的摩擦力方向

图3 行驶的四驱小车后轮的摩擦力方向

图4 学生在游戏中感受摩擦力方向

美国教育家杜威认为,科学不是由教师直接传授给学生的那些大量刻板、枯燥的事实和定律,而是在探究背景下有智力参与的、有意义的、有针对性的活动。我们必须深入知识生成的过程,以实验为载体,以问题为导向,实现习题化到真实情境设置的转变,以结论为本向思维外显的转变。在创新实践性探究活动中重演知识的发生过程、获得感悟和高阶思维才是有价值的学习。通过一系列的摩擦力方向的实验活动,在力、压力与摩擦力的概念学习中,学生提升了思维深度,形成力的相互作用原理这一物理观念。

3.3 从知识结论转向彰显知识的价值与应用

德国物理学家劳厄说过:“重要的不是获取知识,而是发展思维能力,教育无非是一切已学过的东西都遗忘掉的时候所剩下的东西。”说明主体在学习过程中所谓的“知识”是会遗忘的,但是思维方式和后天习得的价值取向就是“遗忘后剩下来”的优良品质。由于经济的发展与人类社会的进步,育人方式的转变和社会对人才培养需要的不断变化,我们的课程目标从过去的“双基”培养到三维目标达成直至核心素养提升,实现了“以知识为本”到“以生为本”教育目标的转变。教师带领学生分析总结如何增大有益摩擦与减小有害摩擦的方法以及两者在实际生活中的应用,其实就是体现“从生活走向物理,从物理走向社会”的教学理念。例如在第24届北京冬奥会上,我国小将谷爱凌获得两金一银的骄人成绩,针对谷爱凌在滑雪大跳台上一飞冲天的动作,教师带领学生设置有效问题,分析如何让运动员尽最大可能减小滑行时的有害摩擦;冲过终点时运动员又是如何做到在较短的时间里停下来的。学生通过小组交流与上网查阅资料,得出:①用密度较小的玻璃纤维复合材料和高分子材料滑雪板可以有效减小对雪面的压力;②给滑雪板底面打蜡使其表面光滑;③运动员在飞行过程中尽可能让整个身体前倾与滑雪板几乎平行,这些可以减小有害摩擦来提高成绩,冲线后运动员立即调整滑雪板的前刃与后刃,熟练掌握立刃刮雪滑行以增大摩擦阻力来实现快速停止。这些物理知识的应用都是取胜的法宝。

4 结语

减负是治标,目的是提质。创新实践性作业之所以能够成为学生素养发展的重要途径,是因为通过各种情境的创设搭建学生思维支架,逐层揭示事物的本质和深刻内涵,能够真正触及学生心灵,深入思维内核,挑战自己的潜能[5]。最终能够实现作业设计从知识本位向学生本位的转变,由相对封闭式的纸笔答题型作业向开放自主式手脑并用的实操型作业转变;由个体隐形状态下单向提交作业向公开交流合作展示作业成果的转变;由承载知识巩固为目的向以关键能力的提升为目的转变;由学习达成和诊断学情向实施过程性综合评价转变。