指向学科核心素养的高中物理课堂教学设计

程如林

［摘 要］《普通高中物理课程标准（2017年版）》已在全国普遍施行，该标准不仅提出了学科核心素养这一重要概念，而且详细阐述了学科核心素养的内涵，在此基础上拟定了编写高中物理课程的目标。这无疑为广大一线教师矗立了一座“教海灯塔”。对高中物理教师而言，如何落实学科核心素养的教学要求，是一个既现实又迫切的问题。文章以人教版高中物理“自由落体运动”教学为例，剖析学科核心素养的本质要求，并探讨指向学科核心素养的高中物理课堂教学设计。

［关键词］学科核心素养；教学设计；自由落体

［中图分类号］    G633.7        ［文献标识码］    A        ［文章编号］    1674-6058（2023）14-0033-05

由教育部頒发的《普通高中物理课程标准（2017年版）》指出：学科核心素养是学科育人价值的集中体现，是学生通过学科学习而逐步形成的正确价值观念、必备品格和关键能力。物理学科核心素养主要包括“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”四个方面。［1］

物理学科核心素养的提出标志着我国对高中物理教学提出了新要求，指明了新方向。对高中物理教师而言，如何落实学科核心素养的教学要求，是一个既现实又迫切的问题。本文以人教版高中物理教材中的“自由落体运动”［2］的教学为例，剖析学科核心素养的本质要求，并探讨指向学科核心素养的高中物理课堂教学设计。

一、学科核心素养的本质要求

（一）物理观念

“物理观念”是从物理学视角形成的关于物质、运动与相互作用、能量等的基本认识；是物理概念和规律等在头脑中的提炼与升华；是从物理学视角解释自然现象和解决实际问题的基础。“物理观念”主要包括物质观念、运动与相互作用观念、能量观念等要素。［3］

因为“物理观念”是物理概念和规律等在头脑中的提炼与升华，物理观念的形成要依托物理概念、规律的准确把握，所以在物理观念教学中要关注学生对物理概念、规律的准确学习，促成学生对概念、规律的深度理解，从而帮助学生形成正确的物理观念。［4］

落实在“自由落体运动”教学中，教师应做好以下两个方面的工作：（1）通过“设置情境→引发认知冲突→逻辑推理→实验验证→建构模型”的教学过程，加强“自由落体运动”概念教学；（2）通过“分组实验→数据分析→实验结论→总结规律→规律应用”的教学过程，加强“自由落体运动”规律教学。

（二）科学思维

“科学思维”是从物理学视角对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识方式；是基于经验事实建构物理模型的抽象概括过程；是分析综合、推理论证等方法在科学领域的具体运用；是基于事实证据和科学推理对不同观点和结论提出质疑和批判，进行检验和修正，进而提出创造性见解的能力与品格。“科学思维”主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素。［5］

科学思维是对自然界事物的本质属性、内在规律及事物间的相互关系的间接的、概括的和建构的反映，该反映以科学知识经验为中介，需要人脑借助推理和论证等形式，对多变量复杂系统进行信息加工。科学思维中常用的思维方法有分析、综合、抽象、概括、推理（演绎、归纳、类比）、论证等。［6］

落实在“自由落体运动”教学中，教师应做好以下四个方面的工作：（1）通过对落体运动中重物下落快，还是轻物下落快的问题进行逻辑推理，提升学生的推理能力；（2）通过建构自由落体运动模型，提升学生的模型建构能力；（3）通过探究实验分析判断自由落体运动的性质，提升学生的分析判断能力；（4）通过运用公式处理实际问题，提升学生的综合分析能力。

（三）科学探究

“科学探究”是指基于观察和实验提出物理问题、形成猜想和假设、设计实验与制订方案、获取和处理信息、基于证据得出结论并作出解释，以及对科学探究过程和结果进行交流、评估、反思的能力。“科学探究”主要包括问题、证据、解释、交流等要素。［7］

科学探究的本质是：探究者通过自身主动参与，发现问题、解决问题，重要的是带着问题去思考、活动、学习。［8］

落实在“自由落体运动”教学中，教师应做好以下工作：充分认识科学探究的重要性，认真组织学生进行分组探究实验，通过打点计时器记录重锤自由下落的运动情况，分析自由落体运动的性质，测量自由落体运动的加速度，总结自由落体运动的规律。

（四）科学态度与责任

“科学态度与责任”是指在认识科学本质，认识科学·技术·社会·环境关系的基础上逐渐形成的探索自然的内在动力，严谨认真、实事求是和持之以恒的科学态度，以及遵守道德规范，保护环境并推动可持续发展的责任感。“科学态度与责任”主要包括科学本质、科学态度、社会责任等要素。［9］

科学态度与责任的教学不能生硬地单独说教，而应该通过探究的形式融入科学观念和科学思维教学之中，力求做到“随风潜入夜，润物细无声”。［10］

落实在“自由落体运动”教学中，教师应做好以下三个方面的工作：（1）通过回顾亚里士多德的错误观点，让学生认识到伟大的哲学家、思想家亚里士多德也会出现错误，从而树立不迷信权威、敢于质疑、追求真理的科学精神和科学态度；（2）指导学生阅读“科学漫步”栏目中的内容，让学生认识到人们对客观世界的认识，不是一帆风顺的，而是一个曲折甚至漫长的过程，中间会遇到许多困难，从而让学生树立崇尚科学、不畏艰辛、坚忍不拔的品质和意志；（3）指导学生阅读“STSE”栏目中的内容，让学生认识到，在追求真理的道路上，也会遇到坎坷，甚至遭遇风险，伽利略在追求真理的道路上勇毅前行，虽然付出了巨大的代价，但照亮了科学进步的航程，取得了流芳千古的辉煌成果。

二、指向学科核心素养的教学设计

案例：自由落体运动（人教版必修第一册第二章第四节）

（一）教学流程

本节课共设置8个教学环节。

（二）教学过程

［第1环节］创设真实情境，引入物理问题

教师（创设情境，展示图片）：（1）树叶飘落；（2）苹果坠落；（3）露水滑落。

播放视频：（1）高台跳水；（2）蹦极运动；（3）高空坠物。

教师（引入课题）：以上是生活中的物理现象，大家有没有想过这些运动中是否存在某种规律……这是本节课我们要探讨的问题。

教师（演示实验1）：让一块橡皮（涂成红色）与一张薄纸片同时下落。

教师：哪个先着地？

学生：橡皮先着地。

教师：通过上面的实验我们发现，重量大的橡皮先着地了，给人留下的印象是“重物先着地”。这个结论正确吗？

（学生露出疑惑的表情）

教师：其实，关于这个问题，早在2000多年前，古希腊哲学家、思想家亚里士多德就作出过这样的观点：“重物下落快。”你同意他的观点吗？

学生1：我认为亚里士多德的观点是正确的，在上面的实验中，就是重的橡皮先着地。

学生2：我觉得亚里士多德的观点可能有问题，我听说过亚里士多德的观点是错误的，但不知道为什么。

……

教师（演示实验2）：让一枚回形针（红色）和一张厚纸片同时下落。

教师：哪个先着地？

学生：回形针先着地。

教师（激疑）：在实验1中重的物体（橡皮）下落快，在实验2中轻的物体（回形针）下落快，那么到底是重物下落快还是轻物下落快呢？

（学生意见不同，疑惑不解）

教师：关于这个问题，早在16世纪就有一位著名的科学家思考过了，他就是意大利物理学家、天文学家伽利略，请大家阅读教材第47页最后一段文字，领会他的逻辑推理过程。

（学生自主学习）

教师（释疑）：伽利略通过严密的逻辑推理，得出了结论“重的物体与轻的物体下落得同样快”。之后，他又在比萨斜塔上做了“两个铁球同时落地”的著名实验，进行了实验验证。

教师（再激疑）：那么，实验1和实验2中的现象与这一结论相矛盾，又怎么解释呢？

（学生讨论）

学生：可能是由于空气阻力的影响。

教师：让我们通过下面的演示实验来探究这个问题。

教师（演示实验3）：分未抽去空气和抽去空气两种情形进行牛顿管实验，（见图1）。

教师：同学们观察到了什么现象？

学生：未抽去空气时，重的铁片下落得快，轻的羽毛下落得慢，但抽去空气后，铁片和羽毛就下落得同样快了。

教师（总结并释疑）：在现实生活中，之所以看到轻重物体下落的快慢不同，是受到空气阻力作用的缘故，如果没有空气阻力，所有物体下落的快慢是一样的。

教师：将以上实验结果记录在同一张表格中，见表1（通过多媒体展示）。

［第2环节］抽象本质要素，建构物理模型

教师：已经知道，在没有空气阻力的时候，所有物体下落的快慢是一样的。既然是一样快慢的运动，这种运动就应该具有共同的本质属性和运动规律，为了认识这种运动的本质属性和规律，需要对这种运动建立一种模型，我们把这种运动模型起一个名字，叫作“自由落体运动”。

教师（通过多媒体展示给出定义）：物体只在重力作用下从静止开始下落的运动，叫自由落体运动。

教师：那么，如何探究自由落体运动的本质属性和规律呢？

学生：先搞清运动性质，看看是否为匀加速直线运动，然后再考虑探究运动规律。

［第3环节］学生自主探究，教师巡回指导

学生分组实验：探究自由落体运动的性质，测量自由落体加速度。

实验装置如图2所示，小组的实验器材有：铁架台一个，打点计时器一个，学生电源一台，重锤一个，纸带若干条，毫米刻度尺一把，铅笔一支，白纸多张，夹子一个。

实验步骤如下：

1.学生带着以下问题（教师设置的问题串）研读教材第P48页的实验（“研究自由落体运动的规律”）的要求。

（1）开始实验时，手应抓握在纸带的什么位置？纸带应保持什么样的状态？

（2）开始实验时，是先释放纸带，还是先接通电源？

（3）打出的纸带是否要有选择地使用？

（4）选取纸带时是否要考虑第一、二点间的距离约为2 mm？

（5）紙带选好后，是否可以通过纸带判断自由落体运动的性质？如何判断？

（6）如果通过纸带判断出自由落体运动是匀加速直线运动，那么是否可以通过纸带测出自由落体运动的加速度？如何测量？

（7）在选好的纸带上选取计数点时，是否一定要每相隔5个间隔点取一个计数点？

（8）如果每相隔4个间隔点取一个计数点，如何计算自由落体加速度？（拓展学习内容）

2.研读结束后，各小组通过讨论分别制订自己的实验方案。

3.师生共同研讨解答上面的问题。

4.各小组修正、细化、完善自己的实验方案。

5.各小组按照完善后的实验方案进行探究实验，教师巡回指导。

［第4环节］学生展示成果，师生评价成果

教师在各小组完成探究实验之后，让各小组的代表上台展示实验成果，接受师生评价。

各小组的代表上台展示本小组的探究结论，并陈述实验过程中遇到的困难和实验之后产生的困惑。

教师对各小组遇到的困难和困惑进行解答释疑，对各小组在实验过程中的表现作出评价。

［第5环节］修正实验成果，归纳物理规律

教师引导各小组对探究结论进行修正、完善，最终得出科学结论：自由落体运动是初速度为零的匀加速直线运动；自由落体加速度为9.8 m/s2。

教师（拓展延伸）：通过探究实验测出自由落体加速度为9.8 m/s2。这个实验是在本地完成的，如果在其他地区做实验，加速度还是这个数值吗？在不同地区都是一样的数值吗？

（学生露出疑惑的表情）

教师：通过多媒体展示教材第49页的表格（“一些地点的重力加速度”），让学生观察表格中的数据，并找出变化规律。

学生：表格中的数据表明，自由落体加速度与物体所在地区的地理纬度有关，在纬度越大的地方，自由落体加速度越大。

教师（追问）：为什么会有这种关系？自由落体加速度大小到底与什么因素有关？又有什么定量关系？教材中为什么称自由落体运动的加速度为重力加速度？

（学生：疑惑不解）

教师：这个问题现在讨论起来有些困难，留给大家课后自主探究学习（课后学习任务1）。

［第6环节］应用物理规律，解决实际问题

阅读教材发现，本节正文中并未安排相关例题，这是因为本节正文内容已很丰富，主要呈现自由落体运动的认知发展过程、自由落体运动的性质与规律、物理学发展史方面的内容，例题在本节正文中不是必要内容。

但教材在“练习与应用”栏目中编入了多道相关习题，仔细查看后不难发现，这些习题并不是通常的匀变速直线运动问题，而是与自由落体运动密切相关的实际问题，所有习题的背景都是自由落体运动，是非常有特色的、个性化的习题，自然有它的教学价值。

下面笔者选择其中一道习题进行分析：

［案例］（教材P53“练习与应用”第3题）为了测出井口到水面的距离，让一个小石块从井口自由落下，经过2.5 s后听到石块击水的声音，估算井口到水面的距离。考虑到声音在空气中传播需要一定的时间，估算结果偏大还是偏小？

解答从略。

分析说明：此习题是运用自由落体运动规律处理实际问题，它的教学功能有两个，一是让学生加深对自由落体运动规律的理解与掌握，并形成应用物理规律处理实际问题的观念；二是让学生通过物理规律的实际应用，产生学以致用的兴趣。

［第7环节］指导阅读栏目，挖掘栏目功能

不难发现，对于本节课，教材除常规教学内容外，还编有“科学漫步”和“STSE”两个阅读栏目，且栏目篇幅很长，占2.5个页面。此类阅读栏目，其主要教学功能是增强学生的“科学态度与责任”素养，教师在教学中也应给予充分重视，可采取设置问题串的教学方法开展教学，指导学生自主阅读栏目内容，并思考相关问题。问题串设置如下：

（1）伽利略如何用逻辑推理的方法揭示亚里士多德观点的错误？

（2）伽利略为何猜想自由落体运动中，物体的速度有[v∝x]和[v∝t]两种可能，又如何判定[v∝x]不正确？

（3）为什么检验[v∝t]即是检验[x∝t2]？

（4）伽利略如何巧妙地克服困难，设计精确可行的实验检验[x∝t2]？

（5）伽利略如何由斜面实验的结论，合理外推到自由落体运动的规律？

（6）对亚里士多德的错误观点，你是怎么看的？

（7）伽利略在研究自由落体运动的过程中，遇到了种种困难，通过努力，又一个一个地克服了困难，他的研究历程对我们有什么启示？

（8）伽利略在科学研究的征途上遭受迫害，但他坚强不屈，坚持研究，他这种无所畏惧、勇毅前行的精神，你是怎样理解的？

讨论过程从略。

教师：对于（2）、（3）两个问题，现在讨论起来有些困难，留给大家课后自主探究学习（课后学习任务2）。

［第8环节］回顾教学过程，进行课堂总结

1.从内容层面来看，本节课探讨了三个方面内容：

（1）通过抽象思维，定义了自由落体运动，建立了自由落体运动的理想模型。

（2）通过探究实验，得出了自由落体运动是初速度为零的匀加速直线运动。

（3）通过探究实验，测得了自由落体运动的加速度为9.8 m/s2。

2.从目标达成层面来看，本节课的收获有如下四点：

（1）通过探究学习，树立了基于自由落体运动性质与规律的物理观念。

（2）通过逻辑推理、实验数据分析、物理规律总结、实际问题处理等过程提升了科学思维素养。

（3）通过探究自由落体运动性质、规律等活动提升了科学探究素养。

（4）通过阅读教材中的“阅读栏目”，感受了科學研究的艰辛与困苦，以及科学家不畏强权、追求真理、坚强不屈、勇于献身的大无畏气概和献身精神，从而提升了敬畏科学的态度，增强了社会责任感。

三、回顾与反思

回顾以上整个教学设计，产生了诸多感悟，觉得教师在平时教学设计中应注意以下设计策略：

（一）创设真实情境，营造教学氛围

真实情境就是日常生产生活中的真实场景，教师在教学中要根据教学需要，围绕教学目标，结合学生的生活经验和学习基础，联系生产生活实际，从多个角度创设真实情境，引入物理问题，将学生带入充满情趣的物理世界中，激发学生的学习兴趣，使学生产生强烈的求知欲望和探究热情，进而促进教学活动的有效开展。

（二）坚持问题导引，促进有效教学

问题在教学中普遍存在，发现问题、提出问题、探究问题、解决问题是教学的基本方式。坚持问题导引，可增强课堂教学的目的性和针对性，避免盲目性和随意性。以问题解决的方式推进课堂教学，使问题成为教学的动力和心脏，成为联结教师和学生的桥梁，使问题解决成为教学过程本身，可以更好地发挥课堂教学促进学生核心素养发展的作用。［11］

（三）建构物理模型，促进科学研究

新课标要求学生具有建构模型的意识和能力。物理学是研究物理现象和物理规律的学科，而实际的物理现象和物理规律一般都是十分复杂的，涉及许多因素，在科学研究中，舍弃次要因素，抓住主要因素，从而突出客观事物的本质特征，这个过程就是建构物理模型的过程。建构物理模型是开展科学研究的前提和基础。

（四）实施任务驱动，打造高效课堂

任务驱动模式是借助任务驱动教学，教师在教学中可根据教学需要，在多个教学环节设置恰当的学习任务，促进学生对知识的自主建构。任务驱动模式的应用改变了传统的教学结构，使得学生真正成为学习的主体。教师在设计和选择任务的过程中强调以学生为中心，确保学生在完成任务的过程中能够掌握知识、技能和方法，提高学科核心素养。［12］

（五）突出学生主体，实现课堂转型

在传统教学中，教师是教学的主导者，教学方法以讲授法为主，学生的主体作用不突出，这种以教师为中心的教学方式客观上遏制了学生主观能动性的发挥。在现代教学中，学生是教学的主体，教学方法以学生自主思考、自主探究、自主建构、合作学习等为主要形式，教学目标已从三维目标升华成了核心素养目标。教师要适应形势变化，改进教学行为，改变课堂面貌，实现课堂转型。

四、结束语

《普通高中物理课程标准（2017年版）》已在全国普遍施行，并对学科核心素养的培育与提升提出了明确要求，教师在教学过程中应以学科核心素养为引领，以教材内容为依托，以学生为中心，精心设计教学过程，努力培育和提升学生的学科核心素养。

［   参   考   文   献   ］

［1］［3］［5］［7］［9］  中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）［S］.北京：人民教育出版社，2018：4-6.

［2］  人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.普通高中教科书 物理 必修 第一册［M］.北京：人民教育出版社，2019：47-53.

［4］［6］［8］［10］  彭前程.谈对“学生发展核心素养及物理学科核心素养”的理解［J］.中学物理教学参考，2017（19）：1-4.

［11］  余文森，龙安邦.以问题为导引：指向核心素养的课堂教学过程［J］.天津师范大学学报（基础教育版），2023（3）：1-6.

［12］  李建强，张琰.任务驱动模式在高中物理教育领域的践行［J］.中学物理教學参考，2021（27）：8-9.

（责任编辑 易志毅）