以實(shí)驗(yàn)探究為主線 促進(jìn)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)整合發(fā)展

肖祖祥

摘 要：物理學(xué)科核心素養(yǎng)由“物理觀念”、“科學(xué)思維”、“實(shí)驗(yàn)探究”、“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”等四個(gè)方面的要素構(gòu)成，實(shí)驗(yàn)探究不僅是物理學(xué)科核心素養(yǎng)之一，在教學(xué)中還可以實(shí)驗(yàn)探究為主線，促進(jìn)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的整合發(fā)展。以高中物理“超重與失重”為例進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐，展示以促進(jìn)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)整合發(fā)展為目標(biāo)的實(shí)驗(yàn)探究課的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：物理學(xué)科核心素養(yǎng)；實(shí)驗(yàn)探究；整合發(fā)展；“超重與失重”

1問(wèn)題提出

物理學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)生在接受物理過(guò)程中逐步形成的適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力，是學(xué)生通過(guò)物理學(xué)習(xí)內(nèi)化的帶有物理學(xué)科特性的品質(zhì)。物理學(xué)科核心素養(yǎng)包括“物理觀念”、“科學(xué)思維”“實(shí)驗(yàn)探究”、“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”等四個(gè)方面。

在教學(xué)設(shè)計(jì)中要促進(jìn)物理學(xué)科核心素養(yǎng)整合發(fā)展的這一目標(biāo)，需要根據(jù)對(duì)課程目標(biāo)和實(shí)際學(xué)情的分析，系統(tǒng)規(guī)劃教學(xué)活動(dòng)的開(kāi)展過(guò)程和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，科學(xué)引導(dǎo)學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展。在科學(xué)教育領(lǐng)域，可以通過(guò)圍繞實(shí)驗(yàn)探究中的提出科學(xué)問(wèn)題，形成猜想和假設(shè)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與制定方案，獲取和處理信息，基于證據(jù)得出結(jié)論并做出解釋，以及對(duì)科學(xué)探究過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行交流、評(píng)估、反思的實(shí)踐過(guò)程，來(lái)統(tǒng)籌學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的整合發(fā)展。

2“超重與失重”教學(xué)設(shè)計(jì)案例

以人教版高中物理必修“超重與失重”為例，展示以實(shí)驗(yàn)探究為主線，促進(jìn)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)整合發(fā)展為目標(biāo)的教學(xué)設(shè)計(jì)。

2.1提出科學(xué)問(wèn)題

[播放視頻1]教師播放聶海勝和王亞平在太空艙內(nèi)進(jìn)行高難度動(dòng)作的視頻：懸空打坐與大力神功。

[提出問(wèn)題1]太空中的生活非常奇妙，為什么宇航員在太空中可以輕而易舉的完成這些高難度動(dòng)作？這背后隱藏著怎樣的秘密呢？

[播放視頻2]教師播放游樂(lè)場(chǎng)內(nèi)跳樓機(jī)的視頻。

[提出問(wèn)題2]坐過(guò)跳樓機(jī)的同學(xué)會(huì)感受到自己身體和座椅之間壓力的變化，為什么會(huì)變化呢。在平時(shí)的生活當(dāng)中，哪里還有這樣的感受？

[學(xué)生作答]電梯在啟動(dòng)和停止時(shí)；飛機(jī)在起飛和降落時(shí)。

[播放視頻3]教師播放視頻：電梯中有一臺(tái)秤，臺(tái)秤上放一重物，電梯從一樓上升到六樓過(guò)程中，臺(tái)秤的示數(shù)在不斷變化。

[提出問(wèn)題3]臺(tái)秤的示數(shù)表示臺(tái)秤所受到的壓力的大小，當(dāng)電梯靜止時(shí)，壓力的大?。ǚQ為視重）與重物的重力（稱為實(shí)重）大小相等，但在電梯上升和下降過(guò)程中，示數(shù)為什么會(huì)在向上加速和向上減速過(guò)程中，發(fā)生不同的變化？

[提出科學(xué)問(wèn)題]重力怎樣測(cè)量？視重與實(shí)重在所有情況都相等嗎？

設(shè)計(jì)意圖：教師通過(guò)三段視頻，第一段王亞平的空中授課能夠很好的激發(fā)學(xué)生探索科學(xué)問(wèn)題的學(xué)習(xí)興趣和愛(ài)國(guó)熱情，第二段視頻是學(xué)生生活中親身體會(huì)的經(jīng)歷，體現(xiàn)了從生活走向物理的理念；第三段視頻充分利用了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象讓學(xué)生形成了感性認(rèn)識(shí)。三段視頻層層推進(jìn)，符合學(xué)生的認(rèn)知習(xí)慣，學(xué)生自然提出重力如何測(cè)量，視重與實(shí)重之間關(guān)系的科學(xué)問(wèn)題。

2.2形成猜想和假設(shè)

[學(xué)生體驗(yàn)]學(xué)生桌上都有一個(gè)砝碼盒，學(xué)生將砝碼盒放在手上，猛地向上、向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，體驗(yàn)砝碼盒對(duì)手壓力的變化。

[分享體驗(yàn)]手感受到的壓力會(huì)隨著運(yùn)動(dòng)的不同而變大或變小。

[分析現(xiàn)象]通常我們會(huì)用臺(tái)秤或彈簧測(cè)力計(jì)來(lái)測(cè)量物體的重力，但是我們實(shí)際測(cè)量時(shí)，臺(tái)秤測(cè)得的是重物給其的壓力，彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)得的是重物給彈簧秤的拉力，這個(gè)壓力和拉力即為視重。在靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，重力和壓力或拉力相等，即視重=實(shí)重。實(shí)重是指物體實(shí)際上所受的重力，是由物體的質(zhì)量和物體所處的位置決定，即G=mg；視重是指物體對(duì)支持物的壓力或?qū)覓煳锏睦Α?/p>

[引出概念]在剛剛的視頻3中，當(dāng)電梯靜止時(shí)，視重=實(shí)重；當(dāng)電梯剛剛啟動(dòng)，向上加速時(shí)，臺(tái)秤示數(shù)變大，即物體對(duì)支持物的壓力（或?qū)覓煳锏睦Γ┐笥谖矬w所受重力的情況，稱為超重現(xiàn)象；當(dāng)電梯向上減速時(shí)，臺(tái)秤示數(shù)變小，即物體對(duì)支持物的壓力（或?qū)覓煳锏睦Γ┬∮谖矬w所受重力的情況，稱為失重現(xiàn)象。

[提出問(wèn)題]超重與失重狀態(tài)，物體的重力會(huì)改變嗎？

[學(xué)生回答]重力不會(huì)改變，改變的是視重。

[教師追問(wèn)]視重在什么情況下大于重力，什么情況下小于重力呢？超重與失重與哪些運(yùn)動(dòng)參量有關(guān)？

[表述猜想]根據(jù)播放的視頻和體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生準(zhǔn)確表述猜想：①超重與失重與速度方向有關(guān)；②超重與失重與加速度方向有關(guān)。

設(shè)計(jì)意圖：從視頻到親身體驗(yàn)，給學(xué)生提供了充分的感性認(rèn)識(shí)，在感性認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，抓住問(wèn)題的實(shí)質(zhì)，視重和實(shí)重之間的關(guān)系，引導(dǎo)學(xué)生完成從感性認(rèn)識(shí)到理性分析的轉(zhuǎn)變。學(xué)生在對(duì)實(shí)際問(wèn)題展開(kāi)分析的基礎(chǔ)上，引出超重和失重的概念，在猜想過(guò)程中，強(qiáng)調(diào)要基于證據(jù)展開(kāi)猜想和準(zhǔn)確表述的習(xí)慣，體現(xiàn)了物理學(xué)科核心素養(yǎng)中科學(xué)思維應(yīng)基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)建構(gòu)概念；基于事實(shí)證據(jù)展開(kāi)推理的特點(diǎn)。

2.3設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與制定方案

[布置任務(wù)]教師布置實(shí)驗(yàn)探究設(shè)計(jì)任務(wù)，要求學(xué)生分組討論設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：①超重與失重與速度方向有關(guān)；②超重與失重與加速度方向這兩個(gè)的猜想是否正確，并請(qǐng)小組匯報(bào)討論后的實(shí)驗(yàn)方案。

[實(shí)驗(yàn)器材]彈簧秤，鉤碼。

[注意事項(xiàng)]彈簧秤需調(diào)零；彈簧秤拉力不超過(guò)彈簧秤的最大量程；稱量鉤碼實(shí)際重力時(shí)要使鉤碼保持靜止。

[實(shí)驗(yàn)方案1]小組進(jìn)行分享：為了檢驗(yàn)超重與失重是與速度方向有關(guān)還是與加速度方向有關(guān)，我們小組分別進(jìn)行了四種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)：向上加速、向上減速、向下加速、向下減速，在這四個(gè)過(guò)程中，分別記錄彈簧秤的示數(shù)（即視重）與實(shí)重的關(guān)系。

[實(shí)驗(yàn)方案2]小組進(jìn)行分享：我們小組除了研究了上個(gè)小組的四種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的視重與實(shí)重的關(guān)系，即超重與失重的條件外，還研究了勻速上升和勻速下降過(guò)程中，彈簧秤的示數(shù)。

[分析實(shí)驗(yàn)方案]全班師生討論兩個(gè)方案，實(shí)驗(yàn)方案2的設(shè)計(jì)更加全面。

設(shè)計(jì)意圖：在猜想的基礎(chǔ)上，教師提供給學(xué)生建議的實(shí)驗(yàn)器具，引導(dǎo)學(xué)生以小組為單位設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，小組間不同實(shí)驗(yàn)方案的分享和分析，可以激活學(xué)生的思維，實(shí)現(xiàn)思維的互補(bǔ)，讓學(xué)生們學(xué)會(huì)從更完整角度設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，并促進(jìn)學(xué)生實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)能力和小組合作能力的整體提升。

2.4獲取和處理信息，基于證據(jù)得出結(jié)論并做出解釋

[獲取和處理信息]學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)表格，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄與處理（見(jiàn)表1）。

[分析論證]學(xué)生基于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中獲得的重要證據(jù)，進(jìn)行分析論證。例如：在速度方向均為豎直向上時(shí)，三種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，得出的視重和實(shí)重的關(guān)系均不一樣，超重和失重的結(jié)果也不一樣。但是，在加速度方向相同的情況下，例如向上加速和向下減速，加速度方向均為豎直向上時(shí)，得出的視重和實(shí)重的關(guān)系一樣，超重和失重的結(jié)果也一樣

[得出結(jié)論]學(xué)生在分析論證基礎(chǔ)上，得出結(jié)論：超重與失重的現(xiàn)象與速度方向無(wú)關(guān)，與加速度方向有關(guān)，上升加速或下降減速時(shí)，超重；上升減速或下降加速時(shí)，失重。

[教師追問(wèn)]超重時(shí)，視重能不能無(wú)限大呢？失重時(shí)，視重是否有極限呢？

[分析論證]理論上，超重時(shí)，視重是沒(méi)有極限的，但在實(shí)際生活中，需要考慮到器材的承受能力，因此視重是有極限的；而失重時(shí)，視重的最小值就是零。

[引出概念]當(dāng)物體對(duì)支持物的壓力（或?qū)覓煳锏睦Γ榱愕那闆r，稱為完全失重現(xiàn)象。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生在自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)記錄表格，掌握獲取和處理數(shù)據(jù)的方法，并逐步養(yǎng)成基于證據(jù)開(kāi)展分析論證，從而得出結(jié)論的習(xí)慣。有效激活了學(xué)生的思維，促進(jìn)了學(xué)生對(duì)超重、失重、完全失重概念的理解。

2.5理論論證

[教師提問(wèn)]教師指出上述結(jié)論是實(shí)驗(yàn)結(jié)果，若想得到一個(gè)完備的結(jié)論，離不開(kāi)理論的推導(dǎo)，在研究力和運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，應(yīng)該應(yīng)用什么物理規(guī)律進(jìn)行分析？

[引導(dǎo)理論論證]教師給出向上加速情況的分析過(guò)程，讓學(xué)生自行分析向下減速，向下加速和向上減速三種情況。

[得出結(jié)論]學(xué)生在理論論證基礎(chǔ)上，得出結(jié)論：物體產(chǎn)生超重現(xiàn)象的條件是：加速度方向向上；物體產(chǎn)生失重現(xiàn)象的條件是：加速度方向向下，超重或失重現(xiàn)象與速度方向無(wú)關(guān)，與加速度方向有關(guān)。

設(shè)計(jì)意圖：在實(shí)驗(yàn)分析的基礎(chǔ)上，教師繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生展開(kāi)理論分析，從科學(xué)本質(zhì)上展示了在科學(xué)發(fā)展過(guò)程中實(shí)驗(yàn)和理論論證的同等重要性，也告知了學(xué)生在實(shí)驗(yàn)和生活中的任何問(wèn)題，都應(yīng)可以用已學(xué)的知識(shí)去解釋。

2.6對(duì)結(jié)果進(jìn)行應(yīng)用、交流、評(píng)估、反思

[課堂小結(jié)]教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行交流，并小結(jié)在知識(shí)和方法上的收獲。

[評(píng)估反思]教師布置兩個(gè)任務(wù)檢測(cè)學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握情況：①一紙帶掛住鉤碼，說(shuō)明紙帶能夠承受鉤碼的重力，是否能夠應(yīng)用今天所學(xué)知識(shí)讓紙帶斷裂；②兩本夾在一起的書，由于靜摩擦力，很難將兩本書拉開(kāi)，是否能夠應(yīng)用今天所學(xué)知識(shí)很容易將兩本書拉開(kāi)。

設(shè)計(jì)意圖：教師通過(guò)組織學(xué)生自己對(duì)學(xué)生過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行交流、評(píng)估和反思，課堂小結(jié)關(guān)注了學(xué)生在知識(shí)和方法上的收獲，并通過(guò)兩個(gè)實(shí)際問(wèn)題對(duì)學(xué)生的知識(shí)掌握情況進(jìn)行評(píng)估和反思，注重學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的提升。

3教學(xué)反思

物理學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)生在適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的必要品格和關(guān)鍵能力。實(shí)驗(yàn)探究不僅是科學(xué)學(xué)習(xí)的主要方式，在物理教學(xué)中也可以通過(guò)圍繞實(shí)驗(yàn)探究，讓學(xué)生經(jīng)歷學(xué)習(xí)過(guò)程，形成物理觀念，培養(yǎng)科學(xué)思維，學(xué)會(huì)合作交往，培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度和責(zé)任，關(guān)注實(shí)際問(wèn)題，從而促進(jìn)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的整合發(fā)展。

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