核心素養(yǎng)下高中物理教學(xué)設(shè)計優(yōu)化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)

蔡千斌

摘? ? 要：為促進核心素養(yǎng)下高中物理教學(xué)設(shè)計的最優(yōu)化，實現(xiàn)學(xué)生核心素養(yǎng)在高中物理課堂教學(xué)中的真正落地，根據(jù)最近發(fā)展區(qū)理論和目標導(dǎo)向教學(xué)理論，從情境、問題、活動、教法四個角度出發(fā)，詮釋了核心素養(yǎng)下高中物理教學(xué)設(shè)計優(yōu)化中問題情境創(chuàng)設(shè)、問題鏈設(shè)計、學(xué)生學(xué)習(xí)活動設(shè)計和教師教學(xué)方法設(shè)計這四個關(guān)鍵環(huán)節(jié)的操作策略.

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng);物理教學(xué)設(shè)計;優(yōu)化

基于最近發(fā)展區(qū)理論和目標導(dǎo)向教學(xué)理論，我們在實踐中提出了核心素養(yǎng)下高中物理教學(xué)設(shè)計優(yōu)化的四個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，包括問題情境的創(chuàng)設(shè)、問題鏈的設(shè)計、學(xué)生學(xué)習(xí)活動的設(shè)計和教師教學(xué)方法的設(shè)計.[1]

一、問題情境的創(chuàng)設(shè)

（一）聯(lián)系學(xué)生實際

問題情境的創(chuàng)設(shè)應(yīng)當(dāng)聯(lián)系學(xué)生的實際.教師設(shè)置學(xué)生熟悉的生活場景，學(xué)生才會有親近的感覺.由于學(xué)生有經(jīng)歷，有體驗，一旦將這些熟知的場景同所學(xué)的物理知識聯(lián)系起來，就更容易為理解物理知識提供感性認識.例如，在“探究感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件”的教學(xué)中，為了揭示無線充電的秘密，教師可以設(shè)置兩個情境.

情境1：如圖1（a）所示，教師將一只手機放到一塊布上，通過投影學(xué)生看到手機上出現(xiàn)正在充電的畫面.布的下面與手機的內(nèi)部到底隱藏著什么樣的秘密？（學(xué)生將此情境與生活中的手機無線充電聯(lián)系起來，認為布下應(yīng)該隱藏著無線充電器，教師給予肯定的回應(yīng)，然后揭開布進行驗證.但學(xué)生對于手機內(nèi)部的秘密并不知曉.）

情境2：如圖1（b）所示，移走手機后，將一個與小燈泡、開關(guān)串聯(lián)的線圈放到了同一塊布上.開關(guān)斷開時，小燈泡不亮.開關(guān)合上時，小燈泡竟然變亮了.對比圖1（a）、（b），有學(xué)生提出無線充電手機的內(nèi)部也應(yīng)該有線圈.教師拆開手機的背面外殼，果然內(nèi)有一個閉合的線圈，證實了學(xué)生的想法.

（二）適合學(xué)生思考

由于問題的解決者是學(xué)生，所以問題情境的創(chuàng)設(shè)必須適合學(xué)生的思考，不能過難也不能過易.例如，“跳環(huán)”問題的創(chuàng)設(shè).

情境：如圖2所示，交流電源、開關(guān)、插有鐵芯的線圈組成一個閉合回路，將一鋁環(huán)置于線圈上，開關(guān)閉合瞬間，鋁環(huán)跳了起來，請你解釋鋁環(huán)跳起的原因.

圖1中所接電源為交流電，雖然“跳環(huán)”實驗現(xiàn)象明顯，但解釋復(fù)雜，并不適合初學(xué)者思考.如將交流電源換成直流電源后，開關(guān)閉合瞬間，線圈中磁通量由無到有，鋁環(huán)中磁通量跟著增大，根據(jù)楞次定律，鋁環(huán)中感應(yīng)電流的磁場要阻礙鋁環(huán)中磁通量的增大，因此鋁環(huán)跳了起來.這樣的情境難易適中，便于學(xué)生解釋，因此適合學(xué)生思考.

（三）針對教學(xué)目標

問題情境是為教學(xué)服務(wù)的，問題情境的創(chuàng)設(shè)要針對教學(xué)目標.有效的問題情境能促成教學(xué)目標的順利達成.例如，在“豎直平面內(nèi)圓周運動”的教學(xué)中，教學(xué)目標是“能分析物體在豎直平面內(nèi)做圓周運動到達最高點時的受力情況和運動狀態(tài);能求解物體在豎直平面內(nèi)做圓周運動到達最高點的最小速度;能分析物體在豎直平面內(nèi)做圓周運動剛好通過最高點時的受力情況和運動狀態(tài)”.為此，可以設(shè)置以下一個情境.

情境：英國特技演員特魯利亞駕駛汽車象過山車一樣在一個12m高的巨大圓環(huán)內(nèi)行駛了一周，如圖3所示.已知g取10m/s2.（1）特魯利亞駕駛汽車通過最高點的最小速度vmin為多大;此時特魯利亞處于超重狀態(tài)、失重狀態(tài)還是完全失重狀態(tài)？（2）假設(shè)人的質(zhì)量為m，特魯利亞駕駛汽車通過最高點的速度為1.1vmin，則汽車到達最高點時，人對座椅的作用力為多大，方向指向哪里？

顯然“此時特魯利亞處于超重狀態(tài)、失重狀態(tài)還是完全失重狀態(tài)”這一問題并不針對本節(jié)課的教學(xué)目標，應(yīng)該刪除，可增加“汽車通過最高點的最小速度vmin的受力特點是什么”這樣一個問題.

（四）突出關(guān)鍵要素

從可學(xué)性角度來看，問題情境的創(chuàng)設(shè)要突出學(xué)生學(xué)習(xí)的關(guān)鍵要素.如圖4所示，一個薄金屬圓盤水平放置在豎直向上的勻強磁場中，下列各種做法能使圓盤中產(chǎn)生感應(yīng)電流的有哪些.（1）圓盤在磁場中水平向左平移;（2）圓盤在磁場中豎直向下平移;（3）圓盤在磁場中以某一水平直徑為軸勻速轉(zhuǎn)動;（4）圓盤繞過圓心的豎直軸勻速轉(zhuǎn)動;（5）勻強磁場逐漸減弱.

這5個問題都不宜在《探究感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件》新課結(jié)束時出現(xiàn).理由是：圖4主要難在閉合回路物理模型的構(gòu)建上，沒有突出“讓學(xué)生利用磁通量發(fā)生變化來判斷感應(yīng)電流的有無”這個關(guān)鍵要素.如果將該問題情境中的金屬圓盤改為金屬圓環(huán)，就非常適合在《探究感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件》這節(jié)課內(nèi)學(xué)習(xí).

二、問題鏈的設(shè)計

（一）基于學(xué)生起點

如果我們的教學(xué)理念不是“教為中心”而是“學(xué)為中心”，即解決問題的主體是學(xué)生，那么基于學(xué)生的學(xué)習(xí)起點設(shè)置問題就應(yīng)該是一個需要遵循的基本原則.例如，在閉合電路歐姆定律的教學(xué)中，學(xué)生的學(xué)習(xí)起點是“電源無內(nèi)電阻，將小燈泡與電動勢超過其小燈泡額定電壓的電源相接，小燈泡會很亮甚至?xí)龎摹?教師緊緊圍繞學(xué)生的這個學(xué)習(xí)起點展開問題鏈的設(shè)計.

問題1：一節(jié)干電池的電動勢為1.5V，兩節(jié)干電池串聯(lián)，總的電動勢為多大？

問題2：尋找小燈泡發(fā)光微弱的原因，如圖5所示，將這個小燈泡直接與兩節(jié)干電池串聯(lián)，小燈泡會發(fā)光嗎？（學(xué)生1：燈絲會燒斷.學(xué)生2：小燈泡會很亮.教師合上開關(guān)，結(jié)果小燈泡發(fā)出的是微弱的光.）

問題3：小燈泡為什么沒有很亮，或者燈絲被燒斷？（學(xué)生：電池沒電了，電池兩端電壓為0.教師斷開開關(guān)，用電壓表測量電池組兩端的電壓，結(jié)果是2.7V.）

問題4：電池組兩端的電壓為2.7V，已經(jīng)超過小燈泡的額定電壓2.5V，小燈泡為什么沒有發(fā)出很強烈的光，是誰“偷走”了本應(yīng)屬于小燈泡的電壓呢？（學(xué)生：電源內(nèi)部可能有電阻，它“偷走”了一部分電壓，導(dǎo)致小燈泡兩端的電壓低于額定電壓，因此小燈泡很暗.）

（二）圍繞教學(xué)目標

圍繞教學(xué)目標設(shè)置問題鏈，有利于教學(xué)目標的達成.如果設(shè)置的問題鏈偏離了教學(xué)目標的則宜刪掉.比如，在電磁感應(yīng)的熱量計算專題中，某節(jié)課的教學(xué)目標是運用能量觀點求焦耳熱，教學(xué)設(shè)計中設(shè)置的問題鏈就不宜出現(xiàn)求通過某電學(xué)元件的電荷量.例如，電磁感應(yīng)中的“雙桿問題”.如圖6所示，在水平面上有兩條足夠長的平行光滑金屬導(dǎo)軌MN、PQ，導(dǎo)軌間距為d，勻強磁場垂直于導(dǎo)軌所在的平面向下，磁感應(yīng)強度大小為B.兩根金屬桿間隔一定的距離擺放在導(dǎo)軌上，且與導(dǎo)軌垂直，已知兩金屬桿質(zhì)量均為m，電阻均為R，兩桿與導(dǎo)軌接觸良好，導(dǎo)軌電阻不計，現(xiàn)將桿1以初速度v0向右滑向桿2，在運動過程中兩桿始終不碰撞.（1）桿1、桿2將做什么樣的運動？（2）桿1、桿2最終以多大的末速度做勻速運動？（3）桿2上產(chǎn)生的焦耳熱為多大？（4）通過桿1的電荷量為多大？

問題（4）求導(dǎo)體棒上通過的電荷量要用到動量觀點（或取安培力的平均值），偏離了本節(jié)課的教學(xué)目標，應(yīng)該刪掉.如果在一節(jié)電磁感應(yīng)的綜合應(yīng)用專題中，教學(xué)目標是“會運用動力學(xué)知識分析導(dǎo)體棒的運動性質(zhì)，會運用能量觀點求導(dǎo)體棒的焦耳熱，會運用動量觀點求導(dǎo)體棒上通過的電荷量”，這時就可選用上述電磁感應(yīng)中的“雙桿問題”.

（三）符合思維發(fā)展

學(xué)生思維的發(fā)展是有規(guī)律的，例如先初淺后深入，先定性后定量，先特殊后一般，先形象后抽象等.問題鏈的設(shè)計要符合學(xué)生思維發(fā)展的規(guī)律，這樣才能促進學(xué)生思維的發(fā)展，體現(xiàn)以學(xué)定教的原則.例如，E=Blv公式的運用.如圖7所示，固定在地面上的兩根平行金屬導(dǎo)軌相距為d，右端接有一個電阻，整個裝置處于豎直向上、磁感應(yīng)強度為B 的勻強磁場中，一根導(dǎo)體棒在金屬導(dǎo)軌上以速度v勻速運動，與導(dǎo)軌保持良好接觸.（1）圖7（a）中導(dǎo)體棒與速度方向垂直，求電路中感應(yīng)電動勢的大小.（2）圖7（b）中導(dǎo)體棒與線框夾角為[θ]，導(dǎo)體棒的速度方向為水平向右，求電路中感應(yīng)電動勢的大小.（3）圖7（c）中導(dǎo)體棒與線框夾角為[θ]，導(dǎo)體棒與速度方向垂直，求電路中感應(yīng)電動勢的大小.由此說明，求解導(dǎo)體棒切割磁感線產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢大小時，需注意哪些事項.

問題（1）中B、l、v三者兩兩相互垂直.學(xué)生通過問題（1）的解決，可以直接鞏固E=Blv公式的運用.問題2中B與l垂直，B與v垂直，但l與v不垂直，夾角為[θ].學(xué)生通過問題（2）的解決，可以掌握“分解速度v求感應(yīng)電動勢大小”與“取導(dǎo)體棒有效切割長度求感應(yīng)電動勢大小”的計算方法.思維要求比問題（1）高.問題（3）中的B、l、v三者兩兩相互垂直，它的本質(zhì)與問題（1）相同.由于問題（3）與問題（2）具有形似的特點，學(xué)生容易將問題（2）中的結(jié)論套用到問題（3）中.通過反思“求解導(dǎo)體棒切割磁感線產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢大小需要注意的事項”，能讓學(xué)生意識到E=Blv公式的運用必須要看清哪些條件，從而形成問題解決的策略性知識.這是一種元認知思維，居于思維層次的最高端.從問題（1）到問題（3），學(xué)生的思維層次逐漸加深.

三、學(xué)生學(xué)習(xí)活動的設(shè)計

不同的學(xué)習(xí)內(nèi)容，需要不同的學(xué)習(xí)過程，不同的學(xué)習(xí)過程，學(xué)習(xí)的效果并不相同，教師和學(xué)生的水平又會制約一些學(xué)習(xí)活動的展開，學(xué)生學(xué)習(xí)活動的設(shè)計目的是確定與學(xué)習(xí)內(nèi)容、教學(xué)、學(xué)生水平相適應(yīng)的學(xué)習(xí)方式，如觀察、思考、體驗、推理、探究、展示、討論等.

（一）適合學(xué)生能力

學(xué)生學(xué)習(xí)活動的設(shè)計要符合學(xué)生的實際能力.例如，讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)，定量探究電荷間相互作用力的大小是無法完成的.讓學(xué)生在教師指導(dǎo)下，定性探究影響電荷間相互作用力的因素是完全可以的.具體學(xué)習(xí)活動的設(shè)計如下：

任務(wù)1：討論：電荷間相互作用力的大小可能與哪些因素有關(guān)？

任務(wù)2：討論：在定性實驗探究中，要研究電荷間相互作用力與帶電體間的距離、帶電體所帶電荷量之間的關(guān)系，涉及三個量的關(guān)系，應(yīng)當(dāng)采用什么樣的方法來研究？

任務(wù)3：根據(jù)教師提供的實驗器材：球形導(dǎo)體，帶細線的泡沫小球，鐵架臺，PVC管，毛皮.要求學(xué)生利用這些器材設(shè)計實驗定性探究電荷間的相互作用力F與電荷量q、距離r的關(guān)系.（教師指導(dǎo)：如何比較電荷間相互作用力的大小？能否從理論上推導(dǎo)出電荷間相互作用力大小與偏角的關(guān)系？如何使球形導(dǎo)體、泡沫小球帶上電？如何改變球形導(dǎo)體所帶的電荷量？）

（二）能夠自主完成

學(xué)生自主學(xué)習(xí)活動的設(shè)計，一定要根據(jù)學(xué)習(xí)內(nèi)容來確定.如果所學(xué)內(nèi)容難度大，學(xué)生自主學(xué)習(xí)是難以完成的.學(xué)生學(xué)起來既費時費力，學(xué)習(xí)的效果也比較差.對于這樣的內(nèi)容，學(xué)生就不能自主完成.例如，加速度概念比較復(fù)雜，學(xué)生自主探究的效果一定是比較差的.因此，加速度概念就不能安排學(xué)生自主學(xué)習(xí).而對于概念容易理解、難度又比較小的學(xué)習(xí)內(nèi)容，學(xué)生就完全能夠自主完成.例如，“重力? 基本相互作用”“力學(xué)單位制”“經(jīng)典力學(xué)的局限性”等學(xué)習(xí)內(nèi)容，教學(xué)上就可以安排學(xué)生進行自主學(xué)習(xí).

（三）教師適時引導(dǎo)

有些問題，如果缺了教師的引導(dǎo)，學(xué)生就不知道朝什么樣的方向去推理.這時，需要教師搭建思維臺階，進行有序的引導(dǎo).例如，閉合電路歐姆定律的推導(dǎo).教師提出：令電源的電動勢為E，內(nèi)電阻為r，外電路的電阻為R，閉合電路中的電流為I，（1）在時間t內(nèi)，外電路電阻所消耗的電能E外為多少？（2）在時間t內(nèi)，內(nèi)電路電阻所消耗的電能E內(nèi)為多少？（3）在時間t內(nèi)，電源內(nèi)非靜電力所做的功W為多少？（4）從功能關(guān)系來看，電源（如干電池）內(nèi)非靜電力所做的功將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，那么這些電能又轉(zhuǎn)化為什么能量，能否用一個式子把它表示出來？（5）由此，你能得到閉合電路中的電流與哪些因素有關(guān)，成何關(guān)系？

四、教師教學(xué)方法的設(shè)計

（一）根據(jù)教法特點進行優(yōu)化組合

高中物理常用的教學(xué)方法有講授法、討論法、練習(xí)法、直觀演示法、分組實驗法、讀書指導(dǎo)法、任務(wù)驅(qū)動法、問題教學(xué)法、項目教學(xué)法，還有自主、合作、探究學(xué)習(xí)法等.當(dāng)然，這些教學(xué)方法并不是孤立的，也不是一種方法就能包打天下的.各種方法都有自身的優(yōu)勢與缺陷，教學(xué)時要根據(jù)實際情況進行不同方法之間的優(yōu)化與組合，以達到所需的最佳效果.

（二）針對學(xué)生情況選擇教學(xué)方法

對于同一任務(wù)，教師水平與學(xué)生水平不一樣，對應(yīng)的教學(xué)方法也可能不同.如果學(xué)生水平高，就能自主完成難度較大的學(xué)習(xí)任務(wù).如果學(xué)生水平較低，就不可能自主完成難度較大的學(xué)習(xí)任務(wù).對于后者來說，比較合適的方法還是教師講授來得效果好一些.

例如，對于多用電表功能、使用方法的探究，當(dāng)學(xué)生水平高時，不管教師水平怎樣，都宜采用學(xué)生自主探究的教學(xué)方法;當(dāng)學(xué)生水平低教師水平高時，則宜采用教師引導(dǎo)學(xué)生探究的教學(xué)方法;當(dāng)學(xué)生水平低教師水平不高時，則宜采用教師示范探究的教學(xué)方法.

總之，精準把握問題情境的創(chuàng)設(shè)、問題鏈的設(shè)計、學(xué)生學(xué)習(xí)活動的設(shè)計和教師教學(xué)方法的設(shè)計這四個環(huán)節(jié)，能夠促進核心素養(yǎng)下高中物理教學(xué)設(shè)計的最優(yōu)化，最終實現(xiàn)學(xué)生核心素養(yǎng)在高中物理課堂中的成功落地.

參考文獻：

[1]鐘啟泉.課堂轉(zhuǎn)型[M].上海：華東師范大學(xué)出版社，2018：69.