基于物理學科核心素養(yǎng)的創(chuàng)設問題情境教學設計的研究

作者簡介：劉林，女，碩士，正高級教師。青島市教育科學研究院高中物理教研員，青島市人大代表。山東省特級教師，山東省教學能手，青島市拔尖人才，全國優(yōu)秀物理教研員，全國教研工作先進個人，教育部課程中心確立的高中物理學科青島教研基地主持人，青島市委統(tǒng)戰(zhàn)部無黨派人士工作室主持人，青島市首批名師工作室主持人。兼任山東師范大學、曲阜師范大學和青島大學碩士生導師，山東省基礎教育專家指導委員會會員，山東省教育學會科技教育研究專業(yè)委員會副理事長，青島市人民政府督學，青島市高級專家協(xié)會會員，青島市物理學會副理事長等。曾獲山東省基礎教育教學成果獎、山東省教育科研優(yōu)秀成果獎、青島市社科獎等十余項獎勵。主持國家、省、市資助課題13項。出版專著6部，主編9部，發(fā)表核心期刊論文20余篇。

摘 ? 要：本文研究了國內外有關情境教學的理論及實踐經(jīng)驗，以及教學中落實《普通高中物理課程標準》提出的基本理念、課程目標和物理學科核心素養(yǎng)的要求。通過單元學習主題的設計思路，嘗試創(chuàng)設問題情境的教學實施;以理論探究和實驗探究的途徑，研究推進深度學習，實現(xiàn)問題解決，促進學生物理學科核心素養(yǎng)的達成。

關鍵詞：物理學科核心素養(yǎng);創(chuàng)設情境;深度學習;教學設計

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ?文章編號：1003-6148（2019）5-0001-4

1 ? ?問題的提出

國外對情境教學的研究起步比較早，美國教育家杜威很早就提出了有關教學情境的問題。從1990年起，教學研究者探討了情境學習的教學設計、教學模式與教學策略等問題。1996年，國外研究者在情境學習與課堂教學以及一些案例研究與開發(fā)等方面取得了重大突破。目前這方面研究的熱點是建構主義學習理論指導下的情境創(chuàng)設、學生中心的情境創(chuàng)設和網(wǎng)絡環(huán)境下的情境創(chuàng)設。

自上世紀80年代，國內一些教育者進行了關于情境教學的研究和實踐，論證了利用物理學史、思維定勢與物理事實的認知沖突、角色扮演等策略來創(chuàng)設物理情境的有效性;嘗試通過物理實驗、多媒體網(wǎng)絡、問題解決途徑組織情境教學，以及應用生活現(xiàn)象創(chuàng)設問題情境等。

國內外學者對情境教學的研究已經(jīng)到了一個成熟階段，世界各國都在積極地將情境教學理論付諸于教學實踐中去。但是，情境教學在與具體的學科融合后，怎樣落實《普通高中物理課程標準》（以下簡稱《課程標準》）的學科核心素養(yǎng)、實施指向深度學習的課堂教學改進，是今后一段時間內課堂教學努力的方向。

2 ? ?對《課程標準》中創(chuàng)設問題情境教學的理解

首先，《課程標準》反映了時代的要求，重視以學科大概念為核心，使課程內容情境化。引導教學關注育人目的，注重培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng)，強調提高學生綜合運用知識解決實際問題的能力，促進教、學、考的有機結合，形成育人合力。

其次，《課程標準》規(guī)定了物理課程的性質，指出“高中物理課程在義務教育的基礎上，幫助學生從物理學的視角認識自然，理解自然，建構關于自然界的物理圖景;引導學生經(jīng)歷科學探究過程，體會科學研究方法，養(yǎng)成科學思維習慣，增強創(chuàng)新意識和實踐能力?！睂W生在學習物理概念之前，基于生活和已有的知識，形成了大量經(jīng)驗情境，這是構建新的物理概念的基礎。要建構物理概念，必須在這個基礎上對所觀察的現(xiàn)象重新加工，在諸多客觀情境中概括事物的共同屬性，抽象出事物的本質特征，在“概括”和“抽象”的思維加工過程中完成對物理概念的構建。

再次，《課程標準》提出了物理課程的基本理念，倡導多樣化的教學方式。指出“通過創(chuàng)設學生積極參與、樂于探究、善于實驗、勤于思考的學習情境，培養(yǎng)和發(fā)展學生的自主學習能力。通過多樣化的教學方式，利用現(xiàn)代信息技術，引導學生理解物理學的本質，整體認識自然界，形成科學思維習慣，增強科學探究能力和解決實際問題的能力?！币驗槲锢斫虒W通常是以知識為線索展開的，這就容易導致把教學的重點放在知識點的學習講解上，并在教學中落實，而忽視了物理課程的育人功能。物理學科核心素養(yǎng)實質是對雙基目標、三維目標的繼承與發(fā)展。由“知識為本”轉向“以人為本”，更加關注學生個體。只有尊重教育規(guī)律和學生身心發(fā)展規(guī)律，才有可能培育和發(fā)展學生的核心素養(yǎng)。

3 ? ?關于“向心加速度”創(chuàng)設問題情境的教學設計思想

《課程標準》（第15頁）對勻速圓周運動相關內容要求的表述如下：

“2.2.3 會用線速度、角速度、周期描述勻速圓周運動。知道勻速圓周運動向心加速度的大小和方向。通過實驗，探究并了解勻速圓周運動向心力大小與半徑、角速度、質量的關系。能用牛頓第二定律分析勻速圓周運動的向心力。了解生產、生活中的離心現(xiàn)象及其產生的原因。

例2 了解鐵路和高速公路拐彎處路面有一定傾斜度的原因。

活動建議：（2）收集資料，探討自行車拐彎時受到的向心力。”

本節(jié)課采取了單元學習主題的教學設計理念，吸納多個有關向心加速度的教學元素于一體，囊括課前直線運動和平拋運動的預習熱身、加速度的方向和大小主題探究、向心力實驗驗證向心加速度公式、課外生活應用與探索等，促進深度學習的發(fā)生。貫穿總體的有兩條線索：

一是物理（運動）觀念線索：直線運動（課前復習）—平拋運動（課前復習）—勻速圓周運動（課堂重點探究）—變速圓周運動（實驗驗證）— 一般曲線運動（課后探究）。

二是科學思維與探究線索：建立科學模型（向心加速度方向）—作圖比較分析—歸納推理結論—數(shù)形結合計算（向心加速度大?。l(fā)科學猜想—數(shù)理結合論證—科學實驗驗證。

單元學習目標的設計：本節(jié)課基于“運動與相互作用”的物理觀念，從加速度的運動學定義入手，運用矢量運算法則作圖探究、微元法推導得到向心加速度的方向和表達式，著重讓學生通過探究過程體會極限思想，通過模型建構、科學推理和科學論證培養(yǎng)學生的科學思維能力;又從動力學觀點分析，結合DIS數(shù)字傳感器實驗驗證向心加速度的表達式，實驗過程通過問題、證據(jù)、解釋和交流這四個方面經(jīng)歷科學實驗的過程，運用現(xiàn)代化信息技術分析數(shù)據(jù)解決問題，促進學生實驗能力的發(fā)展;通過整個探究過程，激發(fā)學生的學習興趣，形成探索自然的動力和嚴謹求實的科學態(tài)度。

4 ? ?關于“向心加速度”創(chuàng)設問題情境的教學設計思路

4.1 ? ?貼近學生的學習實際

根據(jù)《課程標準》的內容要求，教學設計要通過創(chuàng)設問題情境，引導學生逐步建立物理概念。所做的教學設計應當遵循學生的身心發(fā)展規(guī)律，貼近學生的學習實際。所以需要了解學生的物理知識基礎，明確《課程標準》對“向心加速度”的內容要求。

學生已有的知識基礎：對物體直線運動的加速度和平拋運動的加速度有了初步的了解，掌握了加速度是指物體運動速度的變化快慢。求解直線運動和平拋運動物體的速度變化量、速度變化快慢（加速度）時，學生運用數(shù)學的矢量運算方法即可求得，如圖1所示。

設計意圖：本節(jié)課“向心加速度”概念的建立過程，需要學生具備“向量”的數(shù)學基礎。這對于高一學生來說，有一定的理解難度，且還要用微元法進一步推理。當時間趨近于0時的速度變化量Δv的大小和方向變化情況，從而得出向心加速度的方向和大小的表達式。教學中以直線運動和平拋運動為例，明確加速度的大小和方向的判斷方法，為理解勻速圓周運動的向心加速度矢量圖提供學習準備，即教學設計關注學生的學習基礎，關注學生個性化，促進人才培養(yǎng)的轉變。

4.2 ? ?體驗問題情境的探究過程

關于科學探究，《課程標準》給出了四個要素，即問題、證據(jù)、解釋、交流。

“問題：基于觀察和實驗提出物理問題、形成猜想和假設;

證據(jù)：設計實驗與制定方案、獲取和處理信息;

解釋：基于證據(jù)得出結論并作出解釋;

交流：對科學探究過程和結果進行交流、評估、反思。”

《課程標準》指出，創(chuàng)設情境進行教學，對培養(yǎng)學生的物理學科核心素養(yǎng)具有關鍵作用。“學生從情境中發(fā)現(xiàn)和提煉問題，對問題的可能答案作出假設，并根據(jù)問題情境運用已有知識制訂探究計劃，選擇符合情境要求的實驗裝置進行實驗，獲取客觀、真實的數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)的分析形成關于物理規(guī)律的結論?！痹谙蛐募铀俣却笮『头较虻慕虒W中，作出以下教學設計過程：

“向心加速度”的教學片段2（加速度的方向和大?。ㄈ绫?）。

設計意圖：作圖討論不同時間間隔的速度矢量圖，分析、歸納加速度的方向，體會由簡單到復雜、由特殊到一般的科學探究方法。計算、推理、猜想、論證加速度的大小，提高數(shù)形結合、數(shù)理結合解決問題的能力，體會極限的科學思維方法。

“向心加速度”的教學片段3（實驗驗證向心加速度的表達式a=ω2r）：

分組實驗：根據(jù)牛頓第二定律F=ma，物體質量一定時，向心加速度a和向心力F成正比，測得向心力F，可以間接得到加速度a和角速度ω、半徑r的關系。用力傳感器（集成）和光電門（集成）記錄向心力F和角速度 ω 的數(shù)據(jù)，讀取并錄入半徑r，運用計算機軟件分析數(shù)據(jù)（如圖3）。

設計意圖：學生從運用數(shù)字化實驗儀器驗證向心加速度的大小的實驗情境中發(fā)現(xiàn)，向心力F和角速度ω、半徑r的關系，根據(jù)問題情境運用控制變量法制定探究方案，進行實驗，獲取客觀、真實的數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)的分析得到a=ω2r的結論。學生在活動中能真切感受科學探究過程，通過問題、證據(jù)、解釋和交流完成科學實驗過程，提高使用數(shù)字化實驗設備解決問題的能力，體會通過科學描述和解釋自然現(xiàn)象的樂趣，提升對科學本質的認識，提高科學探究能力。

4.3 ? ?推進深度學習，提升核心素養(yǎng)

深度學習的目的是讓學生的成長從提高“解題能力”轉向提高“解決問題的能力”，進而轉向提高“做事的能力”。所以，教學問題的設計要改變之前的“非情境化”，要轉向“情境化”，實現(xiàn)解決問題的教學和生成問題的教學。

“向心加速度”的教學片段4（持續(xù)性學習評價）：

1.想一想，如果想知道月球繞地球公轉的向心加速度大小，需要先知道哪些物理量？上網(wǎng)查閱資料和相關數(shù)據(jù)，嘗試得到結果。

2.在智能手機上安裝名為“Sparkvue”的軟件APP，就可以用手機來測加速度了。嘗試讓手機做勻速圓周運動，測一測它的向心加速度大小。

設計意圖：本教學片段可以在課堂教學中提出，也可以作為作業(yè)提出，是對本節(jié)課學習之后的一種持續(xù)性評價，這是深度學習中教師教學、學生學習不可缺少的環(huán)節(jié)。教師應探索多樣化作業(yè)，應設計與實施分層（基礎型、拓展型）作業(yè)、任務式（實踐型、探究型）作業(yè)和學科融合（跨學科、主題式）作業(yè)和個性化作業(yè)。通過作業(yè)的練習，提高學生在實際生活中遷移并應用學科知識和問題解決的思路方法來解決問題的能力。

5 ? ?本研究的目標指向

深度學習倡導單元學習。要求教師建立學科核心素養(yǎng)與學科核心概念之間的關系，依據(jù)《課程標準》和教材選擇有利于培養(yǎng)學科核心素養(yǎng)的教學內容和情境問題，制定學習目標、選擇學習內容、設計學習活動、組織課堂教學、進行學習評價等，使學科核心素養(yǎng)具體化、可培養(yǎng)、可干預、可評價。在課堂教學中，教師通過系統(tǒng)的學習設計，增強學生學習過程的體驗性、互動性和生成性，實現(xiàn)“教—學—評”的一致性，以發(fā)展學生的核心素養(yǎng)，提升學科課程的育人品質。

本研究嘗試為指向深度學習的教學實踐提供范例，在問題情境創(chuàng)設、解決實際問題過程中，改進物理課堂教學效果，促進學生物理學科核心素養(yǎng)的達成。

作者說明：

2018年11月29日至30日，由教育部基礎教育課程教材發(fā)展中心、課程教材研究所舉辦的第五屆全國基礎教育課程教學改革研討會在浙江寧波舉行。來自全國32個?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）的省級教研部門負責同志和14個學科省級高中教研員，全部的市級教研部門負責同志，以及課程教學領域的專家近1300人參加了研討會，這是全國性課程教材教學研討一年一度的盛會，也是基礎教育領域全國性最具影響力的大型教研活動。

會上，教育部基礎教育司副司長馬嘉賓、教育部課程教材中心主任田慧生出席會議并講話。為推動教研工作轉型發(fā)展，充分發(fā)揮教研工作對基礎教育課程教學改革的專業(yè)支撐作用，教育部課程教材中心和課程教材研究所啟動了中小學學科教研基地建設工作。經(jīng)各地申報和專家的嚴格遴選，教育部課程教材中心和課程教材研究所確定了義務教育階段小學語文等6個學科教研基地、普通高中語文等29個學科教研基地以及2個綜合教研基地，同時，設立了K-12技術與工程教育教研基地。由青島市教育科學研究院高中物理教研員劉林主持的高中物理學科榜上有名。

會議遴選出全國28位教師執(zhí)教14個學科、28節(jié)研究課。其中14節(jié)課來自浙江省，14節(jié)課分別來自北京、上海、天津、江蘇、福建、新疆、四川、河南、海南、廣東十個省市和計劃單列市青島。青島三中物理教師梁爽代表青島基地在會上展示了題為《向心加速度》的研究課。本文中節(jié)選的教學片段均來自梁爽老師的教學設計。

青島市教研工作將以此為契機，深入研究新課標，研究學科核心素養(yǎng)的育人價值，促進學生通過學科學習逐步形成正確價值觀念、必備品格和關鍵能力。在豐富而生動的教育教學實踐中，不斷提高教師的課程實施水平，推動課程改革不斷深化，共創(chuàng)普通高中教育的新輝煌。

（欄目編輯 ? ?廖伯琴）