基于物理學(xué)科核心素養(yǎng)的概念教學(xué)策略

董友軍 黃愛國 周璐

摘? ? 要：基于核心素養(yǎng)的“速度”概念教學(xué)過程，設(shè)置問題情境，培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度;追尋概念本質(zhì)，培養(yǎng)科學(xué)思維;經(jīng)歷創(chuàng)新實驗，培養(yǎng)科學(xué)探究;分析生活現(xiàn)象，培養(yǎng)物理觀念;畫出概念網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建知識結(jié)構(gòu).并從中凝練出概念教學(xué)的兩大策略：依據(jù)“物理思維中心論”設(shè)計過程，是落實物理核心素養(yǎng)的教學(xué)保證;依據(jù)“有意義學(xué)習(xí)理論”設(shè)計討論，是落實物理核心素養(yǎng)的學(xué)習(xí)保證.

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng);概念教學(xué);物理思維中心論;有意義學(xué)習(xí)理論

2016年9月13日，教育部公布了“中國學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)”的研究成果.該成果指出，“核心素養(yǎng)”主要是指 “能夠適應(yīng)終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力”.物理課程標(biāo)準(zhǔn)組專家，依據(jù)“中國學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)”的總體框架和基本內(nèi)涵，凝練出“物理學(xué)科核心素養(yǎng)”，[1]為高中物理教學(xué)指明了前進的方向.

物理概念是對物理狀態(tài)或物理過程的提煉，它是狀態(tài)或過程的本質(zhì)反映，也是學(xué)習(xí)或交流的必備基礎(chǔ).通過物理概念教學(xué)，可以發(fā)展學(xué)生思維能力，幫助學(xué)生分析自然現(xiàn)象、解決生活問題.概念教學(xué)過程本身富有思想性、方法性，承載著物理學(xué)科的歷史、凝結(jié)著物理思想的精華，是培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要途徑.筆者以“速度”教學(xué)為例，[2]總結(jié)基于“物理學(xué)科核心素養(yǎng)”的概念教學(xué)策略.

一、教學(xué)案例

（一）設(shè)置問題情境，培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度

科學(xué)態(tài)度是指具有學(xué)習(xí)物理的好奇心與求知欲，能主動與他人合作并尊重他人，能基于證據(jù)和邏輯發(fā)表自己的見解，實事求是而不迷信權(quán)威.物理概念教學(xué)的過程應(yīng)遵循學(xué)生的認知規(guī)律，即從感性認識過渡到理性認識、從直觀的形象思維過渡到抽象的邏輯思維.教師在概念教學(xué)前，應(yīng)該設(shè)置生活情境，引導(dǎo)學(xué)生觀察現(xiàn)象，并能提出物理問題.楊振寧說，“現(xiàn)象是物理學(xué)的根源”，因此在物理概念教學(xué)過程中，應(yīng)以事實作為出發(fā)點，把創(chuàng)設(shè)問題情境，激發(fā)認知沖突，作為概念教學(xué)的第一步，為學(xué)生提供感性認識的材料，這與物理學(xué)的根本特點是一致的.

在上課時，筆者首先展示圖1，并說明圖1是百米賽跑過程中的運動狀態(tài)圖片.

筆者：從圖1可以看出，誰跑得最快？誰跑得最慢？

學(xué)生：最前面紅衣運動員跑得最快，最后面藍衣運動員跑得最慢.

百米比賽同時起跑，在相同時間里，跑的距離長，說明運動快，跑的距離短，說明運動慢.

筆者再展示圖2，并說明圖2是記錄百米賽跑后的時間圖片.

筆者：從圖2可以看出，誰跑得最快？誰跑得最慢？

學(xué)生：時間最少的蘇炳添跑得最快，時間最多的朱炳霖跑得最慢.

百米賽跑比賽結(jié)束，所有運動員跑的距離都是100米，在相同距離里，跑的時間短，說明運動快，跑的時間長，說明運動慢.

筆者最后展示表1，并說明表1是記錄甲乙兩個運動物體時間及其對應(yīng)的位移.

筆者：從表1可以看出，哪個物體運動快？哪個物體運動慢？

學(xué)生：甲物體運動快，乙物體運動慢.

因為初中已經(jīng)學(xué)了速度大小的計算公式為[v=st]，可以算出甲的速度是2m/s，乙的速度是0.5m/s，因為甲的速度大于乙的速度，所以甲物體運動快，乙物體運動慢.

（二）追尋概念本質(zhì)，培養(yǎng)科學(xué)思維

科學(xué)思維是從物理學(xué)視角對客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認識方式，是基于經(jīng)驗事實建構(gòu)物理模型的抽象概括過程，能運用科學(xué)思維方法，從定性和定量兩個方面對相關(guān)問題進行科學(xué)推理、找出規(guī)律、形成結(jié)論.物理概念也是物理知識，其獲得必然要借助科學(xué)方法，即物理概念的產(chǎn)生過程，起點是生活情境、過程是科學(xué)方法、終點是物理概念.[3]為了讓學(xué)生明白速度概念的本質(zhì)，筆者繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生，進行如下教學(xué).

筆者：請同學(xué)們以時間為橫軸、以位移為縱軸畫出甲物體和乙物體的位移-時間圖像.

學(xué)生：作圖如圖3.

筆者：從甲、乙圖像可以看出，甲、乙的傾斜度不同.說明傾斜度揭示了甲、乙物體的固有性質(zhì)，即傾斜度越大，反映物體運動得越快，傾斜度越小，反映物體運動得越慢，且傾斜度與物體的位移和時間無關(guān).在物理學(xué)中，為了定量表示物體運動的快慢，把位移-時間圖像的傾斜度定義為速度，即位移x與時間t的比值稱為速度v，其數(shù)學(xué)表達式為[v=xt]. 從[v=xt]可以看出，v與x成什么關(guān)系？v與t成什么關(guān)系？

學(xué)生：v與x成正比關(guān)系？v與t成反比關(guān)系？

筆者：錯啦！在物理學(xué)中，常用兩個物理量的比值定義一個新的物理量，把這種方法叫做比值定義法.比值定義法得到的新物理量，反映了物質(zhì)的本質(zhì)屬性，雖然由兩個物理量比值得出，但與兩個物理量無關(guān)，即v不與x成正比，也不與t成反比.請問在初中已經(jīng)學(xué)過哪些物理量是通過比值定義法得到的物理量？

學(xué)生：密度、電阻、壓強……

（三）經(jīng)歷創(chuàng)新實驗，培養(yǎng)科學(xué)探究

科學(xué)探究是指科學(xué)家研究自然界并在證據(jù)基礎(chǔ)上建構(gòu)解釋的各種方式，其本意是要塑造布魯納所說的“孩子們在教室里所為和科學(xué)家在實驗室里所為只有程度不同，沒有本質(zhì)區(qū)別”，[4]它主要包括問題、證據(jù)、解釋、交流等要素.筆者通過創(chuàng)設(shè)運動傳感器測量速度的實驗，讓學(xué)生理解測量速度的原理、經(jīng)歷測量速度的過程，可以有效培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究素養(yǎng).

筆者：如圖4所示，為運動傳感器測速原理圖，工作時B盒向運動物體發(fā)出一個超聲波脈沖，這個脈沖被運動物體反射后又被B盒接收，根據(jù)發(fā)射和接收超聲波脈沖的時間差可以得到B盒與運動物體的距離.設(shè)在t1時刻發(fā)出一個超聲波脈沖，被運動物體在P位置反射后，在t2時刻B盒接收到反射回來的超聲波脈沖;在t3時刻又發(fā)出一個超聲波脈沖，被運動物體在Q位置反射后，在t4時刻B盒接收到反射回來的超聲波脈沖.已知超聲波的速度為v，請問P、Q位置對應(yīng)的時刻和坐標(biāo)、PQ對應(yīng)的位移、時間和速度？

學(xué)生：以B為坐標(biāo)原點，根據(jù)題意可得：P對應(yīng)的時刻為[t2+t12]、位置坐標(biāo)為[x1=t2-t12v]，Q對應(yīng)的時刻為[t4+t32]、位置坐標(biāo)為[x2=t4-t32v].

根據(jù)以上分析可得：PQ對應(yīng)的位移[Δx=x2-x1]，時間為[Δt=t4+t32-t2+t12].

速度大小是[v′=（t4-t3）-（t2-t1）（t4+t3）-（t2-t1）v].

（四）分析生活現(xiàn)象，培養(yǎng)物理觀念

物理觀念是指從物理學(xué)視角形成的關(guān)于物質(zhì)、運動與相互作用、能量等的基本認識，是物理概念和規(guī)律等在頭腦中的提煉與升華，是從物理學(xué)視角解釋自然現(xiàn)象和解決實際問題的基礎(chǔ).物理學(xué)來源于生活，又服務(wù)于生活.物理學(xué)家從生活中總結(jié)規(guī)律，又通過規(guī)律去解釋生活現(xiàn)象.筆者創(chuàng)設(shè)生活現(xiàn)象并提出問題，激發(fā)學(xué)生思考，引導(dǎo)學(xué)生分析，從而起到了培養(yǎng)學(xué)生物理觀念的作用.

筆者：雖然獵豹是地球陸地上跑得最快的動物，但是科學(xué)家統(tǒng)計獵豹捕食成功率只有30%左右.同學(xué)們，為什么跑得最快的獵豹，卻抓不到比它跑得慢的動物呢？

稀奇古怪的答案，讓人啼笑皆非！筆者所教的三個班，總計150多學(xué)生，竟然沒有一個學(xué)生能依據(jù)“x=vt”來思考該問題.

筆者：獵豹捕食過程，可以等效為物理什么題目？

學(xué)生：應(yīng)該與追及問題差不多吧！既然獵豹抓不到其他動物，就表示獵豹的追及位移（v1-v2）t小于獵豹與動物的位移x.因為獵豹是陸地跑得最快的動物，即有v1>v2，從x=（v1-v2）t可以推斷，只有追及時間t太少，才是獵豹抓不到其他動物的根本原因.

筆者：分析得非常好！雖然獵豹跑得最快，但持續(xù)的時間非常短（大約十幾秒），因為跑得太久，獵豹體內(nèi)會釋放大量的熱量，體溫快速升高，獵豹受不了，必須停止捕食，因此捕食成功率只有30%左右.

（五）畫出概念網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建知識結(jié)構(gòu)

在概念教學(xué)中，物理教師比較關(guān)注這個概念的縱向深度，而忽視了這個概念的橫向聯(lián)系，因此學(xué)生對這個概念在整個知識結(jié)構(gòu)中的位置、地位、作用缺乏清晰的認識，從而在解題過程中經(jīng)常用錯公式.筆者為了減少學(xué)生出現(xiàn)這樣的錯誤，在課堂教學(xué)的最后幾分鐘，都要求學(xué)生畫出概念網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建知識結(jié)構(gòu).實踐證明，學(xué)生通過繪制概念網(wǎng)絡(luò)的過程，能夠梳理知識的邏輯結(jié)構(gòu)、分辨知識的內(nèi)在聯(lián)系，有效提升學(xué)生解決問題的能力.

筆者：我們已經(jīng)學(xué)習(xí)了時刻、時間間隔、路程、位移、平均速度、瞬時速度等概念，請同學(xué)們畫出概念網(wǎng)絡(luò)圖.

學(xué)生：畫出概念網(wǎng)絡(luò)，如圖5，并對圖進行說明.

二、教學(xué)策略

（一）依據(jù)“物理思維中心論”設(shè)計過程，是落實物理核心素養(yǎng)的教學(xué)保證

所謂物理思維，就是指能用物理學(xué)的公式、定理、定律、方法、思想、實驗等來提出問題、分析問題、解決問題的思維.物理思維中心論，是指物理概念教學(xué)過程中，物理思維位于概念教學(xué)結(jié)構(gòu)圖中心，分別與生活情境、物理概念、概念本質(zhì)、創(chuàng)新實驗四個部分發(fā)生關(guān)聯(lián)，如圖6所示.首先，教師創(chuàng)設(shè)生活情境（如圖1、圖2以及表1），學(xué)生從物理思維視角，感受引入物理概念的必要性（因為要判斷運動的快慢，所以引入速度），由于情境來自生活，體現(xiàn)“物理來自生活”，拉近物理與學(xué)生之間的心理距離，能有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和求知欲望.隨后，又從物理思維的視角出發(fā)，追尋物理概念本質(zhì)，讓學(xué)生理解物理概念的內(nèi)涵、外延、條件及其背后蘊含的物理思想（如比值定義法得到的新物理量，反映了物質(zhì)的本質(zhì)屬性）.接著，設(shè)計創(chuàng)新實驗（如用運動傳感器測速原理圖），從物理思維的視角，讓學(xué)生理解新概念的測量原理、經(jīng)歷新概念的定量測定，從而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和實驗?zāi)芰?最后，根據(jù)所學(xué)的新概念，從物理思維的視角，去解釋生活現(xiàn)象（如為什么跑得最快的獵豹，卻抓不到比它跑得慢的動物呢）、分析自然規(guī)律，讓“物理回歸生活”.物理思維中心論，讓教師找到了教學(xué)的出發(fā)點和歸屬點，即生活是教學(xué)的起點、也是教學(xué)的終點，同時也讓教師找到了教學(xué)過程的著力點——物理思維，即從物理思維視角建立物理概念、理解概念本質(zhì)、設(shè)計創(chuàng)新實驗，因此，依據(jù)“物理思維中心論”設(shè)計過程，是落實物理核心素養(yǎng)的教學(xué)保證.

（二）依據(jù)“有意義學(xué)習(xí)理論”設(shè)計討論，是落實物理核心素養(yǎng)的學(xué)習(xí)保證

奧蘇貝爾的有意義學(xué)習(xí)理論，通俗地講就是指學(xué)生將正在學(xué)習(xí)的“新知識”與已經(jīng)存在的“舊知識”建立起實質(zhì)性聯(lián)系的理論.其理論指出，一切有意義學(xué)習(xí)都建立在學(xué)生“舊知識”的基礎(chǔ)上，學(xué)生要想獲得“新知識”，主要由學(xué)生認知結(jié)構(gòu)中的“舊知識”決定.[5]因此教師在教學(xué)中，要先給學(xué)生呈現(xiàn)生活材料（如圖1、圖2），激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動機，引起學(xué)生“新知識”和“舊知識”之間的聯(lián)系，將“新知識”納入到舊的認知結(jié)構(gòu)中，經(jīng)過一系列同化，最終整合成新的認知結(jié)構(gòu).為了有效地進行有意義學(xué)習(xí)，教師在教授新知識之前，必須細致了解“學(xué)生已經(jīng)知道了什么”，即學(xué)生原有的認知結(jié)構(gòu)、知識狀況、學(xué)習(xí)基礎(chǔ)、學(xué)習(xí)潛能和需求，這就是新課的教學(xué)起點.教師還要積極引導(dǎo)學(xué)生主動地把新知識與其認知結(jié)構(gòu)中原有的適當(dāng)知識加以聯(lián)系，并要運用多種方法充分揭示新舊知識的聯(lián)系和區(qū)別，幫助學(xué)生掌握和理解新知識.只有這樣，才能有效推進新舊知識的順利聯(lián)結(jié)與同化，完成新舊知識的非人為性的、實質(zhì)性的聯(lián)系，實現(xiàn)有意義學(xué)習(xí).因此，依據(jù)“有意義學(xué)習(xí)理論”設(shè)計討論，是落實物理核心素養(yǎng)的學(xué)習(xí)保證.

“雄關(guān)漫道真如鐵，而今邁步從頭越”.新課程改革任重而道遠，落實核心素養(yǎng)的課堂教學(xué)才剛剛拉開帷幕，大家都沒有經(jīng)驗，迫切需要教學(xué)示范與策略指導(dǎo).作為熱愛教研的物理教師，筆者主動承擔(dān)基于物理學(xué)科核心素養(yǎng)的概念教學(xué)實踐，并從備課與上課的真實過程中，總結(jié)出一些策略，希望可以給予大家一些啟發(fā).

參考文獻：

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