基于核心素養(yǎng)的高中物理教學標準編寫初探

石睿 林立燦

摘 ?要：文章嘗試在課程標準與課堂教學之間搭建一座“教學標準”的橋梁，用以規(guī)范和強化物理課堂的學科教學效果，課程標準是宏觀的，對日常教學的指導是高屋建瓴的，教學標準則是微觀的，對日常教學的指導是體貼入微的。文章以“自感”這節(jié)課的幾個教學片段為例，來探討在課堂教學中核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，初探教學標準的編寫。

關(guān)鍵詞：自感;物理教學標準;物理核心素養(yǎng)

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ?文章編號：1003-6148（2019）11-0004-4

在信息時代的要求下，對公民教育的要求在不斷變更，“核心素養(yǎng)（key competencies）”已成為各國教育近十年來發(fā)展的支柱性理念。由于物理學本身的特性，它對學生自然觀、世界觀、思維方法和思想方法的形成具有直接而重要的作用。所以，物理教育不能只停留在知識傳授、定律應用這個層面，而且要義不容辭地擔負起提高學生科學素養(yǎng)的責任。在我國2017年版的《普通高中物理課程標準》中，明確指出物理學科核心素養(yǎng)由物理觀念、科學思維、科學探究、科學態(tài)度與責任四個要素組成。

如何在物理課堂中體現(xiàn)物理學科教育的功能？如何在日常教學中落實物理學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)？是否可以在課程標準與課堂教學之間搭建一座“教學標準”的橋梁用以規(guī)范和強化物理課堂的學科教學效果？如果說課程標準是宏觀的，對日常教學的指導是高屋建瓴的，那么教學標準則是微觀的，對日常教學的指導是體貼入微的。本文試以“自感”這節(jié)課的幾個教學片段為例，來探討在課堂教學中核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，初探教學標準的編寫。

1 ? ?靈活滲透物理學史，培養(yǎng)科學態(tài)度與責任感

物理學史記錄了人類物理學科進展的過程，而物理課堂中我們要把幾十年甚至幾百年來物理學科的進展?jié)饪s在一節(jié)課或者幾節(jié)課中。課堂上學生物理思維的發(fā)展與歷史上物理學科的進展有許多相似的地方，物理學史的適當滲透有助于發(fā)展學生的科學思維。另外，讓學生知曉許多物理學家對科學研究的執(zhí)著、對名利的淡泊，有利于培養(yǎng)學生的科學態(tài)度與責任。

教學片段1（結(jié)合歷史實驗導入）：圍繞自感現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)者約瑟夫·亨利的事跡展開課程，設計實驗模擬歷史情境，充分發(fā)揮物理學史在課堂中的積極作用。

師：誰發(fā)現(xiàn)了電磁感應現(xiàn)象？

生：法拉第。

師：1831年，法拉第屢遭失敗后終于發(fā)現(xiàn)了電磁感應現(xiàn)象。但其實還有一個人也獨立發(fā)現(xiàn)了磁生電的現(xiàn)象，甚至發(fā)現(xiàn)的時間比法拉第還早一年。他就是美國的科學家約瑟夫·亨利，被稱為美國科學大廈的奠基人。亨利因種種原因沒有及時發(fā)表他的研究成果，故發(fā)現(xiàn)電磁感應現(xiàn)象的優(yōu)先權(quán)最后屬于法拉第。

（1）介紹亨利生平與其對電磁鐵的研究和改進

亨利家境貧寒，在半工半讀中完成了學業(yè)，成為美國奧爾巴尼學院的數(shù)學和物理學教授。為改良課堂上有關(guān)電和磁的演示實驗效果，亨利決定改進當時的電磁鐵。由于沒有現(xiàn)成的絕緣導線來制作電磁鐵，亨利往往要用好多個夜晚來繞制絕緣導線。1831年，耶魯大學請亨利制作一臺大型電磁鐵。亨利用盡了他手頭所有的絲線和綢布也沒有把絕緣金屬線纏繞完，最后扯掉了他妻子心愛的裙子，才使最后一段導線絕緣。

經(jīng)由亨利改進的電磁鐵可以提起1600公斤的重物，這在當時的歷史環(huán)境下是非常了不起的。改進電磁鐵對電磁感應現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)和電磁電報的發(fā)明有著決定性的意義，它大大增加了感應電流的強度，使人們有可能覺察到感應電流的存在。法拉第就是在亨利改進的電磁鐵基礎上，用絕緣導線制成了著名的感應圈。

（2）介紹亨利關(guān)于斷電自感的實驗

1837年，亨利應邀觀看英園皇家研究院里的實驗。當時幾位英國的一流科學家法拉第、惠斯通、丹聶爾等人正試圖從溫差電堆里引出電火花。他們拿起和溫差電堆連接的兩根導線， 把它們的端部在一起不停摩擦。但無論怎么摩擦，導線末端也沒有產(chǎn)生火花。他們泄氣了， 覺得電堆產(chǎn)生的電流太小， 不足以引起火花。

最后， 法拉第希望亨利也來試一試。只見亨利把一根長導線在手指上繞成密集的螺線，又在螺線里面插進一根軟鐵棒，然后把它們安到線路中去。當他把兩根導線的端部在一起摩擦時，明亮的火花出現(xiàn)了。

（3）模擬亨利的實驗，發(fā)現(xiàn)自感現(xiàn)象

演示實驗1：

師：我們也模擬一下當時的情景，使用兩節(jié)9 V的鋅錳電池作電源，可以看到由于電壓太低電路兩端之間并沒有電火花產(chǎn)生。當電路斷開時，斷開端之間的電壓等于電源電動勢，遠小于擊穿電壓（空氣擊穿電壓一般為3 kV/mm）。

如圖1所示，在電路中串聯(lián)一個線圈，電路兩端逐漸靠近，有異常嗎？

生：沒有！

師：但是把電路兩端接觸再斷開，（演示）在電路斷開瞬間出現(xiàn)了明顯的電火花。

這說明增加一個線圈使電路斷開的瞬間，電路兩端間的電壓大大增加。多出來的這部分電壓是哪里來的？

提問1：電路始終保持斷開時，有火花嗎？

生：沒有。

提問2：電路閉合再斷開時，有火花。二者的區(qū)別在哪里？

生：電路中的電流有變化。

提問3：這說明了什么？

生：這個電壓是在電流變化過程中出現(xiàn)的。

師：感應電動勢也是在電流變化的過程中出現(xiàn)的。這個現(xiàn)象可能也屬于一種電磁感應現(xiàn)象。

2 ? ?促進認知整合，使用科學推理，培養(yǎng)科學思維

中學物理是以為數(shù)不多的核心概念和規(guī)律為主干知識構(gòu)成的完整體系，物理知識本身具有關(guān)聯(lián)性、層級性和系統(tǒng)性。

學生之所以覺得物理難學，主要原因之一是學生無法把所獲得的概念、規(guī)律和方法建立聯(lián)系，在他們的頭腦中這些都是孤立的存在。而隨著教學的深入，學習內(nèi)容的增加，學生無法自如地調(diào)用所學的知識解決日漸復雜的問題，就會覺得物理學習越來越困難。

在物理教學中除了關(guān)注概念的獲得、規(guī)律的形成外，還應該有意識地引導學生逐步實現(xiàn)認知整合，有效排布、梳理知識，由點到線，由線到面，形成完整的知識體系。

這種科學思維的方式，不僅適用于物理學習，也是學生認知世界所需要的。

教學片段2：整理已學習過的互感現(xiàn)象內(nèi)容，與本節(jié)課的新內(nèi)容對比。梳理舊知識，為了解新知識做好準備

師：（回顧電磁感應現(xiàn)象）如圖2所示，我們熟悉的電磁感應現(xiàn)象是：閉合或斷開線圈A的開關(guān)時，線圈A的電流變化引起線圈B中磁通量變化，使得線圈B中出現(xiàn)感應電動勢與感應電流。感應電流的效果是——

生：阻礙引起感應電流的磁通量的變化。

師：如果只有一個線圈。斷開電路瞬間，線圈中電流變化引起線圈磁通量變化，是否也會引起感應電動勢？

如果有感應電動勢，這個電動勢引起的感應電流是不是也會起到阻礙的效果？

僅靠一個實驗是無法得出可靠的結(jié)論的，讓我們再做幾個實驗。

“科學思維”主要包括模型建構(gòu)、科學推理、科學論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素。其中，科學推理包括以下幾個方面：分析與綜合、守恒、猜想與假設、圖示與圖像、等效、對稱、分割與積累、歸納與演繹、類比、求異、數(shù)學物理方法等。

在物理課堂教學過程中，教師有意識地交叉使用各種科學推理方法，以達到發(fā)展學生科學思維的目的。

教學片段3（通電自感分析）：從分析直觀的實驗現(xiàn)象（電燈亮暗），到描繪I-t圖線，最后通過問題串引導學生逐漸總結(jié)出結(jié)論，在此過程中運用了分析與綜合、圖示與圖像、類比、求異、歸納與演繹等科學推理方法。

（1）演示與分析實驗

演示實驗2：

如圖3所示，兩個燈泡分別與電阻箱串聯(lián)后并聯(lián)在電源兩端，閉合開關(guān)，兩燈同時亮，斷開開關(guān)則同時暗。把電阻換成線圈（1400匝），閉合開關(guān)，L2先亮，L1后亮，斷開開關(guān)，同時變暗。把線圈與電阻箱位置對調(diào)，效果一樣。

師：觀察到什么現(xiàn)象？

生：當燈泡與線圈串聯(lián)在一起，它就比另一盞燈泡亮得慢。

師：當開關(guān)閉合，小燈泡由暗變亮反映了哪個物理量的變化？

生：流過它的電流增大。也就是L2的電流先增大，L1的電流后增大。

師： L1與線圈是串聯(lián)的關(guān)系。流過L1的電流就是流過線圈的電流。可知開關(guān)閉合后流過線圈的電流較另一支路的電流增加得更為緩慢。

（2）畫I-t圖線（圖4）

師：能否用I-t圖線來粗略地描繪開關(guān)閉合后流過兩支路的電流隨時間變化的關(guān)系？（請學生作圖）

師：是否如此，我們可以用什么工具驗證？

生：電流傳感器。

師：（演示）看到什么現(xiàn)象？

生：相比于I2，I1緩慢增大。

（3）現(xiàn)象解釋

提問1：閉合開關(guān)時，通過線圈的電流變化了嗎？

生：變化了，電流增大。

提問2：線圈的磁通量有變化嗎？

生：有，磁場增強，磁通量變大。

提問3：從實驗中我們看到線圈所在支路的電流相比于另一支路增大得慢，說明電流增大過程中受到了什么？

生：阻礙的作用。

師：說明線圈中出現(xiàn)了感應電動勢，而感應電動勢引起的感應電流阻礙磁通量的增加。故感應電流與電源引起的電流反向使總電流并不是一下子增大。

提問4：這個感應電流有沒有一直抵抗下去？

生：沒有。

師：作用了一段時間后，它就失去了“戰(zhàn)斗力”。這個時間的長短與電路及線圈的性質(zhì)有關(guān)。

線圈中感應電動勢是由于線圈自身電流變化而引起的，這種感應電動勢稱為自感電動勢。而這種電磁感應現(xiàn)象稱為自感現(xiàn)象。

師：在沒有線圈的那個支路，自感電動勢很小或者為零，所以電流增加得快。但與其他電磁感應現(xiàn)象一樣，自感現(xiàn)象只是阻礙而非阻止。

3 ? ?切換思考角度，鞏固物理觀念

“物理觀念”指學生通過物理學習，在深入理解物理學科特征的基礎上所獲得的對物理的概括性認識，主要包括物質(zhì)觀念、運動觀念、相互作用觀念、能量觀念及其應用等要素。

隨著歲月的流逝，物理學研究的事實和結(jié)論會被學生忘記，但通過具體物理知識的學習凝練而成的物理觀點、思想和方法即物理觀念卻植根于學生頭腦中，時刻影響著他們的思維習慣和行為習慣。

教學片段4（斷電自感中燈泡閃亮現(xiàn)象分析）： 從能量觀念、運動觀念的高度理解自感現(xiàn)象。

演示實驗3：

如圖5所示，閉合開關(guān)，燈泡亮，發(fā)光二極管不亮。斷開開關(guān)，發(fā)光二極管亮，燈泡閃亮后緩慢熄滅。

師：斷開與電源的連接后，燈泡仍然閃亮，這個現(xiàn)象是否違背了能量守恒？

生：不違背。

師：閉合開關(guān)時，線圈中電流增加，建立了磁場，儲存了磁場能。斷開開關(guān)后，線圈中的電流逐漸減小，線圈中儲存的磁場能逐漸釋放出來。

師：不論是斷電自感現(xiàn)象還是通電自感現(xiàn)象，由于自感電動勢的存在，使得線圈所在支路電流不能立即變化，而是從原值開始逐漸變化，這種現(xiàn)象有點像力學中的慣性現(xiàn)象，因此自感現(xiàn)象也稱為“電磁慣性”。

教學片段5（推導自感電動勢定量表達式）：聯(lián)系已學知識，推導定量物理規(guī)律。

師：自感電動勢大小如何定量表示？

L為自感系數(shù)，它的數(shù)值與線圈的大小、形狀和匝數(shù)有關(guān)，有鐵芯的線圈的自感系數(shù)L比空氣線圈大得多。自感系數(shù)的單位以“亨利”命名正是為了紀念約瑟夫·亨利。

一節(jié)四十五分鐘的物理課所承載的學科教育功能是豐富的，同時也是有限的?！白愿小边@節(jié)課的教學要素如表1所示。

不同的老師對同一課題可能選取不同的演示實驗或者不同的數(shù)據(jù)處理工具等，但是以“自感”這節(jié)課為例，只要抓住這八個環(huán)節(jié)，相信這一節(jié)課的學科教育功能可以基本實現(xiàn)，對核心素養(yǎng)的培養(yǎng)也能得到落實。我們可以把表1中左側(cè)的八個環(huán)節(jié)歸納為“自感”這節(jié)課的教學標準。

物理學科對學生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，只有通過概念課、規(guī)律課、實驗課、習題課等不同類型、不同內(nèi)容的課程才可能得以完整實現(xiàn)。如果可以對這些課程中一些重要的課題進行研究并羅列相應的教學標準，相信對培養(yǎng)學生核心素養(yǎng)的達成有著實際的意義。

參考文獻：

[1]解道華.約瑟夫·亨利——為美國科學大廈奠基的人[J].自然辯證法通訊，1989（5）：72-76.

[2]郭玉英.中學物理教學設計[M].北京：高等教育出版社，2016.

（欄目編輯 ? ?趙保鋼）