從物理核心素養(yǎng)培養(yǎng)談物理課堂情境化實(shí)驗(yàn)引入
——記第十三屆全國中學(xué)物理青年教師教學(xué)大賽反思

梁沛林

(深圳市西鄉(xiāng)中學(xué) 廣東 深圳 518102)

全國青年物理教師教學(xué)大賽是兩年一度的全國性物理教學(xué)盛事，來自全國各地的青年物理教師同臺競技，相互交流學(xué)習(xí).今年有幸作為選手參加了這一賽事，選取的課題為“劃時(shí)代的發(fā)現(xiàn)——探究產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件”.幾個(gè)月的備課讓筆者獲益頗豐.備課過程正好伴隨著2017版新課標(biāo)的頒布落實(shí)，核心素養(yǎng)的觀念逐步改變著我的教學(xué)思路.備賽階段得到了許多名師的指點(diǎn)，經(jīng)歷了數(shù)次的修改，從實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新、教具的使用、課堂環(huán)節(jié)的過渡……都有調(diào)整.

然而課堂的引入是最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，與指導(dǎo)教師們的交流中產(chǎn)生了許多思想的碰撞，教學(xué)設(shè)計(jì)經(jīng)歷了多次修改，每次修改都伴隨著對物理核心素養(yǎng)的深入認(rèn)識.

1 情境化實(shí)驗(yàn)

“情境化實(shí)驗(yàn)”，即根據(jù)學(xué)生熟悉的生產(chǎn)實(shí)踐或?qū)W習(xí)生活情境提取出與研究的物理概念或規(guī)律緊密關(guān)聯(lián)的實(shí)驗(yàn)素材，并根據(jù)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)的非常規(guī)實(shí)驗(yàn)[1].非常規(guī)實(shí)驗(yàn)是指區(qū)別于教材中的直指物理概念或規(guī)律的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn).情境化實(shí)驗(yàn)是以學(xué)生的感性認(rèn)識為起點(diǎn)，搭建的感性認(rèn)識和理性認(rèn)識間的橋梁，情境化實(shí)驗(yàn)的要點(diǎn)在于情境檢驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)聚焦，以情境還原物理真實(shí)，以實(shí)驗(yàn)聚焦物理知識.

1.1 情境化引入

物理概念或規(guī)律往往以某一生活情境的形式存儲在大腦中并以畫面的形式呈現(xiàn).例如當(dāng)人們提到圓周運(yùn)動(dòng)這一概念時(shí)，在大腦中會(huì)出現(xiàn)某一圓周運(yùn)動(dòng)的情境，或過山車豎直軌道，或賽車拐彎，或自行車車輪轉(zhuǎn)動(dòng)……圓周運(yùn)動(dòng)的概念特征和物理規(guī)律就依附在這些情境中.經(jīng)過專門訓(xùn)練的人能夠從過山車運(yùn)動(dòng)中聯(lián)系到圓周運(yùn)動(dòng)的線速度、角速度、向心加速度、向心力、離心運(yùn)動(dòng)等物理概念.

教學(xué)中如果能夠以某一實(shí)際情境引入，幫助學(xué)生建立情境與概念或規(guī)律之間的聯(lián)系，那么學(xué)生就能夠建立以情境為依托的系統(tǒng)化的概念體系，既縮短了概念建立的邏輯鏈[1]，又能夠?qū)崿F(xiàn)概念的系統(tǒng)化、模塊化.因此創(chuàng)設(shè)情境進(jìn)行教學(xué)，對培養(yǎng)學(xué)生的物理觀念具有關(guān)鍵的作用.《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》對情境的創(chuàng)設(shè)描述如下：“構(gòu)建新的物理概念，必須在客觀情境中概括事物的共同屬性，抽象事物的本質(zhì)特征.物理規(guī)律的構(gòu)建則需要讓學(xué)生從情境中發(fā)現(xiàn)和提煉問題，進(jìn)而對問題提出猜想，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，處理實(shí)驗(yàn)獲得數(shù)據(jù)，再通過真實(shí)情境檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的結(jié)論.”[2]因此情境化的引入是新課程標(biāo)準(zhǔn)的要求，也是物理核心素養(yǎng)理念的體現(xiàn).

從創(chuàng)設(shè)情境的內(nèi)容看需要考慮如下3方面因素：學(xué)生對情境的熟悉程度、情境的真實(shí)性、情境與教學(xué)主題的關(guān)聯(lián)度，具體分類如圖1所示.

圖1 創(chuàng)設(shè)情境的內(nèi)容

(1)熟悉度：情境的構(gòu)建應(yīng)盡可能取材學(xué)生熟悉的素材，最好以學(xué)習(xí)生活或者生產(chǎn)實(shí)踐中的常見事物作為素材.例如作用力與反作用力可以選取鼓掌這一常見的情境引入.熟悉的情境已經(jīng)在頭腦中根深蒂固，畫面感很強(qiáng)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步學(xué)習(xí)能夠大大降低情境代入的難度.從熟悉的情境出發(fā)學(xué)習(xí)物理概念和規(guī)律有利于形成理論和實(shí)踐的關(guān)聯(lián)，培養(yǎng)學(xué)生觀察身邊事物，提煉物理概念、規(guī)律的能力和素養(yǎng).

(2)真實(shí)性：引入的情境盡可能是原始的生活實(shí)踐情境，而不是經(jīng)過抽象或加工的實(shí)驗(yàn)情境或模型情境.原始情境指生產(chǎn)實(shí)踐或?qū)W習(xí)生活中的真實(shí)畫面，包含了巨大的信息量.而實(shí)驗(yàn)情境則聚焦物理知識，忽略了物理知識與生產(chǎn)實(shí)踐、學(xué)習(xí)生活的關(guān)聯(lián).模型情境進(jìn)一步把實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的摩擦損耗、熱損耗、形狀、大小等因素都忽略，只保留了核心的物理信息.其蘊(yùn)含的信息量進(jìn)一步壓縮，如圖2所示.

圖2 信息量比較

例如風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電過程是電磁感應(yīng)現(xiàn)象的真實(shí)應(yīng)用，其發(fā)電的情境包含了許多信息，部分信息或許與要研究的物理問題無關(guān)，但這些信息并不是可有可無的，學(xué)生需要體驗(yàn)從真實(shí)的物理情境中排除次要因素的干擾，提取有用信息，進(jìn)而把原始情境轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)情境和模型情境的過程.這個(gè)過程是學(xué)生學(xué)習(xí)不可或缺的一部分，也是培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié).如果直接從直指物理規(guī)律的實(shí)驗(yàn)情境或模型情境出發(fā)，忽略了從真實(shí)情境中抽象和簡化的過程，久而久之學(xué)生的思維會(huì)片面化或脫離實(shí)際.

(3)設(shè)疑：從情境中提取與課題學(xué)習(xí)關(guān)聯(lián)的因素，并設(shè)置疑問，作為課堂學(xué)習(xí)的線索.設(shè)疑可以分為應(yīng)用設(shè)疑和解釋設(shè)疑，展示實(shí)際應(yīng)用的事物引出其運(yùn)用的物理原理，或者根據(jù)一個(gè)物理現(xiàn)象運(yùn)用物理原理進(jìn)行解釋.設(shè)疑是課堂引入的重要環(huán)節(jié)，它回答了“為什么要學(xué)”的問題.相反，如果把順序顛倒，先講解知識或規(guī)律，然后把所學(xué)的內(nèi)容應(yīng)用于解釋或者解決實(shí)際問題，雖然同樣是解決了實(shí)際問題，但忽略了學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī).學(xué)生不知道為什么而學(xué)，就像在黑暗中摸索，全靠教師帶領(lǐng)，無法以主人公的角色完整經(jīng)歷概念或規(guī)律的探究過程，也無法從整體上把握知識間的聯(lián)系.這不利于學(xué)生物理觀念的形成以及科學(xué)思維、科學(xué)探究素養(yǎng)的培養(yǎng)，也不利于調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性.

1.2 體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)

如果要向一個(gè)沒有吃過蘋果的人介紹蘋果的味道，那最好的辦法就是讓他親自嘗一口.相反，如果離開了體驗(yàn)，無論你多么善于表達(dá)，都無法僅通過語言說明蘋果的味道.一方面是因?yàn)樘N(yùn)含在蘋果味道中的信息量非常巨大，果香、口感、甜度以及它們的搭配等一系列信息根本無法用言語表達(dá)清楚.另一方面是因?yàn)槿伺c人之間的感官體驗(yàn)是有差異的，同一個(gè)蘋果，甲覺得很好吃，但是乙可能覺得酸.要向沒有任何感官體驗(yàn)的學(xué)生講明白一個(gè)物理概念或物理規(guī)律也會(huì)遇到同樣的困境.人們對物理規(guī)律雖然有共識，但是學(xué)生之間是存在課堂環(huán)境的感知差異的，學(xué)生是感知的主體也是學(xué)習(xí)的主體.是學(xué)生自己學(xué)會(huì)物理，而不是教師教會(huì)了物理.教師的職責(zé)是給學(xué)生提供學(xué)習(xí)的素材和學(xué)習(xí)方法的示范.只有通過學(xué)生本人的感官體驗(yàn)才能收集到既全面同時(shí)又個(gè)性化的信息，進(jìn)而進(jìn)行有效的學(xué)習(xí).

其次，體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)的目的是通過感官體驗(yàn)與需要闡述的物理概念或者物理規(guī)律建立聯(lián)系.感官體驗(yàn)一方面增強(qiáng)了情境的畫面感，另一方面成為概念或規(guī)律記憶的觸發(fā)點(diǎn).學(xué)生獲得感官體驗(yàn)的形式很多，包括閱讀(語言描述、閱讀資料)、觀察(觀看圖片或者視頻)、實(shí)驗(yàn)(教師演示實(shí)驗(yàn)、學(xué)生上臺演示實(shí)驗(yàn)、學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)或游戲)，這些體驗(yàn)活動(dòng)形式蘊(yùn)含的信息量是逐步遞增的，其體驗(yàn)效果也是逐步遞增的，如圖3所示.

圖3 感官體驗(yàn)效果

體驗(yàn)互動(dòng)的信息量越大，則建立的情境就越豐滿，越容易形成長久的記憶.從建立體驗(yàn)效果角度看，現(xiàn)場分組實(shí)驗(yàn)或游戲是最為有效的.

而感官體驗(yàn)根據(jù)接受的器官又可以分為：視覺、聽覺、味覺、觸覺和嗅覺.感官體驗(yàn)的種類越豐富，建立的情境畫面就會(huì)越深刻.例如把鮮花帶到課堂中，既可以讓學(xué)生觀察鮮花的顏色和外形，同時(shí)也能夠聞到鮮花的芳香，再以此引入擴(kuò)散現(xiàn)象能夠給學(xué)生帶來飽滿的畫質(zhì)感，其建立的體驗(yàn)也會(huì)更難忘.其次越是新鮮的體驗(yàn)越能留下深刻的印象.

例如學(xué)生看到之前沒有接觸過的現(xiàn)象會(huì)比看見常見的事物更有興趣.引入設(shè)計(jì)越是新鮮，越能吸引學(xué)生，得到的體驗(yàn)效果就會(huì)越好.感官實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)如圖4所示.

圖4 感官實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2 情境化實(shí)驗(yàn)引入的應(yīng)用

全青賽中筆者選取的課題為“劃時(shí)代的發(fā)現(xiàn)——探究產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件”，本課是一節(jié)實(shí)驗(yàn)探究課，根據(jù)“情境化實(shí)驗(yàn)”的思路，在備課過程中筆者設(shè)計(jì)了4個(gè)不同的方案，如表1所示.

表1 筆者設(shè)計(jì)的4個(gè)不同的方案

表1中列舉了4種引入方案在情境和體驗(yàn)兩項(xiàng)核心要點(diǎn)中達(dá)成的情況，并以情境化實(shí)驗(yàn)的效果標(biāo)準(zhǔn)對4個(gè)方案進(jìn)行簡要的評價(jià)，如表2所示.

4個(gè)方案各有優(yōu)勢，從情境設(shè)置中素材的熟悉程度看，方案一使用的手機(jī)和音響都符合貼近生活的特點(diǎn)，學(xué)生對這些素材都很熟悉，而且對這些熟悉事物的新應(yīng)用感覺到好奇.但是方案一通過變壓器傳遞音樂信號，學(xué)生先得理解音樂信號在音響中是通過電信號傳遞的，音量、音頻變化都是通過電流控制的.另外，變壓器的概念學(xué)生還沒有建立，需要向?qū)W生講解變壓器的結(jié)構(gòu)，這個(gè)過程顯得邏輯鏈過長，對研究的主題聚焦不足，從設(shè)疑角度看就是設(shè)疑不能直指電流產(chǎn)生的核心問題.從建立物理情境角度看方案一中的手機(jī)播放音樂顯得不夠自然，有點(diǎn)為實(shí)驗(yàn)而實(shí)驗(yàn)，并不是真實(shí)的情境，效果上自然有欠缺.從體驗(yàn)角度看方案一是比較新穎的，信號能夠從兩個(gè)不相互接觸的線圈之間傳遞，通過音響播放，能夠給學(xué)生留下深刻的聽覺體驗(yàn).加上使用的是學(xué)生非常熟悉的手機(jī)和音響展示，既降低了學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)素材的難度，又增加了課堂的親和力.

方案二的風(fēng)力發(fā)電機(jī)是真實(shí)情境，也是真實(shí)應(yīng)用，是實(shí)際生產(chǎn)中的真實(shí)物品，在電磁感應(yīng)現(xiàn)象的應(yīng)用中具有典型性.但是該情境距離學(xué)生生活比較遙遠(yuǎn)，學(xué)生對發(fā)電機(jī)往往不了解，大多數(shù)沒有接觸過，代入情境比較困難.但是發(fā)電機(jī)點(diǎn)亮燈泡產(chǎn)生的視覺效果新穎能夠留下深刻的感官體驗(yàn).

方案三和方案四都是使用學(xué)生熟悉的小風(fēng)扇引入，從建立情境的角度看方案三通過視頻設(shè)置的情境更加生動(dòng)，但是視頻引入缺乏感官體驗(yàn).而方案四則是通過真實(shí)的觸電體驗(yàn)引入，直指電流如何產(chǎn)生這一核心問題，設(shè)疑簡潔、新穎且深刻.學(xué)生都知道通電后小風(fēng)扇會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，從轉(zhuǎn)動(dòng)的小風(fēng)扇能夠發(fā)電的角度引入電磁感應(yīng)現(xiàn)象，則能夠激起思維碰撞，并啟發(fā)學(xué)生從不同角度觀察生活中的事物.從體驗(yàn)角度看同時(shí)兼顧觸覺和視覺(小燈泡發(fā)光)兩種感官，圍繞著電流產(chǎn)生這個(gè)主題形成深刻的體驗(yàn).個(gè)別學(xué)生課后反映“風(fēng)扇觸電”是他體驗(yàn)最深刻的一個(gè)物理環(huán)節(jié).加上方案四引入后結(jié)合后面展示風(fēng)力發(fā)電機(jī)的環(huán)節(jié)能夠起到首尾呼應(yīng)的效果，綜合“情境化實(shí)驗(yàn)”引入的各要素考慮，最終選擇了方案四作為比賽的引入方案.

賽后根據(jù)情境化實(shí)驗(yàn)引入的思路觀看了全青賽的其他教學(xué)引入，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)比賽選手都采用了符合情境化實(shí)驗(yàn)要點(diǎn)的引入方式，并取得很好的效果.

表2 4個(gè)方案進(jìn)行簡要的評價(jià)