基于物理核心素養(yǎng)的教學案例研究
——以“固體”教學為例

許衛(wèi)國

(江蘇省錫山高級中學，江蘇 無錫 214174)

《普通高中物理課程標準(2017年版)》基于中學物理的本質(zhì)特征,凝練并明確提出了物理學科核心素養(yǎng)．它不僅集中體現(xiàn)了物理學科獨特的育人價值,而且明確了通過物理學習后學生應(yīng)達成的正確價值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力．物理學科核心素養(yǎng)是對知識與技能、過程與方法、情感態(tài)度價值觀三維目標進行整合與凝煉而形成的,因此,教學過程中落實培養(yǎng)學生物理學科核心素養(yǎng)的任務(wù),就必須基于具體的教學內(nèi)容,充分挖掘教學內(nèi)容中蘊含的核心素養(yǎng)要素及培育的生長點,創(chuàng)設(shè)物理學習情境,引導(dǎo)學生經(jīng)歷科學探究、科學思維等真正的學習過程．本文以“固體”一節(jié)的教學為例,結(jié)合自己的教學實踐,就關(guān)注物理觀念、引導(dǎo)科學探究和驅(qū)動科學思維等進行探討．

1 深化知識理解,關(guān)注物理觀念

2017版新課標把物理觀念置于物理學科核心素養(yǎng)之首,足以表明物理觀念對學生終生發(fā)展的重要性．從《標準》對物理觀念的界定中我們可以看到,物理概念、規(guī)律是物理觀念的基礎(chǔ),把握住了概念和規(guī)律,就把握住了物理觀念的主體．這就要求我們在教學過程中明確目標,重視知識的形成過程,幫助學生內(nèi)化知識、深化理解,形成正確觀念．

在“固體”一節(jié)中關(guān)于物理觀念、教學目標和教學策略可以設(shè)計如表1所示.

表1

續(xù)表

2 創(chuàng)設(shè)問題情境,引導(dǎo)科學探究

“科學探究”是指基于觀察和實驗提出物理問題、形成猜想和假設(shè)、設(shè)計實驗與制訂方案、獲取和處理信息、基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋,以及對科學探究過程和結(jié)果進行交流、評估、反思的能力．實驗與探究奠定了物理學的實證基礎(chǔ),也是形成學生“用實驗驗證假設(shè),用數(shù)據(jù)表達結(jié)論”的良好科學探究素養(yǎng)的實踐基礎(chǔ)．教師在教學設(shè)計時應(yīng)根據(jù)教學內(nèi)容考慮落實科學探究,使其潤物無聲般進入到學生的物理學習中去．

在“固體”的教學中,晶體的各向異性和非晶體的各向同性是教學重點也是教學難點．2003版課標人教版教材和2017版課標人教版教材在內(nèi)容上都安排了實驗,這部分內(nèi)容適合培養(yǎng)學生實驗探究素養(yǎng),因此把教學目標設(shè)計為:通過實驗,學生能看到晶體在物理性質(zhì)上具體各向異性．如何安排才能更有利于學生實驗探究素養(yǎng)的提升呢?

按照培養(yǎng)學生科學探究素養(yǎng)的要求,從“實驗?zāi)康摹⒉僮鬟^程、觀察記錄處理實驗數(shù)據(jù)得出結(jié)論、實驗評價”等科學實驗要素用問題情景引導(dǎo)學生進行實驗設(shè)計:

(1) 實驗?zāi)康氖鞘裁?

(2) 如何設(shè)計實驗方案才能外顯玻璃和云母的導(dǎo)熱性能?

(3) 能根據(jù)什么現(xiàn)象得出怎樣的結(jié)論?

(4) 影響實驗現(xiàn)象的因素有哪些?

問題(2)和問題(4)比較有挑戰(zhàn)性,培養(yǎng)的是學生設(shè)計、制訂實驗方案和對科學探究反思的能力．教學實踐證明:在特定的教學情境里,學生的思維是發(fā)散的,甚至是教師始料未及的．對于問題(2)有的學生提出了用溫度傳感器來感測不同方向的傳導(dǎo)熱量;有的學生說能否找到一種物質(zhì),熱量傳導(dǎo)所到之處其顏色發(fā)生變化?多數(shù)學生提出的是用石蠟熔化的方法.這也許學生有這方面的生活經(jīng)驗,也許是看了課本才有的想法．對于問題(4)多數(shù)學生意識到石蠟涂抹得一定要均勻,但在實驗操作中如何才能將石蠟均勻地涂在玻璃片和云母片上呢?由于學生沒有實踐經(jīng)驗而回答不出來,根據(jù)筆者在實驗室的反復(fù)摸索得出的竅門是:把融化到冒煙的石蠟倒在用石棉網(wǎng)預(yù)熱的玻璃片或云母片上,并迅速抖動即可獲得．有的學生問道:如何才能獲得單晶體的云母片?這確實是實驗成敗的關(guān)鍵問題,在網(wǎng)上購得的云母片多是多晶體,筆者向?qū)W生介紹了獲取石墨烯方法,學生用封箱的寬膠帶把多層云母片粘成單晶云母片．也有學生問:對電烙鐵有要求嗎?經(jīng)過討論學生們認為:為了使石蠟迅速融化,其功率應(yīng)該有一定的要求．另外,為了熱源均勻,本實驗使用的是尖形烙鐵頭,其尖端細小,可理想化為點熱源．為了避免電烙鐵非尖端熱量對石蠟的烘烤,可在薄木片上鉆一略大于尖形烙鐵頭的小孔,讓烙鐵頭通過小孔接觸玻璃片或云母片的背面(實驗裝置如圖1)．

圖1

經(jīng)過以上問題的思考與討論,學生對此實驗理解得比較透徹,大多數(shù)小組觀察到了明顯的實驗現(xiàn)象(如圖2),得到了云母晶體在導(dǎo)熱性能上的各向異性和非晶體玻璃在導(dǎo)熱性能上的各向同性的正確結(jié)論．

圖2

3 巧設(shè)疑難問題,驅(qū)動科學思維

“科學思維”是從物理學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)理想模型的抽象概括過程;是分析綜合、推理論證等方法在科學領(lǐng)域得具體運用;是基于事實證據(jù)和科學推理對不同觀點和結(jié)論提出質(zhì)疑和批判,進行檢驗和修正,進而提出創(chuàng)造性見解的能力與品格．“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．科學思維是從認知方式和過程的維度對學生的物理核心素養(yǎng)提出的要求．

在固體性質(zhì)的微觀解釋教學中,需要建構(gòu)微觀模型、要運用到科學推理、科學論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等諸多科學思維要素.這是學生思維能力的體現(xiàn)所在,也是學生核心素養(yǎng)培養(yǎng)的必經(jīng)過程．筆者設(shè)計了以下幾個問題來引導(dǎo)學生思維的進階.

(1) 宏觀與微觀結(jié)合是因果分析的基本方法,也是人們探索客觀世界常用方法,你能從學過的知識中列舉幾例嗎?

經(jīng)過思考和小組討論,學生基本能舉出所學實例:電阻的微觀解釋、電流的微觀表達式、壓強的微觀解釋、安培力與洛倫茲力、渦旋電場等等．通過以上實例的回顧,學生在宏觀層面進行感性認識,在微觀層面進行理性認識,建立了宏觀與微觀的聯(lián)系,體悟了“宏微結(jié)合”在物理學習中的重要性,理解了“微觀結(jié)構(gòu)決定宏觀性質(zhì)”的思想,為后續(xù)問題的思考引導(dǎo)了方向．

(2) 如圖3表示一個平面上單晶體物質(zhì)微粒排列的情況,請你觀察沿不同方向相同長度上的物質(zhì)微粒的數(shù)目是否相同?思考晶體為什么具有物理性質(zhì)的各向異性?你能據(jù)此解釋多晶體和非晶體的各向同性嗎？

圖3

(3) 如圖4表示巖鹽(鹽礦中開采的NaCl)晶體的平面結(jié)構(gòu):實心點為氯離子,空心點為鈉離子,如果把它們用直線連起來,將構(gòu)成一系列大小相同的正方形,作分界線AA1,使它平行于正方形的對角線, 作分界線BB1,使它平行于正方形的一邊．在兩線的左側(cè)各取一個鈉離子M和N,分別以M、N為圓心,作兩個相同的扇形,不考慮扇形以外遠處離子的作用,用F表示兩個相鄰離子之間引力的大小,M、N所受扇形范圍內(nèi)的正負離子對它作用力的合力是F的多少倍?(為使問題簡化,設(shè)所有離子都是質(zhì)點,而且它們之間的相互作用遵從“平方反比”規(guī)律．)根據(jù)計算結(jié)果解釋:為什么敲碎的巖鹽總是呈立方形狀,而不會沿圖中AA1分界線斷開?[2]

圖4

(4) 食鹽晶體的結(jié)構(gòu)可以用鈉離子和氯離子空間分布晶體結(jié)構(gòu)圖表示(圖5),圖中相鄰離子的中心用線連起來了,組成了一個個大小相等的立方體．現(xiàn)在要估算相鄰兩個鈉離子中心的距離,除了知道食鹽的密度ρ外,還要知道哪些數(shù)據(jù)?請用字母表示這些已知數(shù)據(jù),推導(dǎo)出相鄰兩個鈉離子中心距離的表達式．(提示:圖中最小立方體的個數(shù)與離子數(shù)目相等．)[2]

圖5

(5) 從石墨烯的六邊形的晶格結(jié)構(gòu)(如圖6),你能推知它具有哪些物理性質(zhì)?

圖6

力學特性:是目前人類已知的強度最高的物質(zhì)之一．強度比世界上最好的鋼鐵還要高百倍之多．具有很好的韌性,可彎曲．

電學特性: 電子在石墨烯中“奔跑”的速率(即遷移率)比在硅材料中高出數(shù)十倍甚至上百倍,這有利于進一步提高計算機處理器的運算速率．

熱學、光學特性:薄,導(dǎo)熱系數(shù)高;透光性好,單層石墨烯透光率高達97.7%.[2]

以上通過“固體”一節(jié)的3個教學維度與物理核心素養(yǎng)的結(jié)合分析,例說了如何在物理學科教學中落實和踐行核心素養(yǎng)．站在新課標、新教材、新高考的起點,理性分析教材,創(chuàng)造適合的問題情境,尋找到與物理核心素養(yǎng)的結(jié)合點,努力探索在課堂教學中落實核心素養(yǎng)的方法和途徑．