基于核心素養(yǎng)的高中物理情境化教學(xué)設(shè)計(jì)
——以“高空拋物”情境教學(xué)片段為例

文∣譚海蘭 袁勇

新一輪課程改革強(qiáng)調(diào)通過(guò)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)來(lái)突出學(xué)科的育人價(jià)值?！镀胀ǜ咧形锢碚n程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》提出了物理學(xué)科核心素養(yǎng)包含“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”四個(gè)方面。其中科學(xué)思維又包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新四個(gè)要素。[1]課程標(biāo)準(zhǔn)在教學(xué)建議中指出，“創(chuàng)設(shè)情境進(jìn)行物理教學(xué)，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)具有關(guān)鍵作用”。因?yàn)槿魏沃R(shí)要具有生命力，都必須作為一個(gè)“過(guò)程”存在于一定的生活場(chǎng)景、問(wèn)題情境或思想語(yǔ)境之中。[2]情境是學(xué)生認(rèn)識(shí)的橋梁，是知識(shí)轉(zhuǎn)化為素養(yǎng)的橋梁。

一、情境化教學(xué)的內(nèi)涵及作用

情境化教學(xué)是教師在教學(xué)過(guò)程中有意識(shí)地引入或創(chuàng)設(shè)一定的情境，把知識(shí)轉(zhuǎn)化為與知識(shí)產(chǎn)生或具體運(yùn)用的情境具有相似性結(jié)構(gòu)的組織形式，讓學(xué)生參與、體驗(yàn)類似知識(shí)產(chǎn)生或運(yùn)用過(guò)程的情境，從而直觀地、富有意義地、快樂(lè)地理解或發(fā)現(xiàn)問(wèn)題乃至創(chuàng)造知識(shí)。[3]也就是說(shuō)，在學(xué)習(xí)新知識(shí)和應(yīng)用知識(shí)的過(guò)程中，要注意通過(guò)創(chuàng)設(shè)情境，促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)。

情境對(duì)教學(xué)活動(dòng)的積極作用包括三個(gè)方面。第一，可以有效刺激學(xué)生，不僅使學(xué)習(xí)過(guò)程成為對(duì)知識(shí)本身的接受，更會(huì)使學(xué)生產(chǎn)生情感的共鳴；第二，可以使枯燥乏味的知識(shí)產(chǎn)生豐富的附著點(diǎn)和切實(shí)的生長(zhǎng)點(diǎn)，讓教育具有深刻的意義；第三，增加了學(xué)習(xí)活動(dòng)的生動(dòng)性、趣味性、直觀性，讓學(xué)生在理論知識(shí)與應(yīng)用實(shí)踐的交互碰撞中真正理解知識(shí)、提升能力。[4]教會(huì)學(xué)生將所學(xué)知識(shí)遷移到實(shí)際生活中是教學(xué)的重要目標(biāo)，也是困難之一。教育心理學(xué)表明，學(xué)習(xí)遷移依賴于最初學(xué)習(xí)的情境與后來(lái)應(yīng)用情境之間的相似程度，要使學(xué)生能將知識(shí)遷移到實(shí)踐情境中，我們就必須創(chuàng)造與真實(shí)生活中可能遇到的情境相類似的情境，教學(xué)生去運(yùn)用技能。

二、情境化教學(xué)路徑

精心研究情境化的教學(xué)設(shè)計(jì)能夠幫助學(xué)生構(gòu)建從真實(shí)情境中學(xué)習(xí)的認(rèn)知路徑，是知識(shí)通往素養(yǎng)的必然要求?！镀胀ǜ咧形锢碚n程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》提出，對(duì)物理學(xué)科而言，學(xué)生在解決真實(shí)情境中的物理問(wèn)題時(shí)，需要將情境中的經(jīng)歷轉(zhuǎn)化為物理過(guò)程，將情境轉(zhuǎn)化為物理現(xiàn)象，將文字表述轉(zhuǎn)化為物理語(yǔ)言，將需要解決的問(wèn)題轉(zhuǎn)化為物理問(wèn)題，建立相應(yīng)的物理模型，然后利用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行科學(xué)推理和論證，得出相應(yīng)的物理結(jié)論，同時(shí)會(huì)質(zhì)疑結(jié)論的合理性、可行性，甚至創(chuàng)造性地提出解決問(wèn)題的方法，最終達(dá)到形成和深化物理觀念，同時(shí)潛移默化地轉(zhuǎn)化為進(jìn)行科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的教育。筆者基于對(duì)核心素養(yǎng)的理解及多年來(lái)進(jìn)行情境化教學(xué)設(shè)計(jì)的實(shí)踐，總結(jié)出基于核心素養(yǎng)的情境化教學(xué)的一條可行路徑，如圖1所示。

圖1

三、情境化教學(xué)案例設(shè)計(jì)過(guò)程及分析

以“高空拋物”情境教學(xué)片段為例，具體說(shuō)明情境教學(xué)與核心素養(yǎng)的結(jié)合點(diǎn)在哪里，以及如何在情境教學(xué)中體現(xiàn)核心素養(yǎng)。

在學(xué)生學(xué)完動(dòng)量定理后，利用高空墜物新聞這個(gè)情境，根據(jù)上面的路徑，進(jìn)行了基于核心素養(yǎng)的情境化教學(xué)設(shè)計(jì)思路如圖2所示。

圖2

(一)創(chuàng)設(shè)情境，提出問(wèn)題

【教師播放新聞視頻】高空拋物致人死傷的新聞屢見(jiàn)不鮮。2018年3月，東莞三個(gè)月大嬰兒被24樓掉下的蘋果砸中導(dǎo)致十級(jí)傷殘。2019年6月13日，深圳福田區(qū)發(fā)生了小孩被一扇從20樓墜落的窗戶砸中的慘劇。2019年6月，無(wú)錫江陰的一名小學(xué)生在上學(xué)途中被一根高處落下的鋼管擊中頭部。高空墜物真的如此危險(xiǎn)嗎？一顆小小的蘋果威力如此之大嗎？

【教師播放視頻】實(shí)驗(yàn)者拿著雞蛋、蘋果、塑料花盆分別從不同高度釋放，當(dāng)高度為25米(約8層樓高)時(shí)，蘋果就可以將玻璃砸碎，其他重物或者更高的樓層就更危險(xiǎn)了。

學(xué)生在觀看視頻后，非常震撼；教師適時(shí)提出問(wèn)題：“高空拋物如此危險(xiǎn)，背后的物理原理是什么？一個(gè)小小的蘋果為何能產(chǎn)生如此大的作用力？影響作用力大小的因素有哪些呢？”

真實(shí)情境的問(wèn)題有利于激發(fā)學(xué)生探究的興趣，與實(shí)際生活相關(guān)，容易產(chǎn)生共鳴。觀看實(shí)驗(yàn)或者參與實(shí)驗(yàn)，喚起學(xué)生內(nèi)心的感受，除了引起學(xué)生的興趣，還能引導(dǎo)學(xué)生將真實(shí)情境的問(wèn)題“高空拋物的危險(xiǎn)性”轉(zhuǎn)化為物理問(wèn)題“高空拋物的作用力大小”。

(二)情境轉(zhuǎn)化，確立模型

在確定了研究問(wèn)題之后，接下來(lái)就是要引導(dǎo)學(xué)生將真實(shí)情境轉(zhuǎn)化為熟悉的物理情境、物理模型。教師提出問(wèn)題：重物從高空墜下，如果簡(jiǎn)化條件，可以看成什么運(yùn)動(dòng)？視頻實(shí)驗(yàn)中，為什么高度相同時(shí)，越重的物體墜落，殺傷力越大呢？

引導(dǎo)學(xué)生思考：不考慮空氣阻力作用，高空拋物可看成拋體運(yùn)動(dòng)(故意拋物)或者自由落體運(yùn)動(dòng)(無(wú)意墜落)，重物拋出的速度不同，遵循的運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律也不同。如果以視頻中演示實(shí)驗(yàn)為例，雞蛋、蘋果、塑料花盆等重物墜下過(guò)程可以看成自由落體運(yùn)動(dòng)。重物傷人的危害過(guò)程是在重物與人作用的極短時(shí)間內(nèi)，即碰撞的短暫過(guò)程，因此將重物傷人過(guò)程轉(zhuǎn)化為物理問(wèn)題“碰撞”。由此高空拋物傷人過(guò)程分為兩個(gè)物理過(guò)程：重物自由下落和重物與人的碰撞過(guò)程。

解決真實(shí)情境問(wèn)題的關(guān)鍵是將其轉(zhuǎn)化為物理問(wèn)題，建構(gòu)物理模型。通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生適當(dāng)忽略次要因素，抓住主要因素，簡(jiǎn)化條件，使學(xué)生將高空拋物傷人情境與熟悉的拋體運(yùn)動(dòng)(自由落體)、碰撞模型建立起對(duì)應(yīng)聯(lián)系，從而確立解決問(wèn)題的模型。一方面，在情境轉(zhuǎn)化為物理問(wèn)題、物理過(guò)程的過(guò)程中，需要學(xué)生掌握一定的物理方法，熟悉已有的一些模型。另一方面，這個(gè)過(guò)程對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的能力是最為顯著的。因此，在平時(shí)的教學(xué)中，讓學(xué)生多經(jīng)歷真實(shí)情境問(wèn)題解決的訓(xùn)練是非常必要的。

(三)推理論證，解釋問(wèn)題

推理和論證過(guò)程往往是聯(lián)系在一起的。學(xué)生以學(xué)過(guò)的物理概念、規(guī)律為證據(jù)，通過(guò)一系列的演繹分析，得出可靠的結(jié)論。推理過(guò)程可從定性和定量?jī)煞矫孢M(jìn)行。

（2）在沒(méi)有維修標(biāo)準(zhǔn)的情況下，對(duì)關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、認(rèn)證。如，在沒(méi)有活塞環(huán)閉口間隙標(biāo)準(zhǔn)值的情況下，不能將活塞環(huán)作為“標(biāo)準(zhǔn)件”直接安裝；

1.定性分析

分析拋物的質(zhì)量和下落高度對(duì)人的作用力大小的影響。

根據(jù)動(dòng)量定理FΔt=mΔv，作用時(shí)間一定時(shí)，物體的質(zhì)量越大，速度變化越大，則作用力越大。因此拋物的高度越高，砸到人時(shí)速度就越快，殺傷力就越大；又由于作用時(shí)間極短，所以作用力極大，對(duì)人的傷害極大。通過(guò)此分析過(guò)程，學(xué)生對(duì)動(dòng)量定理有了更深刻的理解，可以同時(shí)拓展，讓學(xué)生列舉和解釋生活中緩沖的原理。設(shè)置多樣化情境促進(jìn)學(xué)生對(duì)規(guī)律的理解和應(yīng)用。

2.定量計(jì)算

從定性分析到定量計(jì)算，推理分析更具有邏輯性，更加嚴(yán)密。學(xué)生需要根據(jù)學(xué)過(guò)的知識(shí)和規(guī)律，對(duì)前面確立的物理模型和過(guò)程進(jìn)行分析，再通過(guò)計(jì)算比較，獲得可靠證據(jù)來(lái)解釋自己的結(jié)論，同時(shí)養(yǎng)成估計(jì)生活中有關(guān)物理量大小的習(xí)慣。在這個(gè)過(guò)程中，學(xué)生的證據(jù)意識(shí)、推理能力、科學(xué)論證能力都能得到相應(yīng)提升。

(四)質(zhì)疑釋疑，交流評(píng)估

【學(xué)生討論】重物下落過(guò)程中的阻力與物體質(zhì)量和形狀(密度)、下落速度均有關(guān)系，是個(gè)比較復(fù)雜的過(guò)程，前面我們討論蘋果、鋼管等物體的下落，考慮到其密度不是太小，下落高度(速度)相對(duì)不大，忽略其阻力的影響是合理的。實(shí)際的拋物傷害還應(yīng)考慮物體的形狀(尖銳程度)、材質(zhì)、拋出速度等。

實(shí)際上，子彈的殺傷力不僅在于它對(duì)目標(biāo)的作用力大小，還在于它攜帶的能量。教師可引導(dǎo)學(xué)生從能量角度去探究一下高空拋物的破壞力，試估算前面蘋果落地時(shí)所具有的動(dòng)能。

通過(guò)模型研究顯然忽略了許多因素，在習(xí)題教學(xué)中學(xué)生是不需要考慮的;但聯(lián)系真實(shí)情境，學(xué)生肯定會(huì)質(zhì)疑，所以要評(píng)估結(jié)論的合理性。在這個(gè)過(guò)程中，學(xué)生的質(zhì)疑意識(shí)得到強(qiáng)化。核心素養(yǎng)中對(duì)于質(zhì)疑創(chuàng)新的最高水平要求就是能考慮證據(jù)本身的科學(xué)性，恰當(dāng)使用證據(jù)，從多個(gè)視角審視檢驗(yàn)結(jié)論。這里通過(guò)從力和能量?jī)蓚€(gè)角度來(lái)解釋高空拋物的危害，來(lái)檢驗(yàn)結(jié)論的可靠性，使學(xué)生的思維達(dá)到較高的學(xué)業(yè)水平。同時(shí)讓學(xué)生從不同角度看待解釋問(wèn)題，認(rèn)識(shí)科學(xué)問(wèn)題的本質(zhì)。

(五)問(wèn)題延伸，情感升華

通過(guò)上述教學(xué)，學(xué)生對(duì)高空拋物的物理原理已經(jīng)清楚了，深刻了解到高空拋物的危害，單純的知識(shí)教學(xué)已經(jīng)完成，教師還可以進(jìn)行以下升華，讓學(xué)生思考如何避免高空拋物的傷害。利用小組合作的方式，引導(dǎo)學(xué)生從個(gè)人、社會(huì)等各方面進(jìn)行思考，探討如何成為合格有素養(yǎng)的公民，以及為營(yíng)造安全社會(huì)環(huán)境個(gè)人應(yīng)承擔(dān)哪些責(zé)任等。

物理教學(xué)不能以單純地傳遞知識(shí)或者訓(xùn)練思維為目標(biāo)，而應(yīng)時(shí)刻牢記“立德樹(shù)人”才是根本任務(wù)。培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感，提高國(guó)民素質(zhì)，使學(xué)生形成正確的價(jià)值觀，讓學(xué)生在解決真實(shí)情境問(wèn)題的過(guò)程中提升核心素養(yǎng)。

四、情境化教學(xué)的啟示

情境化的課堂教學(xué)不僅能夠提升學(xué)生的科學(xué)思維能力，還能加深他們對(duì)相應(yīng)的概念和規(guī)律的理解，更有助于他們形成物理觀念。同時(shí)，解決問(wèn)題的過(guò)程也是科學(xué)探究的過(guò)程，學(xué)生能夠進(jìn)一步提升科學(xué)探究能力，增強(qiáng)實(shí)踐意識(shí)，養(yǎng)成科學(xué)態(tài)度，促進(jìn)物理核心素養(yǎng)的形成。因此，情境化課堂教學(xué)在促進(jìn)核心素養(yǎng)在課堂中的落地上是非常有效的。情境化教學(xué)設(shè)計(jì)可以依據(jù)以下三個(gè)方面進(jìn)行。

(一)創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境的方式多樣化

物理學(xué)科的教學(xué)情境來(lái)源主要有生活經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)探究、物理學(xué)史、新聞公告等。其中生活經(jīng)驗(yàn)與現(xiàn)象和學(xué)生聯(lián)系緊密，學(xué)生可以親身體驗(yàn)和感受，從而激起極大的興趣。實(shí)驗(yàn)探究對(duì)于提升學(xué)生的科學(xué)探究能力、探尋科學(xué)的本質(zhì)、理解物理概念和規(guī)律等起到不可替代的作用。帶領(lǐng)學(xué)生重溫物理學(xué)史，重走科學(xué)家的發(fā)現(xiàn)之路，不僅能使學(xué)生了解知識(shí)的來(lái)龍去脈，還能對(duì)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和情感進(jìn)行無(wú)聲的熏陶。信息化時(shí)代，學(xué)生被信息包圍，明辨信息真?zhèn)蔚哪芰τ葹橹匾?，利用新聞?bào)道創(chuàng)設(shè)情境進(jìn)行教學(xué)，順應(yīng)信息化教學(xué)的潮流。“如何獲取有價(jià)值的情境應(yīng)用于物理課堂教學(xué)”需要教師具有學(xué)科意識(shí)和敏銳的學(xué)科嗅覺(jué)，平時(shí)有意識(shí)地收集相應(yīng)材料，挖掘其中的教學(xué)價(jià)值。本文的教學(xué)情境就是來(lái)源于新聞。

(二)教學(xué)情境要為教學(xué)服務(wù)

教學(xué)情境的創(chuàng)設(shè)要以實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)為目的，其隱含的問(wèn)題要有啟發(fā)性，能夠引起學(xué)生的思考，難易程度要符合學(xué)生的實(shí)際水平，保證大多數(shù)學(xué)生在課堂上能夠處于積極思考的狀態(tài)。利用其生動(dòng)、形象的特點(diǎn)，在激發(fā)學(xué)生興趣的同時(shí)，引起學(xué)生情感共鳴。教師在創(chuàng)設(shè)情境時(shí)，盡量從學(xué)科特點(diǎn)考慮，體現(xiàn)學(xué)科知識(shí)在生活中的意義和價(jià)值。

(三)教學(xué)情境與教學(xué)內(nèi)容深度融合

在不少課堂上，有的教師只是將情境作為課堂的引入，目的是激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，后續(xù)的教學(xué)中便棄之不用。有的教師追求課堂的熱鬧，一節(jié)課設(shè)置的情境過(guò)多，相互之間沒(méi)有邏輯關(guān)系，學(xué)生眼花繚亂，沉浸于情境中無(wú)所適從，這樣的情境有喧賓奪主之嫌。這些都是在創(chuàng)設(shè)情境時(shí)，沒(méi)有考慮情境與教學(xué)內(nèi)容的融合造成的。情境與教學(xué)內(nèi)容的契合度越高，越有助于學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容的理解。本文所設(shè)置的高空拋物情境貫穿課堂教學(xué)始終，與動(dòng)量、能量知識(shí)契合，學(xué)生的思維能夠比較集中。如果一節(jié)課需要設(shè)置多個(gè)教學(xué)情境，則需要進(jìn)行必要的整合，突出主題情境，圍繞主題內(nèi)容，切不可簡(jiǎn)單堆砌了事。

把知識(shí)還原到情境中，把知識(shí)應(yīng)用到解決真實(shí)情境問(wèn)題中，摒棄枯燥、僵化的單純知識(shí)教學(xué)、習(xí)題教學(xué)，不僅能夠提高學(xué)生知識(shí)接受的效率，還能提升學(xué)生的核心素養(yǎng)和綜合能力。這就要求教師在教學(xué)中，以核心素養(yǎng)為目標(biāo)，以學(xué)生的學(xué)習(xí)為導(dǎo)向，用情境搭建起知識(shí)通往素養(yǎng)的橋梁。