核心素養(yǎng)視域下物理探究教學(xué)主題的開發(fā)與實(shí)踐

陳海深宋善炎羅星凱

（1.湖南師范大學(xué)教育科學(xué)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410081；2.廣西師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，廣西 桂林 541004）

隨著互聯(lián)網(wǎng)＋和人工智能時(shí)代的到來，學(xué)習(xí)的時(shí)間和空間已不再受任何限制，這將極大地改變課堂“教與學(xué)”的方式.學(xué)校課程將與現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展保持著緊密的聯(lián)系和不斷發(fā)展的動(dòng)態(tài)變化之中.在這樣的背景下，我國(guó)的物理教育順應(yīng)時(shí)代發(fā)展制定了新的課程標(biāo)準(zhǔn)，提出了“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”的學(xué)科核心素養(yǎng)，形成了趨向整合的新課程標(biāo)準(zhǔn)，而新課程標(biāo)準(zhǔn)落實(shí)的“主陣地”在于課堂教學(xué)與實(shí)踐.

當(dāng)前一線物理探究教學(xué)出現(xiàn)了新的變化：從單一內(nèi)容探究走向綜合主題探究；從“走流程”探究轉(zhuǎn)向“重過程”探究；從寬泛化、淺層化探究走向個(gè)性化、層次化探究；從教師高度引導(dǎo)式探究走向師生動(dòng)態(tài)生成式探究；從注重物理知識(shí)探究轉(zhuǎn)向提升學(xué)科核心素養(yǎng)等.物理探究教學(xué)主題由于具有開放性、生成性、發(fā)展性和系統(tǒng)性等特點(diǎn)受到一線教師和學(xué)者關(guān)注，引發(fā)人們對(duì)探究性教學(xué)的反思與變革.以下結(jié)合物理實(shí)踐研究的具體案例提出探究教學(xué)主題的開發(fā)過程，旨在為當(dāng)前科學(xué)探究教學(xué)的深入開展和學(xué)生核心素養(yǎng)的提升提供思考和借鑒.

1 “遞進(jìn)式”探究教學(xué)主題

“遞進(jìn)式”探究教學(xué)主題屬于一種“連貫式”探究.在探究活動(dòng)之初，由來自教師或?qū)W生的某個(gè)具體“初始主題”引發(fā)“多米諾骨牌式”的系列探索和認(rèn)知過程，最終任務(wù)是達(dá)成對(duì)“目標(biāo)主題”的科學(xué)認(rèn)知.它由系列“關(guān)聯(lián)主題”探究活動(dòng)組成，“初始主題”的問題解決將為“關(guān)聯(lián)主題”的問題解決提供相應(yīng)的線索或證據(jù)，“關(guān)聯(lián)主題”之間依次銜接，每個(gè)“關(guān)聯(lián)主題”所形成的科學(xué)認(rèn)知存在邏輯上的關(guān)聯(lián)關(guān)系，并直接影響“目標(biāo)主題”的系統(tǒng)認(rèn)知和學(xué)習(xí)深入.下面是“遞進(jìn)式”探究教學(xué)主題類型的演化過程（如圖1）.

圖1

這類探究教學(xué)主題設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是探究過程環(huán)環(huán)相扣，步步深入，邏輯關(guān)聯(lián)度高，容易激發(fā)學(xué)生的好奇心，并保持較為持久的探究動(dòng)力.但要求學(xué)生具有較強(qiáng)的問題——證據(jù)意識(shí)，通過完成系列“關(guān)聯(lián)主題”的探究，進(jìn)而達(dá)到“目標(biāo)主題”的深度認(rèn)知.這類探究教學(xué)主題設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是探究過程按照問題關(guān)聯(lián)和邏輯演化的方式推進(jìn)，經(jīng)過一系列探索過程，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到探究始于問題發(fā)現(xiàn)而終于問題解決，能較好的培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題的意識(shí)和形成較強(qiáng)的邏輯思維推理能力.在探究過程中學(xué)生容易一蹴而就或者徘徊不前，需要學(xué)生在探究過程具有良好的科學(xué)態(tài)度和探究精神.

例如，教師組織學(xué)生探究的目標(biāo)主題是：“浮沉現(xiàn)象在真實(shí)情景中的探究”.首先，教師拋出初始主題1：“浮沉條件的應(yīng)用”.其次，教師演示沙漏的浮沉現(xiàn)象（如圖2）并讓學(xué)生仔細(xì)觀察到“在圓筒倒轉(zhuǎn)后，沙漏并沒有立刻上浮，而是在筒底靜止，當(dāng)上部的沙子漏到一定量時(shí)開始上浮了”.激發(fā)學(xué)生提出問題1：“為什么沙漏在圓筒倒轉(zhuǎn)時(shí)沒有立刻上浮”？第三，學(xué)生圍繞主題開展探究，引導(dǎo)學(xué)生提出系列觀點(diǎn)或猜想：（1）浮力減少說；（2）沙子沖擊說；（3）能量說；（4）反沖說；（5）動(dòng)量說等等.這些觀點(diǎn)或說法各有理由，但都拿不出有效的證據(jù).第四，教師展示另外一個(gè)沙漏（圖3），當(dāng)圓筒倒轉(zhuǎn)時(shí)該沙漏就立刻上浮了.第五，該演示創(chuàng)設(shè)的沖突激發(fā)學(xué)生的興趣，通過仔細(xì)對(duì)比觀察發(fā)現(xiàn)圖2中的“‘8’字型沙漏外徑比筒壁的外徑略小，剛開始‘8’字型沙漏在容器底部時(shí)是斜靠并側(cè)壓在筒壁上”這一關(guān)鍵證據(jù).第六，達(dá)成初步解釋：沙漏斜靠時(shí)受到筒壁的摩擦力，由于其重力和摩擦力的合力大于浮力，故靜止在筒底.

圖2

圖3

以上是學(xué)生基于觀察進(jìn)行的初步解釋.但學(xué)生對(duì)于“為什么沙漏剛開始是傾斜？”的原因仍然感到困惑.教師基于學(xué)生已有的認(rèn)識(shí)引導(dǎo)探究關(guān)聯(lián)主題：“沙漏傾斜與什么因素有關(guān)？”.學(xué)生圍繞傾斜問題繼續(xù)探究并猜想：“傾斜是因?yàn)樯陈╊^重腳輕”、“傾斜的沙漏像不倒翁”等.教師追問：“這只是生活常識(shí)或經(jīng)驗(yàn)的遷移，具體如何進(jìn)行科學(xué)解釋呢”？經(jīng)過反復(fù)思考和實(shí)驗(yàn)觀察，學(xué)生發(fā)現(xiàn)“沙漏開始漏沙時(shí)，其整體部分的重心在上部”這一關(guān)鍵證據(jù)，于是達(dá)成相關(guān)主題的初步解釋：剛開始沙漏的重心在其上部，導(dǎo)致沙漏“頭重腳輕”的傾側(cè)在筒壁，故剛開始時(shí)沙漏是傾斜的.

但上述解釋仍然是基于觀察的事實(shí)而進(jìn)行的描述性解釋.教師認(rèn)為仍需進(jìn)一步深入探究.既然已經(jīng)提到了“重心位置與穩(wěn)定的關(guān)系”，于是教師“順藤摸瓜”的提出關(guān)聯(lián)主題：“重心與平衡之間的關(guān)系？”.教師首先讓學(xué)生預(yù)測(cè)相關(guān)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，把配重砝碼掛在玩具兔下面三個(gè)不同位置時(shí)（如圖4），玩具兔能否在鋼絲上平衡？學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)與探究發(fā)現(xiàn)，由于配重所放置的位置不同，將導(dǎo)致兔的重心發(fā)生變化這一關(guān)鍵證據(jù)，進(jìn)而認(rèn)識(shí)到兔在鋼絲上的穩(wěn)定性取決于其重心的相對(duì)位置，學(xué)生似乎從平衡兔的實(shí)驗(yàn)探究中頓悟了，教師趁機(jī)追問目標(biāo)主題：沙漏浮沉問題與兔子走鋼絲有什么相關(guān)嗎？

圖4

學(xué)生達(dá)成對(duì)目標(biāo)主題“沙漏浮沉”較深入的科學(xué)解釋：開始時(shí)，沙漏與沙的整體重心在其上部，其重力所產(chǎn)生的作用效果導(dǎo)致沙漏側(cè)壓在圓筒壁，筒壁對(duì)沙漏產(chǎn)生向下的摩擦力與重力的合力大于其所受浮力（沙漏浸沒在水中，浮力不變），故沙漏沒有立刻上??；隨著沙的下漏，其重心從上部轉(zhuǎn)移到下部，其自身重力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)效果使沙漏直立起來，摩擦力消失，沙漏此時(shí)所受浮力大于其重力，這時(shí)沙漏開始上浮.

通過初始主題從浮沉條件的受力分析到重心的位置變化再到重心與穩(wěn)定的平衡關(guān)系系列關(guān)聯(lián)主題的系列探究活動(dòng)，學(xué)生達(dá)成對(duì)目標(biāo)主題“沙漏浮沉探究”的科學(xué)解釋.對(duì)浮沉現(xiàn)象綜合主題在生活中的拓展與應(yīng)用有更全面和更系統(tǒng)的綜合認(rèn)知.

2 “綜合式”探究教學(xué)主題

“綜合式”探究主題是圍繞某一初始主題進(jìn)行探究，通過同質(zhì)現(xiàn)象的遷移和發(fā)散，開展與核心主題相關(guān)的系列探究.相較于“遞進(jìn)式”探究主題，初始主題與相關(guān)主題之間雖有一定相關(guān)，但相對(duì)獨(dú)立，不存在邏輯上的先后順序與遞進(jìn)關(guān)系.初始主題與相關(guān)主題之間通過不斷擴(kuò)展形成“綜合式”探究主題的科學(xué)認(rèn)知和探索.相關(guān)主題可根據(jù)學(xué)生探究問題和深度學(xué)習(xí)的需要進(jìn)行增減，而且相關(guān)主題之間無需特別地組合排列，但它要求對(duì)初始探究主題和相關(guān)主題的科學(xué)認(rèn)知不斷的發(fā)展和超越，形成對(duì)核心主題的科學(xué)認(rèn)知.下面是“綜合式”探究教學(xué)主題類型的演化過程（如圖5）.

圖5

這類探究教學(xué)主題設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是探究過程始于物理學(xué)科中某個(gè)“概念或規(guī)律”或“原理”.隨著探究活動(dòng)的深入，師生不斷將“初始主題”的認(rèn)知進(jìn)行延伸和擴(kuò)展，以期對(duì)“相關(guān)主題”更全面、深入的理解.故要求學(xué)生具有較高的發(fā)散思維和較廣的學(xué)科視野，能將不同情境下甚至不同學(xué)科的知識(shí)、方法進(jìn)行廣泛的遷移和關(guān)聯(lián)，因而能夠有效培養(yǎng)學(xué)生的猜想與假設(shè)、科學(xué)推理等邏輯思維能力.

例如，教師設(shè)置探究的核心主題為：“雙金屬片溫控器工作原理的探究”.首先，教師根據(jù)日常觀察拋出初始主題：“玻璃紙卷曲的探究（如圖6）”.并演示實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象讓學(xué)生仔細(xì)觀察.其次，圍繞初始主題激發(fā)學(xué)生提出問題：為什么將玻璃紙置于手掌心，過一會(huì)兒就發(fā)生了卷曲？若將玻璃紙翻過來放在手掌心，也同樣卷曲？第三，學(xué)生提出系列猜想：（1）是否與掌心和周圍溫度差有關(guān)？（2）是否與手掌上的濕氣（濕度）有關(guān)？（3）是否與玻璃紙和手掌處的空氣間隙有關(guān)；（4）是否與其材料質(zhì)地有關(guān)；（5）是否與其材料特性有關(guān)等.第四，開展探究過程.給學(xué)生提供簡(jiǎn)易器材和工具設(shè)計(jì)系列實(shí)驗(yàn)方案和收集實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如不同材質(zhì)、形狀和大小的玻璃紙、不同口徑的燒杯、冷（開）水、濕度計(jì)、溫度計(jì)、鐵夾等.第五，學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)探究和查閱資料發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵證據(jù)：“玻璃紙是一種是以棉槳、木槳等天然纖維為原料，其分子鏈存在著一種奇妙的微透氣性，可以讓商品象雞蛋透過蛋皮上的微孔一樣進(jìn)行呼吸.”.第六，獲得科學(xué)解釋——由于玻璃紙的材料特性，貼在手掌的一面與背著手掌的一面存在著溫度差，導(dǎo)致兩個(gè)面的膨脹彎曲程度程度不一樣，所以產(chǎn)生卷曲現(xiàn)象.

圖6

結(jié)合生活經(jīng)歷和日常觀察，學(xué)生引發(fā)相關(guān)主題：“為什么圖書室的期刊封面也會(huì)有卷曲現(xiàn)象？（如圖7）”.圍繞相關(guān)主題開展同樣類似的科學(xué)探究過程并認(rèn)識(shí)到：由于紙張朝陽的一面與不朝陽的另一面受熱程度不一，紙張兩面存在溫度差而導(dǎo)致卷曲這一科學(xué)解釋.

圖7

探究繼續(xù)發(fā)酵.學(xué)生繼續(xù)提出相關(guān)主題：“為什么冬天枯萎的落葉都是卷曲的？（如圖8）”.引發(fā)學(xué)生圍繞相關(guān)主題開展同樣類似的科學(xué)探究過程并得到：由于樹葉兩面的向光程度不一樣，朝陽的一面與背光的一面存在溫度差而導(dǎo)致產(chǎn)生卷曲這一科學(xué)解釋.

圖8

學(xué)生再次提出相關(guān)主題：“為什么烈日炎炎的干旱夏天，平整過的農(nóng)田土壤表面為什么會(huì)開裂？（如圖9）”.繼續(xù)圍繞相關(guān)主題開展同樣類似的探究過程并發(fā)現(xiàn)：由于土壤兩面的向光程度不一樣，朝陽的上層土壤面與背光的下層土壤面存在很大的溫度差而導(dǎo)致產(chǎn)生裂開這一科學(xué)解釋.

圖9

系列問題的探究已經(jīng)起到“一石激起千層浪”的教學(xué)效果.學(xué)生通過仔細(xì)觀察和自主延伸諸如：“睡蓮為什 么 向 外 卷？”（如 圖10）”、“花生葉為什么向內(nèi)卷？”、“捕蠅草為什么時(shí)開、時(shí)閉？”、“枯萎的松果為什么如此散開？”、“含羞草為什么含羞？、“冰瓷的裂紋是如何產(chǎn)生的？（如圖11）”等系列相關(guān)探究主題.

圖10

圖11

教師對(duì)上述相關(guān)探究進(jìn)行綜合梳理提出核心主題：“雙金屬片的工作原理？（如圖12、13、14）”繼續(xù)圍繞核心主題開展同樣類似的科學(xué)探究過程并得到：抓住上、下兩種金屬片是兩種不同的材料特性這一關(guān)鍵證據(jù)，由于它們的膨脹系數(shù)不一樣，在一定的溫差下將導(dǎo)致其中某片金屬膨脹彎曲而斷開或?qū)娐愤@一科學(xué)解釋.

圖12

圖13

圖14

通過卷曲的玻璃紙、期刊封面、落葉、干裂的土壤、冰瓷的裂紋等系列探究，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到這是一個(gè)神奇的“世界”，那么多看似不同的現(xiàn)象卻有著相似的科學(xué)原理.為能發(fā)現(xiàn)其中的奧秘而感到興奮，由此產(chǎn)生了一種滿足感和成就感，并形成強(qiáng)烈的探究動(dòng)機(jī)和可持續(xù)的探究興趣.

3 “分解式”探究教學(xué)主題

“分解式”探究主題是將某個(gè)“綜合主題”分解為若干個(gè)相對(duì)具體和明確的“分主題”探究.它可能涉及跨年級(jí)甚至跨學(xué)科的知識(shí)，難度和綜合性較高.為了完成這一探究任務(wù)，需要將主題分解和細(xì)化.綜合主題與分主題之間有一定的邏輯關(guān)系，但綜合主題與分主題之間各自的關(guān)系卻是相對(duì)獨(dú)立的.其具體涉及如下兩個(gè)方面：一方面將“綜合主題”進(jìn)行拆分，分解為幾個(gè)具體的“分主題”探究活動(dòng)；另一方面，對(duì)每一個(gè)“分主題”形成明確的物理探究問題，并最終形成對(duì)“綜合主題”比較全面、深入和系統(tǒng)的科學(xué)認(rèn)知.下面是“分解式”探究教學(xué)主題類型的演化過程（如圖15）.

圖15

這類探究教學(xué)主題可以讓學(xué)生以小組合作探究形式從中自由選擇“分主題”.在開發(fā)這類教學(xué)主題時(shí)，需要注意這些探究活動(dòng)層次的內(nèi)在聯(lián)系，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到更復(fù)雜的物理問題可以通過分解為多個(gè)具體的內(nèi)容探究，有些需要通過學(xué)生之間的協(xié)力合作才能完成.這樣可以讓學(xué)生在不同層次的主題探究中，培養(yǎng)學(xué)生的綜合、分析、演繹、推理等邏輯思維能力，還可以讓學(xué)生充分理解科學(xué)探究合作的重要性.

例如，教師組織學(xué)生進(jìn)行“靜電演示疑難實(shí)驗(yàn)”綜合探究.首先，教師提出任務(wù)驅(qū)動(dòng)：“設(shè)法讓驗(yàn)電器帶上靜電”（如圖16）.并分別給學(xué)生提供玻璃棒、橡膠棒、絲綢、毛皮等起電器材以及低壓情況下常見的木筷、硬紙板、蠟燭、電線、泡沫等絕緣材料.其次，學(xué)生利用上述器材分別開展分組實(shí)驗(yàn)探究，并設(shè)法使驗(yàn)電器帶上電荷.系列實(shí)驗(yàn)和反復(fù)操作后，部分學(xué)生成功的讓驗(yàn)電器帶上電荷，但大多數(shù)沒能成功.第三，教師提問：“為何驗(yàn)電器難以帶上電？”，引導(dǎo)學(xué)生圍繞電荷的產(chǎn)生過程、保持（不漏電）過程、轉(zhuǎn)移過程、轉(zhuǎn)移是否成功等過程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和探討.學(xué)生基于實(shí)驗(yàn)探究過程歸納出“摩擦如何起電？”、“摩擦起電后的漏電問題？”、“玻璃棒如何將靜電荷轉(zhuǎn)移？”“驗(yàn)電器是否能驗(yàn)電”等幾個(gè)分主題.結(jié)合上述存在的疑難問題，師生討論將“靜電演示疑難實(shí)驗(yàn)探究”綜合主題分解為“靜電特點(diǎn)及其漏電原因探究”、“摩擦起電的機(jī)理和方法”、“靜電荷轉(zhuǎn)移的探究”、“驗(yàn)電儀器結(jié)構(gòu)、原理的探究”幾個(gè)分主題.

圖16

在分主題“摩擦起電的機(jī)理和方法”的探究教學(xué)中，首先，教師提問：“摩擦起電的機(jī)理是什么？”.雖然課本中提到“摩擦起電是由于得失電子而產(chǎn)生”，但這樣的解釋對(duì)于學(xué)生而言仍然是“一頭霧水”！這里的關(guān)鍵問題是摩擦過程涉及電子如何轉(zhuǎn)移？第二，學(xué)生圍繞這一問題展開思考與探究.有學(xué)生運(yùn)用橫向遷移的方法認(rèn)為是摩擦生熱導(dǎo)致溫度升高了，所以電子就容易跑出來……；有學(xué)生查閱資料發(fā)現(xiàn)“摩擦帶電是一種接觸帶電，它是由于不同物質(zhì)的脫出功不同，在緊密接觸時(shí)，外層電子軌道相互重疊，導(dǎo)致物體間電子的轉(zhuǎn)移，玻璃棒因失去電子而帶上正電荷”.因此只有緊密的擠壓摩擦?xí)r，才可能使電子軌道重疊，從而使電子從一個(gè)物體（某種材料）轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體（另一種材料）.第三，了解到“摩擦帶電是一種接觸帶電”這一科學(xué)本質(zhì)的關(guān)鍵，學(xué)生繼續(xù)開展實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在不太容易起電時(shí)，在同等條件下，若把玻璃棒壓緊摩擦后效果確實(shí)不錯(cuò).第四，基于上述的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生認(rèn)識(shí)到在摩擦?xí)r需要注意某種材料和某種材料之間摩擦才能起電，至于哪兩種材料之間摩擦才最有效，離不開實(shí)驗(yàn)的探究.第五，教師總結(jié).只有了解“摩擦起電”的機(jī)理，才能從源頭上掌握“摩擦起電”正確的實(shí)驗(yàn)操作方法，從而提高實(shí)驗(yàn)的成功率.

類似的通過對(duì)“摩擦起電的機(jī)理和方法”、“靜電荷轉(zhuǎn)移的探究”、“驗(yàn)電儀器結(jié)構(gòu)、原理的探究”等系列分主題的深入探究與實(shí)踐，對(duì)靜電疑難實(shí)驗(yàn)的科學(xué)原理、影響因素、實(shí)驗(yàn)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)方法及儀器結(jié)構(gòu)等有了更系統(tǒng)的科學(xué)認(rèn)識(shí)，讓學(xué)生系統(tǒng)掌握靜電疑難實(shí)驗(yàn)在具體環(huán)境和具體情境下問題解決的方法和實(shí)驗(yàn)操作.

4 結(jié)語

在日常教學(xué)中，探究主題的選擇要體現(xiàn)物理學(xué)科的特點(diǎn)，突出科學(xué)探究的過程和方法，以緊密聯(lián)系物理與社會(huì)生活為出發(fā)點(diǎn)，精選智力價(jià)值和教育價(jià)值較高的主題.探究教學(xué)主題的開發(fā)注重“以問題為驅(qū)動(dòng)，以興趣為導(dǎo)向、以學(xué)生為主體、以探究為核心，以創(chuàng)新為目標(biāo)”，將探究主題開發(fā)成趣味性強(qiáng)、環(huán)環(huán)相扣、引人入深的探究過程，滿足學(xué)生個(gè)性化、差異化和系統(tǒng)化的學(xué)習(xí)需求，有利于自主學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)的發(fā)生，從而提升學(xué)生的物理核心素養(yǎng).