增量提質(zhì)：在物理常態(tài)課堂中落實(shí)科學(xué)探究素養(yǎng)

張惠作

摘? ? 要：落實(shí)科學(xué)探究素養(yǎng)需要“增量”和“提質(zhì)”，但高中物理教材關(guān)于科學(xué)探究的滲透特點(diǎn)是明線少暗線多，因此教師必須對(duì)教材進(jìn)行二度開發(fā)。教師可從課時(shí)數(shù)量上將科學(xué)探究的課堂樣態(tài)劃分為單課時(shí)樣態(tài)和單元樣態(tài)，以更精確地發(fā)現(xiàn)或挖掘教材暗線上的科學(xué)探究價(jià)值，開發(fā)更多的科學(xué)探究案例。然后，以此為基礎(chǔ)，從夯實(shí)科學(xué)探究教學(xué)過程出發(fā)，以科學(xué)思維為中心，以學(xué)生為主體，提供充分的時(shí)間，保障科學(xué)探究的深度開展。

關(guān)鍵詞：科學(xué)探究;課堂樣態(tài);物理教學(xué)

當(dāng)前，以科學(xué)探究形式開展的教學(xué)僅限于教材中明確標(biāo)明“探究”的內(nèi)容，而且往往是走形式，缺乏深度體驗(yàn)。因此，落實(shí)科學(xué)探究素養(yǎng)需要“增量”和“提質(zhì)”。“增量”就是增加科學(xué)探究的數(shù)量，讓學(xué)生經(jīng)歷充分的科學(xué)探究過程;“提質(zhì)”就是提高科學(xué)探究教學(xué)過程的實(shí)效，引領(lǐng)學(xué)生深度體驗(yàn)，避免走形式。高中物理教材雖然整體上是以探究的思路展開的[1]，然而其關(guān)于科學(xué)探究的滲透具有明線少暗線多的特點(diǎn)，且明線上粗枝大葉，暗線上形散意不散，因此教師必須對(duì)教材進(jìn)行二度開發(fā)。下面，筆者重點(diǎn)談兩個(gè)策略。第一個(gè)是“增量”，即認(rèn)識(shí)科學(xué)探究的課堂樣態(tài)，從教材暗線上開發(fā)更多的科學(xué)探究案例。第二個(gè)是“提質(zhì)”，即夯實(shí)科學(xué)探究教學(xué)過程，提升實(shí)效，避免走形式。

一、增量：認(rèn)識(shí)科學(xué)探究的課堂樣態(tài)

從課時(shí)數(shù)量上，筆者將科學(xué)探究的課堂樣態(tài)劃分為單課時(shí)樣態(tài)和單元樣態(tài)。認(rèn)識(shí)科學(xué)探究的課堂樣態(tài)，就能發(fā)現(xiàn)或挖掘教材暗線上的科學(xué)探究價(jià)值，開發(fā)更多的科學(xué)探究案例。

（一）單課時(shí)樣態(tài)

科學(xué)探究的單課時(shí)樣態(tài)就是在1個(gè)課時(shí)以內(nèi)呈現(xiàn)完整的或主要的科學(xué)探究要素（問題、證據(jù)、解釋和交流），適合的教學(xué)內(nèi)容有兩類：物理學(xué)史類和采集證據(jù)容易（耗時(shí)少）類。

1.物理學(xué)史類

不少物理學(xué)史教學(xué)內(nèi)容，比較完整地介紹科學(xué)家的科學(xué)探究過程，使學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)探究的主要要素，了解科學(xué)探究的大致程序，習(xí)得科學(xué)探究的形式。例如，伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究。伽利略首先通過邏輯推理對(duì)亞里士多德的觀點(diǎn)提出質(zhì)疑并發(fā)現(xiàn)問題，再通過推理判斷輕重物體下落一樣快，然后通過比薩斜塔實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出新問題：自由落體運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)及其規(guī)律是什么？最后設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并結(jié)合邏輯推理，探究自由落體的規(guī)律。又如，伽利略對(duì)運(yùn)動(dòng)原因的研究，牛頓發(fā)現(xiàn)萬有引力定律的思路，原子結(jié)構(gòu)模型的探究等，都可以在1個(gè)課時(shí)內(nèi)呈現(xiàn)完整的探究要素及基本的探究流程。

2.采集證據(jù)容易類

哪些教學(xué)內(nèi)容的科學(xué)探究采集證據(jù)容易呢？一是理論探究，證據(jù)是理論證據(jù);二是簡單的實(shí)驗(yàn)探究，證據(jù)主要通過教師演示實(shí)驗(yàn)獲得。

【案例1】功的計(jì)算公式科學(xué)探究

運(yùn)用具體情境，復(fù)習(xí)初中功的計(jì)算。在此基礎(chǔ)上，呈現(xiàn)新情境（圖略）。提出任務(wù)：請(qǐng)計(jì)算F的功。

任務(wù)導(dǎo)引：（1）完成此任務(wù)所面臨的困難是什么？把它描述成一個(gè)有待解決的問題;（2）回顧初中所學(xué)功的知識(shí)，聯(lián)系高中相關(guān)知識(shí)，找到解決問題的證據(jù);（3）運(yùn)用證據(jù)，通過推理得出結(jié)果，并作出解釋;（4）先獨(dú)立思考3分鐘，然后相互交流討論3分鐘，完成任務(wù)限時(shí)6分鐘。

學(xué)生由初中已經(jīng)掌握的兩種特殊情形的功的計(jì)算，聯(lián)想并運(yùn)用高中所學(xué)力的分解或位移分解這一理論證據(jù)，再通過推理解決問題，完成任務(wù)。

【案例2】彈力產(chǎn)生條件實(shí)驗(yàn)探究

第一步：觀察和體驗(yàn)三個(gè)明顯形變的彈力相互作用的實(shí)例，歸納出彈力產(chǎn)生條件。第二步：呈現(xiàn)微小形變的實(shí)例，生成問題“形變是否是必要條件”。第三步：假設(shè)此條件仍適用新實(shí)例，設(shè)計(jì)微小形變放大實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。這個(gè)實(shí)驗(yàn)主要由教師設(shè)計(jì)并準(zhǔn)備好，課堂上主要由教師演示。

以上兩個(gè)案例所用時(shí)間都小于1個(gè)課時(shí)，卻能將科學(xué)探究的主要要素都體現(xiàn)出來。

（二）單元樣態(tài)

采集證據(jù)耗時(shí)較長的教學(xué)內(nèi)容，如以學(xué)生為主做實(shí)驗(yàn)并收集證據(jù)，單課時(shí)就不能呈現(xiàn)完整的科學(xué)探究要素，需要從單元視角，以科學(xué)探究為主題，將多課時(shí)教學(xué)內(nèi)容統(tǒng)整為一個(gè)單元，從整體上把握各個(gè)課時(shí)體現(xiàn)的要素。需要注意的是，多個(gè)課時(shí)必須各有側(cè)重且密切聯(lián)系，以形成完整的科學(xué)探究學(xué)習(xí)歷程。這就是科學(xué)探究的單元樣態(tài)，它一方面要避免無視科學(xué)探究，一方面要避免一節(jié)課只顧要素形式而忽視過程實(shí)質(zhì)，其主旨在于既將科學(xué)探究要素各個(gè)擊破、深度落實(shí)，又從整體上體驗(yàn)領(lǐng)會(huì)科學(xué)探究之形。

【案例3】勻變速運(yùn)動(dòng)規(guī)律探究

從單元視角看，人教版普通高中教科書《物理》（以下簡稱“新教材”）必修第一冊(cè)第二章把對(duì)勻變速運(yùn)動(dòng)規(guī)律的探究分成3節(jié)課。第1節(jié)是“實(shí)驗(yàn)：探究小車速度隨時(shí)間變化的規(guī)律”，第2節(jié)是“勻變速直線運(yùn)動(dòng)的速度與時(shí)間的關(guān)系”，第3節(jié)是“勻變速直線運(yùn)動(dòng)的位移與時(shí)間的關(guān)系”，這3節(jié)合起來構(gòu)成了對(duì)勻變速直線運(yùn)動(dòng)規(guī)律的完整的科學(xué)探究過程。第1節(jié)完成問題和證據(jù)要素，第2節(jié)和第3節(jié)完成解釋與交流要素。第1節(jié)的實(shí)驗(yàn)，其實(shí)就是第2節(jié)和第3節(jié)的實(shí)踐情境，基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所作的速度圖像就是第2節(jié)和第3節(jié)的教學(xué)情境。

二、提質(zhì)：夯實(shí)科學(xué)探究的教學(xué)過程

筆者主要探討從以下三個(gè)方面呈現(xiàn)夯實(shí)科學(xué)探究的教學(xué)過程。

首先，科學(xué)探究過程要以科學(xué)思維為中心?？茖W(xué)探究的主要要素包括問題、證據(jù)、解釋和交流，無論哪一種要素，都離不開科學(xué)思維的支撐?？茖W(xué)思維缺席的科學(xué)探究，就是徒有其形而無其實(shí)，就是花拳繡腿。科學(xué)探究是人類認(rèn)識(shí)事物的戰(zhàn)略性思維方法，科學(xué)思維是人類認(rèn)識(shí)事物的戰(zhàn)術(shù)性思維方法，二者密切融合能夠匯聚為強(qiáng)大的思考力。夯實(shí)科學(xué)探究過程，要以科學(xué)探究要素流程布局，以科學(xué)思維為中心，按照科學(xué)思維的內(nèi)在邏輯展開探究過程。

其次，科學(xué)探究過程要以學(xué)生為主體。教師要以學(xué)生的認(rèn)知基礎(chǔ)和規(guī)律為出發(fā)點(diǎn)和線索，分解教學(xué)活動(dòng)任務(wù)，把握教學(xué)節(jié)奏，推進(jìn)教學(xué)過程，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用科學(xué)思維自主提出問題、尋找證據(jù)，自主運(yùn)用證據(jù)進(jìn)行解釋并積極交流。

再次，科學(xué)探究過程要有充分的時(shí)間保障。許多科學(xué)探究的內(nèi)容往往很多，但在課堂教學(xué)實(shí)踐中由于時(shí)間不夠用，導(dǎo)致不少要素沒有讓學(xué)生展開。學(xué)生缺乏進(jìn)行科學(xué)思維的時(shí)間，只能由教師領(lǐng)著快速完成探究程序。這種科學(xué)探究設(shè)計(jì)，只能使課堂實(shí)踐流于形式。好的科學(xué)探究過程設(shè)計(jì)必須：一要有充分的時(shí)間保障;二要找準(zhǔn)重難點(diǎn)，把時(shí)間多配置于重難點(diǎn)上，非重難點(diǎn)則能舍則舍，要做到容量合理、重難點(diǎn)突出、教學(xué)關(guān)系處理適切，避免撿芝麻丟西瓜。

下面，筆者以新教材必修第二冊(cè)第八章第4節(jié)《機(jī)械能守恒定律》的教學(xué)為例說明。

（一）突出重點(diǎn)保障科學(xué)探究時(shí)間充分

新教材中該節(jié)的教學(xué)邏輯是：從伽利略斜面實(shí)驗(yàn)討論開始，在實(shí)驗(yàn)過程中分析變化量與不變量，在此基礎(chǔ)上討論動(dòng)能和重力勢(shì)能的相互轉(zhuǎn)化，然后推理出機(jī)械能守恒定律，將推理過程和對(duì)機(jī)械能守恒條件的深入理解結(jié)合起來。

從該內(nèi)容的部分公開課可見，有的執(zhí)教者會(huì)把驗(yàn)證機(jī)械能守恒的實(shí)驗(yàn)也設(shè)計(jì)進(jìn)來。

新教材的教學(xué)邏輯和公開課的教學(xué)邏輯存在教學(xué)重點(diǎn)不突出的問題，這會(huì)導(dǎo)致作為重點(diǎn)內(nèi)容的科學(xué)探究教學(xué)，沒有充分的時(shí)間去落實(shí)。

1.從單元視角把握課型定準(zhǔn)重點(diǎn)

第八章標(biāo)題與第4節(jié)標(biāo)題完全一樣，都是“機(jī)械能守恒定律”。第八章共包括5節(jié)內(nèi)容，筆者認(rèn)為可劃分為3個(gè)小單元，圍繞3個(gè)小主題。第1節(jié)“功與功率”為第一單元，主題是掌握定量認(rèn)識(shí)能量的工具;第2節(jié)“重力勢(shì)能”和第3節(jié)“動(dòng)能和動(dòng)能定理”兩節(jié)為第二單元，主題是根據(jù)功定量認(rèn)識(shí)重力勢(shì)能和動(dòng)能及兩個(gè)重要的功能關(guān)系;第4節(jié)“機(jī)械能守恒定律”和第5節(jié)“實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”兩節(jié)為第三單元，主題是運(yùn)用邏輯和實(shí)驗(yàn)結(jié)合的物理學(xué)方法，通過理論探究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合，從能量角度總體上把握機(jī)械運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。

第三單元的教學(xué)建議用4個(gè)課時(shí)，第4、5節(jié)各2個(gè)課時(shí)。第4節(jié)定性為理論探究機(jī)械能守恒定律;第5節(jié)是通過實(shí)驗(yàn)對(duì)前一節(jié)理論探究的結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證，定性為實(shí)驗(yàn)探究。兩節(jié)聯(lián)袂，體現(xiàn)了邏輯推理與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的物理方法。再把第4節(jié)的2個(gè)課時(shí)劃分為第1課時(shí)新授課和第2課時(shí)習(xí)題課。第1課時(shí)新授課定性為理性課，即通過理論探究的學(xué)習(xí)形式，以及分析綜合、推理論證等科學(xué)思維過程，建立機(jī)械能概念和守恒定律。重難點(diǎn)是理解機(jī)械能概念以及機(jī)械能守恒定律的守恒條件和內(nèi)涵。第一課時(shí)新授課的教學(xué)，部分公開課還設(shè)計(jì)了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，這是缺乏從單元視角進(jìn)行整體把握的表現(xiàn)，所謂貪多嚼不爛，把第5節(jié)實(shí)驗(yàn)課的內(nèi)容前移，會(huì)使這節(jié)理性課的理性思考時(shí)間減少，難以保證理性思考的深度展開，讓學(xué)習(xí)流于淺層，無法突出重點(diǎn)、突破難點(diǎn)。

2.合情合理處置非重點(diǎn)內(nèi)容以突出重點(diǎn)

“追尋守恒量”在普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書《物理》（以下簡稱“舊教材”）中被單獨(dú)編寫為一節(jié)，安排在整章之首;新教材刪去這一節(jié)，把部分內(nèi)容并入第4節(jié)，安排在節(jié)首。對(duì)此，教材編寫者作了下述解釋。

舊教材將“追尋守恒量”放到了具體的概念如重力勢(shì)能、彈性勢(shì)能、動(dòng)能之前，即從追尋守恒量出發(fā)引出能量概念，把守恒思想的滲透貫穿于能量學(xué)習(xí)的全過程。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，這種寫法盡管立意很高，得到了一些老師的認(rèn)同，但也有很多老師由于課時(shí)等原因，并沒有單獨(dú)安排這節(jié)課的教學(xué)，因此并沒有達(dá)成預(yù)期的效果。從方便教師開展教學(xué)的角度，新教材沒有把“追尋守恒量”單獨(dú)編為一節(jié)，而是放在第 4 節(jié)“機(jī)械能守恒定律”當(dāng)中。[2]

筆者認(rèn)為，沒有達(dá)成預(yù)期效果的根本原因是不合情理。能量概念的建立和守恒思想的形成是人類歷史上眾多智者經(jīng)歷了漫長的接力，于探索真理的過程中逐步形成的，欲使蕓蕓眾生在1個(gè)課時(shí)的時(shí)間內(nèi)自主體悟、深度體驗(yàn)，根本不可能。這部分內(nèi)容屬于物理學(xué)史，旨在將物理學(xué)家的思想觀念顯性地傳授給學(xué)生，要么學(xué)生自己閱讀，要么教師介紹，而學(xué)生自己閱讀的效果并不比教師講授差。因此，“追尋守恒量”適宜安排在課外，讓學(xué)生閱讀。如此，我們就可把時(shí)間配置到引導(dǎo)學(xué)生自主探究機(jī)械能概念及其發(fā)現(xiàn)守恒的過程，確保有充分的時(shí)間保障重點(diǎn)知識(shí)的深度學(xué)習(xí)發(fā)生。

（二）以學(xué)生為主體、以科學(xué)思維為中心，設(shè)計(jì)科學(xué)探究過程

明確和突出重點(diǎn)之后，筆者先以科學(xué)探究要素流程布局，以科學(xué)思維為中心，按照科學(xué)思維的內(nèi)在邏輯展開探究過程，然后以學(xué)生的認(rèn)知基礎(chǔ)和認(rèn)知規(guī)律為出發(fā)點(diǎn)和線索分解教學(xué)活動(dòng)任務(wù)，把握教學(xué)節(jié)奏推進(jìn)教學(xué)過程，以體現(xiàn)學(xué)生的主體作用。

【案例4】“機(jī)械能守恒定律”科學(xué)探究過程設(shè)計(jì)

1.導(dǎo)入設(shè)計(jì)

復(fù)習(xí)提問：重力勢(shì)能變化與什么力的功密切相關(guān)，有什么關(guān)系？動(dòng)能變化與什么力的功密切相關(guān)，有什么關(guān)系？

導(dǎo)入主題：今天這節(jié)課的任務(wù)是運(yùn)用這些規(guī)律，進(jìn)一步從能量角度分析機(jī)械運(yùn)動(dòng)，探索出新規(guī)律。

2.新課教學(xué)

任務(wù)1：請(qǐng)同學(xué)們觀察擺球運(yùn)動(dòng)，分析動(dòng)能和重力勢(shì)能如何變化。（教師演示球擺動(dòng)，學(xué)生觀察思考問題）

任務(wù)2：請(qǐng)?jiān)俜治銮蛟谧杂上侣溥^程中，動(dòng)能和重力勢(shì)能如何變化。（學(xué)生分析）

任務(wù)3：請(qǐng)你用成語概括出球在擺動(dòng)和自由下落兩種運(yùn)動(dòng)過程中，動(dòng)能變化與重力勢(shì)能變化的共同特征。對(duì)此，你有何猜想？請(qǐng)從能量角度提出一個(gè)定量研究的問題。

[特征：“此消彼長”。猜想：是不是相互轉(zhuǎn)化了？問題：重力勢(shì)能減少（或增加）量是否等于動(dòng)能增加（或減少）量？假設(shè)：重力勢(shì)能與動(dòng)能相互轉(zhuǎn)化，重力勢(shì)能減少（或增加）量等于動(dòng)能增加（或減少）量]

任務(wù)4：請(qǐng)同學(xué)們尋找證據(jù)，驗(yàn)證假設(shè)。（提示學(xué)生：證據(jù)一般可分為理論證據(jù)和實(shí)驗(yàn)證據(jù)，這節(jié)課要求大家回顧已學(xué)知識(shí)，從中尋找證據(jù)，至于設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、采集實(shí)驗(yàn)證據(jù)將放在后面的課時(shí);先自主思考2分鐘，然后相互交流討論2分鐘）

任務(wù)5：接下來，請(qǐng)以理論證據(jù)“動(dòng)能定理”和“重力做功與重力勢(shì)能變化的關(guān)系”，選擇下列情境之一，進(jìn)行推理，給出結(jié)論并解釋。（教師呈現(xiàn)若干情境，學(xué)生選擇推導(dǎo)，嘗試給出結(jié)論并解釋）

任務(wù)6：交流、評(píng)價(jià)（統(tǒng)一認(rèn)識(shí)）。[結(jié)論1：只有重力做功，物體的動(dòng)能和重力勢(shì)能相互轉(zhuǎn)化，動(dòng)能的增加（或減少）量等于重力勢(shì)能的減少（或增加）量。結(jié)論2：有阻力（其他力）做功，物體的動(dòng)能和重力勢(shì)能沒有完全相互轉(zhuǎn)化，動(dòng)能的增加（或減少）量不等于重力勢(shì)能的減少（或增加）量]

任務(wù)7：概念進(jìn)階，轉(zhuǎn)換視角。請(qǐng)嘗試建立一個(gè)“更大”的能量概念，并轉(zhuǎn)換新的視角，換種說法把結(jié)論1描述出來。建構(gòu)“機(jī)械能概念”，發(fā)現(xiàn)“守恒定律”。強(qiáng)調(diào)“條件”，點(diǎn)明“思想”。

新教材的教學(xué)邏輯是先滲透守恒思想，在這一思想支配下，建立機(jī)械能概念，然后再通過推理得出并理解機(jī)械能守恒定律。如此，學(xué)生對(duì)新知識(shí)的學(xué)習(xí)就建立在被動(dòng)接受的觀念上，建構(gòu)的新知識(shí)和原有知識(shí)之間的聯(lián)系不緊密。案例4根據(jù)意義建構(gòu)學(xué)習(xí)理論，設(shè)計(jì)的探究起點(diǎn)是學(xué)生已學(xué)過的功能關(guān)系，由此引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用已有知識(shí)對(duì)不同機(jī)械運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行分析與綜合、比較與概括等科學(xué)思考，自主提出能想得到的問題，逐步將問題延伸到守恒的高度和深度。[□][◢]

參考文獻(xiàn)：

[1]張穎.以核心素養(yǎng)為統(tǒng)領(lǐng)的高中物理教材編寫——2019版普通高中物理（人教版）教材介紹[J].基礎(chǔ)教育課程，2020（11）：57-64.

[2]張穎.人教版《第八章? ?機(jī)械能守恒定律》編寫說明[J].中學(xué)物理，2019（12）：2-5.