信息技術(shù)深度融合下的高中物理核心素養(yǎng)教學(xué)研究

文 /李春花

引 言

在教育信息化背景下，在高中物理教學(xué)中應(yīng)用信息技術(shù)受到了廣泛的關(guān)注，而利用信息技術(shù)優(yōu)勢(shì)對(duì)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)進(jìn)行培養(yǎng)則成為教育教學(xué)研究的重點(diǎn)。基于信息技術(shù)的特點(diǎn)，將其引入高中物理課程教學(xué)中，有利于學(xué)生深刻認(rèn)識(shí)物理現(xiàn)象，強(qiáng)化物理概念，形成物理觀念；有利于學(xué)生分析問(wèn)題，提升思維品質(zhì)；有利于學(xué)生動(dòng)手研究物理現(xiàn)象，探究物理規(guī)律；有利于學(xué)生認(rèn)識(shí)物理學(xué)科與社會(huì)發(fā)展的關(guān)系，提升科學(xué)態(tài)度和責(zé)任擔(dān)當(dāng)?；诖耍咧形锢斫處煈?yīng)充分利用信息技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，創(chuàng)造適合新時(shí)代學(xué)生的教學(xué)環(huán)境，凸顯學(xué)生的主體地位，促進(jìn)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的不斷發(fā)展。

一、利用信息技術(shù)與物理的深入融合，培養(yǎng)學(xué)生的物理觀念

物理觀念是指學(xué)生從物理學(xué)的角度形成的關(guān)于物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)與相互作用、能量等的基本認(rèn)識(shí)，是學(xué)生在理解和掌握了物理概念和物理規(guī)律后在頭腦中形成的提煉和升華。在高中物理課程教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生在掌握物理理論知識(shí)的基礎(chǔ)上形成正確的觀念，對(duì)于當(dāng)前的學(xué)習(xí)乃至未來(lái)的發(fā)展都有重要的意義。物理知識(shí)具有高度的抽象性，學(xué)生在理論學(xué)習(xí)過(guò)程中存在一定的困難，而信息技術(shù)能夠呈現(xiàn)出生動(dòng)直觀的視覺(jué)效果，將抽象的物理知識(shí)轉(zhuǎn)化為可觀察、可理解的信息，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生扎實(shí)物理知識(shí)，形成物理觀念[1]?；诖?，在信息技術(shù)與物理學(xué)科深度融合的背景下，教師應(yīng)從以下幾個(gè)方面培養(yǎng)學(xué)生的物理觀念。

第一，運(yùn)用信息技術(shù)引入物理概念，引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突。認(rèn)知沖突是學(xué)生學(xué)習(xí)新知識(shí)的起始階段。在高中物理教學(xué)中，教師可以借助信息技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，將常見(jiàn)的物理現(xiàn)象進(jìn)行提煉，并創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，啟發(fā)學(xué)生思考，激發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，并引導(dǎo)學(xué)生逐步分析問(wèn)題、解決問(wèn)題，進(jìn)而完成認(rèn)知調(diào)整，形成新的物理概念。例如，在講解“質(zhì)點(diǎn)和位移”的相關(guān)知識(shí)時(shí)，教師在課堂上利用希沃白板為學(xué)生展示生活中的物理現(xiàn)象，利用技術(shù)手段加以突出，讓學(xué)生在原有的“位置”“運(yùn)動(dòng)”等概念的基礎(chǔ)上對(duì)“質(zhì)點(diǎn)”“位移”的特點(diǎn)進(jìn)行把握，并產(chǎn)生認(rèn)知沖突，激勵(lì)學(xué)生進(jìn)一步探索，以準(zhǔn)確把握物理概念。

第二，利用微課對(duì)重點(diǎn)知識(shí)進(jìn)行講解，強(qiáng)化學(xué)生的理解。重點(diǎn)知識(shí)對(duì)于學(xué)生建構(gòu)知識(shí)體系有著重要作用。在高中物理教學(xué)中，為了讓學(xué)生了解哪些是重點(diǎn)知識(shí)，以及應(yīng)該如何掌握重點(diǎn)知識(shí)，教師可以利用微課，對(duì)學(xué)生進(jìn)行集中講解，讓學(xué)生能夠全面理解物理概念和規(guī)律，并了解其在物理知識(shí)結(jié)構(gòu)中的地位，為學(xué)生理清知識(shí)脈絡(luò)、構(gòu)建知識(shí)結(jié)構(gòu)做好鋪墊。例如，在“加速度”這一課中，課程的重點(diǎn)是加速度的概念以及定義式a=Δv/Δt，在教學(xué)實(shí)踐中，教師抓住這一重點(diǎn)制作微課，將內(nèi)容濃縮在5 分鐘之內(nèi)的短視頻中，讓學(xué)生通過(guò)自主觀看完成重點(diǎn)知識(shí)的突破，提升學(xué)習(xí)效率。

第三，設(shè)計(jì)思維導(dǎo)圖，引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建物理知識(shí)框架。在物理課程學(xué)習(xí)中，未經(jīng)整合的知識(shí)是零碎的，學(xué)生學(xué)到的只是單個(gè)的概念、規(guī)律和原理，對(duì)知識(shí)的理解不夠深入，更難以形成系統(tǒng)的知識(shí)結(jié)構(gòu)和完整的物理觀念。鑒于此，教師在教學(xué)指導(dǎo)時(shí)可以利用信息技術(shù)引入思維導(dǎo)圖，利用動(dòng)態(tài)的圖形幫助學(xué)生理清各個(gè)物理概念、規(guī)律之間的內(nèi)在聯(lián)系，或者教授學(xué)生方法，讓學(xué)生根據(jù)自己的喜好，自主設(shè)計(jì)知識(shí)框架，并在重新回顧物理知識(shí)、挖掘知識(shí)間的聯(lián)系、設(shè)計(jì)并調(diào)整導(dǎo)圖的過(guò)程中，深化對(duì)理論知識(shí)的理解，形成物理觀念。

二、利用信息技術(shù)與物理的深入融合，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維

科學(xué)思維是指學(xué)生從物理學(xué)視角對(duì)客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識(shí)方式，如模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等都是科學(xué)思維的體現(xiàn)。物理作為一門自然科學(xué)，在培養(yǎng)學(xué)生思維品質(zhì)方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，但是，長(zhǎng)期以來(lái)，在應(yīng)試教育的影響下，學(xué)生在物理知識(shí)探究中更多關(guān)注提升認(rèn)知、積累知識(shí)，而在思維方面卻難以實(shí)現(xiàn)有效提升[2]。例如，對(duì)于物理模型的建構(gòu)缺乏細(xì)節(jié)，在推理、論證過(guò)程中的參與度不高，更多的是按照教材的指導(dǎo)展開(kāi)學(xué)習(xí)，缺乏質(zhì)疑創(chuàng)新的意識(shí)和能力。對(duì)此，信息技術(shù)的應(yīng)用則為學(xué)生的自主學(xué)習(xí)提供了機(jī)會(huì)，讓學(xué)生能夠通過(guò)特定的情境發(fā)現(xiàn)物理現(xiàn)象，并展開(kāi)分析綜合、推理論證，實(shí)現(xiàn)了從感性思維到理性思維的過(guò)渡，提升了科學(xué)思維水平。

例如，在“加速度”相關(guān)知識(shí)的教學(xué)中，教師利用phyphox 軟件設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)并運(yùn)用加速度傳感器。根據(jù)核心素養(yǎng)的要求，教師對(duì)學(xué)生的科學(xué)思維發(fā)展提出要求，即結(jié)合x(chóng)-t圖、v-t圖和α-t圖運(yùn)用數(shù)學(xué)方法，鞏固數(shù)形結(jié)合的思想方法，提高理性分析問(wèn)題的能力。在教學(xué)活動(dòng)中，教師首先介紹phyphox 軟件，讓學(xué)生了解加速度傳感器，認(rèn)識(shí)3 個(gè)方向的加速度，確定主要的參數(shù)。然后，教師在該軟件的輔助下，指導(dǎo)學(xué)生研究自由落體運(yùn)動(dòng)。在地上放一塊軟墊，手機(jī)平放在手上離軟墊一定高度，打開(kāi)軟件，點(diǎn)擊Acceleration withg，運(yùn)行按鈕，放手，手機(jī)下落到軟墊上，截取ε軸數(shù)據(jù)，容易看出放手前x方向加速度約為9.8 m/s2。整個(gè)下落過(guò)程中x方向加速度為零。通過(guò)對(duì)這一現(xiàn)象的觀察，教師引導(dǎo)學(xué)生思考自由落體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中加速度的變化。學(xué)生通過(guò)觀察手機(jī)軟件中呈現(xiàn)出的數(shù)據(jù)，可以推導(dǎo)出在落地的過(guò)程中手機(jī)處于完全失重狀態(tài)，在掉在墊子上時(shí)加速度突然增大后減小為約9.8 m/s2。接下來(lái)，教師引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)“手機(jī)掉落”過(guò)程中形成的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并結(jié)合加速度傳感器中的信息進(jìn)行理性思考，形成加速度的模型。最后，教師為學(xué)生展示“蹦極”運(yùn)動(dòng)，并給出相關(guān)數(shù)據(jù)，指導(dǎo)學(xué)生根據(jù)其中的信息運(yùn)用模型。在信息技術(shù)的輔助下，學(xué)生根據(jù)手機(jī)先失重后超重的過(guò)程，可以發(fā)現(xiàn)加速度先為正后為負(fù)的規(guī)律，明確加速度先向上后向下的方向，并以此推導(dǎo)、構(gòu)建物理模型。在這一過(guò)程中，學(xué)生通過(guò)感性認(rèn)識(shí)逐漸過(guò)渡到理性思考，并在信息技術(shù)的輔助下，針對(duì)常見(jiàn)的物理現(xiàn)象推導(dǎo)出抽象的物理模型，從而提高了科學(xué)思維能力。

三、利用信息技術(shù)與物理的深入融合，引導(dǎo)學(xué)生的科學(xué)探究

物理是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，而學(xué)生開(kāi)展科學(xué)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程就是獲取知識(shí)、提升科學(xué)素養(yǎng)的過(guò)程。根據(jù)高中物理核心素養(yǎng)的要求，學(xué)生的科學(xué)探究素養(yǎng)是在物理問(wèn)題的驅(qū)動(dòng)下，完成猜想和假設(shè)，獲取和處理信息，最后根據(jù)證據(jù)得出結(jié)論并針對(duì)物理現(xiàn)象做出解釋的過(guò)程。在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究素養(yǎng)的過(guò)程中，組織學(xué)生參與物理實(shí)驗(yàn)活動(dòng)是十分必要的。但是，從具體教學(xué)情況來(lái)看，受到教學(xué)條件限制、實(shí)驗(yàn)本身局限、學(xué)生的參與意愿等因素的影響，一些實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展情況并不理想。學(xué)生對(duì)物理現(xiàn)象的探究不夠充分，其核心素養(yǎng)的發(fā)展也受到了一定的影響。對(duì)此，在教育信息化背景下，教師應(yīng)充分利用技術(shù)優(yōu)勢(shì)，改進(jìn)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程，促使學(xué)生在真實(shí)或者虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中經(jīng)歷科學(xué)探究的過(guò)程，提升科學(xué)素養(yǎng)[3]。

例如，在“彈力”相關(guān)知識(shí)的教學(xué)中，教師根據(jù)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)目標(biāo)，對(duì)學(xué)生提出如下要求：能完成“探究彈簧彈力的大小與伸長(zhǎng)量的關(guān)系”的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，能使用彈簧測(cè)力計(jì)、刻度尺等器材收集數(shù)據(jù)，能通過(guò)作圖或其他方法分析數(shù)據(jù)形成初步的結(jié)論。為引導(dǎo)學(xué)生有效展開(kāi)自主實(shí)驗(yàn)探究，教師采用了翻轉(zhuǎn)課堂的方法，即在課前為學(xué)生提供自主學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)，并提出思考問(wèn)題：當(dāng)用較小的拉力拉彈簧時(shí)，撤去拉力，彈簧能否恢復(fù)原狀？當(dāng)用很大的力把彈簧拉直時(shí)，撤去拉力，彈簧能否恢復(fù)原狀？在問(wèn)題的啟發(fā)下，學(xué)生探究彈性限度的概念，并結(jié)合視頻中的內(nèi)容設(shè)計(jì)“探究彈簧彈力的大小與伸長(zhǎng)量的關(guān)系”的任務(wù)，促使學(xué)生初步思考并探究彈力F與形變量x大小之間的關(guān)系。接下來(lái)，在課堂實(shí)驗(yàn)中，教師利用希沃白板，引導(dǎo)學(xué)生展現(xiàn)課前實(shí)驗(yàn)探究成果，并引導(dǎo)學(xué)生在白板的幫助下完成數(shù)據(jù)整理和分析，進(jìn)而總結(jié)彈簧彈力的大小與伸長(zhǎng)量的關(guān)系。在這一過(guò)程中，信息技術(shù)的應(yīng)用推動(dòng)了課堂的翻轉(zhuǎn)，讓學(xué)生獲得自主探究的機(jī)會(huì)，鍛煉了學(xué)生科學(xué)探究的能力，促進(jìn)了學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的發(fā)展。

此外，在高中物理教學(xué)中，信息技術(shù)的應(yīng)用還能夠?yàn)閷W(xué)生構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)室，讓師生通過(guò)虛擬環(huán)境展開(kāi)多樣化的實(shí)驗(yàn)探究。例如，目前市場(chǎng)上開(kāi)發(fā)的一些專業(yè)的虛擬實(shí)驗(yàn)室軟件，內(nèi)容上涵蓋了高中物理教材上的重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)。教師可根據(jù)學(xué)生科學(xué)探究素養(yǎng)發(fā)展的需要在線開(kāi)發(fā)課件，自由創(chuàng)建、組裝實(shí)驗(yàn)，營(yíng)造智能化、完全開(kāi)放的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。在虛擬實(shí)驗(yàn)室中，教師可以開(kāi)展力學(xué)實(shí)驗(yàn)、電學(xué)實(shí)驗(yàn)，可以探究平拋物體的運(yùn)動(dòng)、驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律等。在這樣的教學(xué)環(huán)境中，信息技術(shù)與物理學(xué)科實(shí)現(xiàn)了高度融合，打破了以演示為主的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，讓學(xué)生能夠自由開(kāi)展科學(xué)實(shí)驗(yàn)，完成在現(xiàn)實(shí)中無(wú)法完成的實(shí)驗(yàn)，從而促進(jìn)科學(xué)探究素養(yǎng)的發(fā)展。

四、利用信息技術(shù)與物理的深入融合，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

科學(xué)態(tài)度與責(zé)任是指學(xué)生在認(rèn)識(shí)科學(xué)本質(zhì)的基礎(chǔ)上形成的對(duì)科學(xué)技術(shù)的正確態(tài)度，以及對(duì)科技創(chuàng)新、社會(huì)發(fā)展產(chǎn)生的責(zé)任感。物理學(xué)科與現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展密切相關(guān)，從某種程度上來(lái)講，物理學(xué)科研究的突破是社會(huì)創(chuàng)新發(fā)展的重要?jiǎng)恿?。因此，教師?yīng)從學(xué)生終身發(fā)展的角度出發(fā)，提高學(xué)生的思想認(rèn)識(shí)，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到科學(xué)與社會(huì)發(fā)展的關(guān)系，并在融入社會(huì)的過(guò)程中形成責(zé)任與擔(dān)當(dāng)。在教育信息化背景下，信息技術(shù)與物理學(xué)科的深度融合，一方面能夠?yàn)閷W(xué)生創(chuàng)造更加真實(shí)、開(kāi)放、有效的教學(xué)環(huán)境，培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)，為學(xué)生未來(lái)進(jìn)入社會(huì)、參與創(chuàng)新發(fā)展打好基礎(chǔ)；另一方面也能從側(cè)面體現(xiàn)出科學(xué)技術(shù)在推動(dòng)社會(huì)教育發(fā)展方面的價(jià)值，引導(dǎo)學(xué)生形成科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。基于此，在高中物理學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的過(guò)程中，教師應(yīng)利用信息技術(shù)的優(yōu)勢(shì)推動(dòng)教學(xué)創(chuàng)新，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的發(fā)展[4]。

例如，在“加速度”相關(guān)知識(shí)的教學(xué)中，教師利用phyphox 軟件設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)并運(yùn)用加速度傳感器。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，教師利用軟件的功能，指導(dǎo)學(xué)生展開(kāi)實(shí)驗(yàn)探究，并對(duì)原始數(shù)據(jù)的導(dǎo)出、保存、處理和分析提出明確要求，促使學(xué)生認(rèn)識(shí)到科學(xué)和技術(shù)發(fā)展密切相關(guān)的現(xiàn)實(shí)。在信息技術(shù)的輔助下，學(xué)生完成了對(duì)加速度傳感器的應(yīng)用，同時(shí)，結(jié)合生活中的“失重”現(xiàn)象了解其原理及相關(guān)應(yīng)用。學(xué)生在運(yùn)用技術(shù)手段探究物理知識(shí)、構(gòu)建物理模型的過(guò)程中，教師潛移默化地滲透科學(xué)與社會(huì)的關(guān)系，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到科學(xué)和社會(huì)的和諧發(fā)展可以使二者共同進(jìn)步，相輔相成，進(jìn)而激發(fā)學(xué)生的科學(xué)精神，培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)擔(dān)當(dāng)。

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版2020 年修訂）》提出了STSE 理念，要求學(xué)生正確認(rèn)識(shí)科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)、環(huán)境之間的關(guān)系，了解物理與社會(huì)生活之間的密切聯(lián)系?；诖?，教師可以從教材中進(jìn)行拓展，并利用信息技術(shù)為學(xué)生展現(xiàn)當(dāng)前物理研究的成果，如球床模塊式高溫氣冷堆核電站、核天體物理研究、清潔氫氣、雙層石墨烯奇異分?jǐn)?shù)態(tài)等，利用技術(shù)手段動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)這些先進(jìn)技術(shù)，讓學(xué)生有身臨其境之感，讓學(xué)生在科學(xué)技術(shù)的吸引下對(duì)物理產(chǎn)生濃厚的興趣，并提高學(xué)生學(xué)好物理的責(zé)任感。

結(jié) 語(yǔ)

總之，在教育信息化背景下，高中物理在與信息技術(shù)深度融合的過(guò)程中，正朝向高效率、高質(zhì)量的方向發(fā)展。利用信息技術(shù)推動(dòng)物理教學(xué)實(shí)踐的創(chuàng)新，是教育領(lǐng)域現(xiàn)代化發(fā)展趨勢(shì)。因此，教師應(yīng)圍繞學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展進(jìn)行積極探索，創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)，積累經(jīng)驗(yàn)，推動(dòng)教學(xué)改革不斷深入。