聚焦高階素養(yǎng)培育 深化課堂教學(xué)思維

摘 要：現(xiàn)有教學(xué)研究中缺乏針對(duì)物理學(xué)科特征創(chuàng)設(shè)合適“情境”與生成適宜“問題”的高中物理課堂教學(xué)模式設(shè)計(jì)，課堂教學(xué)思維深度不足，導(dǎo)致學(xué)生物理素養(yǎng)不高。本文通過對(duì)高考真題的情境特征進(jìn)行剖析，生成適宜的問題，探究采取七個(gè)思維步驟尋找思維化課堂的教學(xué)模式，把“學(xué)堂”變“殿堂”，培育學(xué)生的高階素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：情境；思維；高階素養(yǎng)

1 引言素養(yǎng)是知識(shí)、技能、經(jīng)驗(yàn)、態(tài)度和價(jià)值觀等在一定情境下的綜合體現(xiàn)，反映了知識(shí)與情境緊密聯(lián)系的綜合能力。高階素養(yǎng)則是指以分析、綜合、評(píng)價(jià)和創(chuàng)新為認(rèn)知目標(biāo)，解決復(fù)雜情境問題的能力。目前，我國(guó)高考重視通過情境化試題來考查學(xué)生的必備知識(shí)和關(guān)鍵能力，這就對(duì)學(xué)生的高階素養(yǎng)有較高的要求。然而，經(jīng)過筆者的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有教學(xué)研究中缺乏針對(duì)物理學(xué)科特征創(chuàng)設(shè)合適“情境”、生成適宜“問題”的高中物理課堂教學(xué)模式設(shè)計(jì)。課堂教學(xué)過程中的思維深度不足，導(dǎo)致對(duì)學(xué)生高階素養(yǎng)的培養(yǎng)缺失。為此，筆者試圖探索思維導(dǎo)向的課堂教學(xué)模式，以期將“學(xué)堂”轉(zhuǎn)變?yōu)榕囵B(yǎng)學(xué)生高階素養(yǎng)的“殿堂”。

2 將真實(shí)復(fù)雜情境創(chuàng)設(shè)為合適的、個(gè)性化的物理情境及問題探究物理試題通常以真實(shí)世界中的問題情境為背景進(jìn)行設(shè)計(jì)，將情境與物理學(xué)科知識(shí)和物理能力相結(jié)合，形成以解決問題或完成任務(wù)為核心的活動(dòng)領(lǐng)域。這種設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)學(xué)生在真實(shí)的物理情境中提取和轉(zhuǎn)換信息，從而將“未知”轉(zhuǎn)化為“已知”。［1］高中物理課堂教學(xué)應(yīng)當(dāng)創(chuàng)設(shè)接近學(xué)生生活、傳統(tǒng)和時(shí)代背景的生活實(shí)踐情境問題，分析真實(shí)情境中的復(fù)雜問題，提取并轉(zhuǎn)化情境中的有效信息，以建構(gòu)物理模型。通過引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考和探索，培養(yǎng)學(xué)生的直覺思維，激發(fā)學(xué)生內(nèi)在的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，提高學(xué)生提取和分析關(guān)鍵信息的能力。這樣的教學(xué)方式能夠促進(jìn)物理課堂的多維互動(dòng)，深化思維的深度，整合學(xué)生的智力資源，最終實(shí)現(xiàn)培育學(xué)生高階素養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo)。

2.1 將運(yùn)動(dòng)（游戲）轉(zhuǎn)化為物理現(xiàn)象，激發(fā)內(nèi)在學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，培育直覺思維

高考試題將貼近生活的真實(shí)情境作為探究載體是一種趨勢(shì)。這體現(xiàn)了物理知識(shí)的實(shí)用性，也有效激發(fā)了學(xué)生探究問題的內(nèi)在學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。《中國(guó)高考評(píng)價(jià)體系說明》強(qiáng)調(diào)“通過選取適宜的素材，再現(xiàn)學(xué)科理論產(chǎn)生的場(chǎng)景或是呈現(xiàn)現(xiàn)實(shí)中的問題情境，讓學(xué)生在真實(shí)的背景下發(fā)揮核心價(jià)值的引領(lǐng)作用，運(yùn)用必備知識(shí)和關(guān)鍵能力去解決實(shí)際問題，全面綜合展現(xiàn)學(xué)科素養(yǎng)水平。”［2］2019年至2021年高考試題中涉及真實(shí)情境的部分高考例題如表1所示。試題中的場(chǎng)景是大多數(shù)學(xué)生都親身經(jīng)歷過的。學(xué)生需要將這些經(jīng)歷體驗(yàn)與物理知識(shí)聯(lián)系起來，提出合適的問題，并從動(dòng)力學(xué)、能量、動(dòng)量等角度建構(gòu)物理模型，進(jìn)行物理描述。這是解決問題的必要環(huán)節(jié)，也是學(xué)生展現(xiàn)關(guān)鍵能力的時(shí)刻。

教學(xué)思考：提取有效信息通常是解決問題的重要步驟，而對(duì)有效信息進(jìn)行合理的聯(lián)想、抽象、概括，并建構(gòu)物理模型，是培養(yǎng)學(xué)生高階素養(yǎng)的關(guān)鍵過程。例如，在如圖1所示的情境中，學(xué)生需要提取“籃球運(yùn)圓周運(yùn)動(dòng)模型，紐扣上距離中心1cm處的位置做理想化處理，建構(gòu)為質(zhì)點(diǎn)模型動(dòng)員原地垂直起跳扣籃，離地后重心上升的最大高度為H”的信息，然后抽象和概括這一信息，建構(gòu)出重心進(jìn)行豎直上拋運(yùn)動(dòng)的物理模型，并應(yīng)用運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律來研究和解釋問題。在如圖2所示的情境中，學(xué)生需要求解“同學(xué)蕩到秋千支架的正下方時(shí)每根繩子平均承受的拉力”，這時(shí)研究對(duì)象和問題應(yīng)集中在同學(xué)和秋千踏板上；這考驗(yàn)了學(xué)生靈活選擇研究對(duì)象的意識(shí)以及應(yīng)用運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律分析解決生活中常見物理現(xiàn)象的能力。在如圖3所示的情境中，學(xué)生需要對(duì)關(guān)鍵信息進(jìn)行提取、分析和轉(zhuǎn)化，將紐扣的運(yùn)動(dòng)抽象概括為圓周運(yùn)動(dòng)模型，并將紐扣的“模糊”正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)交替運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為圓周運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行探究；這有助于提高學(xué)生獲取和處理信息的能力。上述三種場(chǎng)景可以通過不同的研究對(duì)象或從不同的物理視角（力與運(yùn)動(dòng)、功和能、動(dòng)量定理等）進(jìn)行分析。然而，這樣的做法可能會(huì)導(dǎo)致學(xué)生的分析視角過于分散，使得課堂思維的深度無法得到有效延伸，從而不利于學(xué)生高階素養(yǎng)的形成。為了改善這一點(diǎn)，建議課堂教學(xué)過程應(yīng)從學(xué)生的生活體驗(yàn)視角入手，讓學(xué)生帶著情境化的、合適的、具體的問題去驅(qū)動(dòng)研究過程。例如，教師從運(yùn)動(dòng)、游戲等學(xué)生熟悉的場(chǎng)景導(dǎo)入，更容易營(yíng)造課堂研討的氛圍，生成問題驅(qū)動(dòng)的課堂聚焦。這有利于發(fā)揮學(xué)生的直覺聯(lián)想，訓(xùn)練其發(fā)散思維，進(jìn)行模型建構(gòu)，從而提高學(xué)生的直覺思維能力。

2.2 將傳統(tǒng)“科學(xué)文化”轉(zhuǎn)化為物理探究，訓(xùn)練學(xué)生關(guān)鍵信息提取及分析能力真題呈現(xiàn)。

（2021年廣東卷第13題）算盤是我國(guó)古老的計(jì)算工具，中心帶孔的相同算珠可在算盤的固定導(dǎo)桿上滑動(dòng)，使用前算珠需要?dú)w零。如圖所示，水平放置的算盤中有甲、乙兩顆算珠未在歸零位置，甲靠邊框b，甲、乙相隔s1＝3.5×10－2m，乙與邊框a相隔s2＝2.0×10－2m，算珠與導(dǎo)桿間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ＝0.1。現(xiàn)用手指將甲以0.4m/s的初速度撥出，甲、乙碰撞后甲的速度大小為0.1m/s，方向不變，碰撞時(shí)間極短且不計(jì)，重力加速度g取10m/s2。

（1）通過計(jì)算，判斷乙算珠能否滑動(dòng)到邊框a。

（2）求甲算珠從撥出到停下所需的時(shí)間。

真題分析。以我國(guó)古代計(jì)算工具算盤為載體，學(xué)生可以提煉與升華頭腦中的物理概念和規(guī)律，從而發(fā)現(xiàn)其中的物理現(xiàn)象，并從中提取關(guān)鍵有效信息，利用對(duì)甲、乙算珠運(yùn)動(dòng)與相互作用、能量等的基本認(rèn)識(shí)，將物理現(xiàn)象基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)建構(gòu)物理模型。用手指將甲算珠以0.4m/s的初速度撥出后，甲算珠的運(yùn)動(dòng)模型是容易判定的，但甲、乙算珠碰撞過程的關(guān)鍵信息提取難度較大。比如，將“碰撞時(shí)間極短且不計(jì)”提取分析，捕捉甲、乙算珠碰撞過程中內(nèi)力遠(yuǎn)大于摩擦力（外力），考慮用動(dòng)量守恒定律解決問題。甲、乙算珠碰撞后瞬間，乙算珠與邊框a仍然相隔s2＝2.0×10－2m，假設(shè)乙算珠勻減速s′2停下來，運(yùn)用運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律有v24＝2as′2，將計(jì)算求得的s′2同s2比較。本實(shí)例具有較強(qiáng)的綜合性與應(yīng)用性，考查了學(xué)生的多種素養(yǎng)。

評(píng)價(jià)與質(zhì)疑。題中假設(shè)兩顆算珠發(fā)生了彈性碰撞，據(jù)此筆者計(jì)算如下。甲算珠以速度v1＝0.3m/s碰撞靜止的乙算珠，碰撞后甲算珠的速度v3＝0.1m/s，乙算珠的速度v4＝0.2m/s，那么此碰撞的恢復(fù)系數(shù)e＝v4－v3v1－0＝13，則碰撞時(shí)間由公式Δt＝2（1＋e）Rv1＋v2（其中v2為乙算珠被碰前的速度）求得。［3］而古代算珠的厚度約為D＝1.3cm，代入計(jì)算得Δt≈0.058s。設(shè)碰撞過程甲算珠對(duì)乙算珠的彈力的平均值為F，由動(dòng)量定理有（F－f）Δt＝mv4－0。一顆算珠的質(zhì)量約為10g，代入計(jì)算得F≈0.044N。此時(shí)內(nèi)力F僅為外力f的4.4倍，那么外力是否可以忽略呢？此碰撞情境系統(tǒng)還能用動(dòng)量守恒定律嗎？乙算珠與邊框a相隔僅s2＝2.0×10－2m，算珠碰撞過程中乙算珠滑動(dòng)的位移Δs與s2相比可以忽略嗎？

教學(xué)思考。雖然碰撞時(shí)間僅為Δt≈0.058s，然而通過碰撞過程中內(nèi)外力的比較，發(fā)現(xiàn)碰撞系統(tǒng)的動(dòng)量守恒使用存在疑問。如此小的碰撞速度加之狹窄的距離，導(dǎo)致乙算珠能否滑動(dòng)到邊框a也存在爭(zhēng)議。因此，本情境下碰撞時(shí)間、碰撞過程和作為外力的摩擦力均不能被忽略。

在教學(xué)過程中，教師應(yīng)當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生嘗試運(yùn)用直覺思維，調(diào)用動(dòng)力學(xué)、能量關(guān)系、動(dòng)量守恒定律等物理知識(shí)進(jìn)行合理的聯(lián)想，形成物理表述（包括物理規(guī)律、物理概念、物理圖像等）。通過分析論證，學(xué)生能夠?qū)⒓住⒁宜阒榈倪\(yùn)動(dòng)表述為常見的勻變速運(yùn)動(dòng)和碰撞物理模型，進(jìn)而探究并解決“舊”事物中的“新”問題。這樣的過程不僅能夠促進(jìn)學(xué)生對(duì)物理知識(shí)的深入理解，還能夠培養(yǎng)學(xué)生的多元素養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)綜合發(fā)展。

3 培育高階素養(yǎng)的思維過程及教學(xué)示例物理知識(shí)具有情境性特征。本文以“情境”為探究載體，思考情境化的“問題”，采用行之有效的操作策略，從探索發(fā)現(xiàn)、動(dòng)手實(shí)踐、交流合作、論證應(yīng)用等方面，系統(tǒng)地思考核心素養(yǎng)導(dǎo)向下培育學(xué)生高階素養(yǎng)的思維過程（如圖4所示）。

教學(xué)示例。

（2022年浙江卷第21題）航載機(jī)電磁彈射是現(xiàn)在航母最先進(jìn)的彈射技術(shù)，我國(guó)在這一領(lǐng)域已達(dá)到世界先進(jìn)水平。某興趣小組開展電磁彈射系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究，如圖1所示，用于推動(dòng)模型飛機(jī)的動(dòng)子（圖中未畫出）與線圈絕緣并固定，線圈帶動(dòng)動(dòng)子，可在水平導(dǎo)軌上無摩擦滑動(dòng)。線圈位于導(dǎo)軌間的輻向磁場(chǎng)中，其所在處的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小均為B。開關(guān)S與1接通，恒流源與線圈連接，動(dòng)子從靜止開始推動(dòng)飛機(jī)加速，飛機(jī)達(dá)到起飛速度時(shí)與動(dòng)子脫離；此時(shí)S擲向2接通定值電阻R0，同時(shí)施加回撤力F，在F和磁場(chǎng)力作用下，動(dòng)子恰好返回至初始位置停下。若動(dòng)子從靜止開始至返回過程的v-t圖像如圖2所示，在t1至t3時(shí)間內(nèi)F＝（800－10v）N，t3時(shí)撤去F。已知起飛速度v1＝80m/s，t1＝1.5s，線圈匝數(shù)n＝100匝，每匝周長(zhǎng)l＝1m，飛機(jī)的質(zhì)量M＝10kg，動(dòng)子和線圈的總質(zhì)量m＝5kg，R0＝9.5Ω，B＝0.1T，不計(jì)空氣阻力和飛機(jī)起飛對(duì)動(dòng)子運(yùn)動(dòng)速度的影響。求：

（1）恒流源的電流I；

（2）線圈電阻R；

（3）時(shí)刻t3。

示例評(píng)析。以科技“熱點(diǎn)”為載體創(chuàng)設(shè)物理情境進(jìn)行探究，不僅能夠激發(fā)學(xué)生的內(nèi)在探究動(dòng)機(jī)，還能夠滲透愛國(guó)主義教育，體現(xiàn)“立德樹人”的教育根本目標(biāo)。學(xué)生對(duì)艦載機(jī)電磁彈射系統(tǒng)可能只聞其名而未親眼見過，對(duì)其結(jié)構(gòu)和具體工作原理充滿探究欲望，這有利于提高學(xué)生從物理學(xué)視角進(jìn)行探究的意識(shí)和能力。以例題為基礎(chǔ)的高階素養(yǎng)培育的探究過程如表2所示。本題情境復(fù)雜，對(duì)學(xué)生的素養(yǎng)要求較高。掌握相關(guān)的物理學(xué)知識(shí)是解決問題的基本條件；運(yùn)用相應(yīng)的物理學(xué)研究思維是解決問題的必要手段。由于題目情境涉及的信息量龐大且錯(cuò)綜復(fù)雜，學(xué)生需要從物理學(xué)視角提取關(guān)鍵信息，運(yùn)用直覺思維將生成的問題與物理知識(shí)相互聯(lián)系，建構(gòu)物理模型，分析電磁彈射系統(tǒng)的工作原理，并應(yīng)用相關(guān)的物理規(guī)律、物理概念、規(guī)范的物理符號(hào)等來描述和解釋問題。通過質(zhì)疑與評(píng)價(jià)，反思探究過程，優(yōu)化問題解決設(shè)計(jì)，借助遷移與創(chuàng)新，教師可以深化課堂思維，推動(dòng)學(xué)生高階素養(yǎng)的形成。

教學(xué)建議。以學(xué)生熟悉的科技“熱點(diǎn)”為背景作為探究的載體，更有利于激發(fā)學(xué)生的內(nèi)在探究動(dòng)機(jī)。縱橫交錯(cuò)的物理情節(jié)有助于考查學(xué)生提取和綜合分析有效信息的能力，以及在抽象概括方面的模型建構(gòu)水平。此外，從電磁彈射系統(tǒng)的同一情境出發(fā)，可以從電生磁、磁生電、動(dòng)量定理等多個(gè)物理視角進(jìn)行探究，生成不同層次的探究問題，促使學(xué)生產(chǎn)生持續(xù)的內(nèi)在學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。

4 結(jié)束語

學(xué)生高階素養(yǎng)的培育是一個(gè)長(zhǎng)期的過程，需要教師在教學(xué)過程中不斷地以復(fù)雜的“情境”為載體，以情境化的“問題”為驅(qū)力，推動(dòng)學(xué)生進(jìn)行探究和思考。這個(gè)過程應(yīng)該遵循探索發(fā)現(xiàn)、動(dòng)手實(shí)踐、交流合作、論證應(yīng)用的思維過程同時(shí)過程應(yīng)該包含提取有效信息、生成問題、建構(gòu)模型、分析解釋、質(zhì)疑評(píng)價(jià)、解決問題、遷移創(chuàng)新這七個(gè)思維步驟。在教學(xué)過程中，教師應(yīng)該漸進(jìn)式地創(chuàng)設(shè)學(xué)生能夠獨(dú)立探索的復(fù)雜情境，幫助學(xué)生豐富其想象力，調(diào)動(dòng)內(nèi)在動(dòng)機(jī)，培養(yǎng)直覺思維，以及提升關(guān)鍵信息的提取、分析與轉(zhuǎn)化能力。同時(shí)，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生將物理知識(shí)與生活情境緊密聯(lián)系起來，使學(xué)生逐步形成探索和解決復(fù)雜情境的綜合實(shí)踐能力。

參考文獻(xiàn)

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*基金項(xiàng)目：本文系廣州市增城區(qū)教育科學(xué)規(guī)劃2021年度課題“基于核心素養(yǎng)的物理情境問題化研究”（課題編號(hào)：ZC2021108）的階段性成果及廣州市增城區(qū)教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2020年度課題“基于核心素養(yǎng)的高中物理概念情境化教學(xué)研究”（課題編號(hào)：ZC2020020）的階段性成果。