核心素養(yǎng)下高中物理思維型課堂習題教學研究

摘 要：《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》中明確提出，通過問題解決促進物理學科核心素養(yǎng)的達成。習題教學是培育物理學科核心素養(yǎng)的有效途徑。思維型教學理論以核心素養(yǎng)為目標追求，強調有效教學的核心是誘發(fā)學生主動思考，培養(yǎng)學生思維能力。嘗試將思維型教學理論與高中物理習題教學有效融合，落實習題教學的育人功能——建構“螺旋階梯”習題教學框架，設計相應教學流程。以高中物理習題教學中較為典型的“板塊問題”為案例，做了課堂實踐探索。

關鍵詞：核心素養(yǎng)；思維型教學；物理習題教學；板塊問題

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2024）8-0024-5

1 核心素養(yǎng)與習題教學

《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》［１］中明確提出，通過問題解決促進物理學科核心素養(yǎng)的達成。要從培養(yǎng)物理學科核心素養(yǎng)的視角審視習題教學的目的，應通過習題教學，使學生在科學思維、探究能力、實踐意識、科學態(tài)度等方面得到有效提升。習題教學的作用不僅僅是為了得到答案，而是要全面提高學生的問題解決能力。習題教學是培育物理學科核心素養(yǎng)的有效途徑。

2 核心素養(yǎng)與思維型教學理論

林崇德、胡衛(wèi)平基于聚焦思維結構的智力理論，提出思維型課堂教學理論（圖1），即思維是智力和能力的核心，思維活動是課堂教學活動的核心活動［2］。經過近二十年的理論和實踐證明，思維型教學理論是指向核心素養(yǎng)的課堂教學的有效途徑［3］。思維型教學理論的應用頗為廣泛，不僅是核心素養(yǎng)方面，課程評價改革與教師專業(yè)能力方面也有長期實踐［4］。

李俊永、王長江、楊明松論證了基于思維型教學理論的課堂教學是培育學生核心素養(yǎng)的有效載體。第一，教學設計上要指向思維的發(fā)展，這是學科育人的保證；第二，情境教學中要引發(fā)思維的動力，這是學科育人的關鍵；第三，教學認知上要契合思維的發(fā)展，這是學科育人的前提［5-6］。

3 核心素養(yǎng)下高中物理習題教學研究

3.1 價值導向與框架建構

習題教學是培育物理學科核心素養(yǎng)的有效途徑。思維型教學理論以核心素養(yǎng)為目標追求，強調有效教學的核心是誘發(fā)學生主動思考，培養(yǎng)學生思維能力。筆者嘗試將思維型教學理論與高中物理習題教學有效融合，落實習題教學的育人功能。

思維型教學理論引領下的習題教學模式，其目標直指核心素養(yǎng)，始終圍繞激發(fā)積極思維這個主題，要有思維必先有認知沖突，因此在整個過程中，學生的核心素養(yǎng)并不是一帆風順、直線式單調變化，而是在“認知沖突”與“核心素養(yǎng)更高水平”的思維過程中持續(xù)、往復。整體上，學生的核心素養(yǎng)會呈現(xiàn)螺旋式、階梯式的發(fā)展，因此將該習題教學框架簡單、形象地命名為“螺旋階梯”教學框架（圖2）。

3.2 核心素養(yǎng)下高中物理習題教學流程

根據(jù)思維型教學理論的五個基本原理以及新課標對習題教學提出的育人要求，思維型教學理論引領下的高中物理習題教學流程如圖3所示。

4 核心素養(yǎng)下高中物理思維型課堂習題教學案例

筆者以高中物理習題教學中較為典型的動力學的板塊問題為案例，對促進核心素養(yǎng)發(fā)展、基于思維型教學理論的“螺旋階梯”習題教學框架加以具體闡釋。

4.1 設置適當情境，激發(fā)學習動機

動力學的板塊問題是運動與相互作用的綜合情境，難度較大。這個經典模型中聚集了摩擦力的深度理解、運動狀態(tài)的定性分析、臨界態(tài)的推理論證等高中物理的核心知識與方法。一般在人教版高中物理必修第一冊學完之后，作為對動力學認識的提煉與升華來呈現(xiàn)。因此，案例1這種地面光滑、僅有一個接觸面粗糙的板塊，更能激發(fā)學生的學習熱情，契合學生的最近發(fā)展區(qū)。

案例1 如圖4所示，有一塊木板A靜置在光滑且足夠大的水平地面上，木板質量M＝4 kg，長L＝2 m，木板右端放一小滑塊B，并處于靜止狀態(tài)，小滑塊質量m＝1 kg，其尺寸遠小于L。小滑塊與木板之間的動摩擦因數(shù)為μ＝0.4。（設最大靜摩擦力等于滑動摩擦力，g取10 m/s2）

（1）現(xiàn)用恒力F始終作用在木板A上，為了讓小滑塊B不從木板A上滑落，求恒力F大小的范圍；

（2）其他條件不變，若恒力F大小為24 N，且始終作用在木板A上，求小滑塊B滑離木板A時的速度大小。

4.2 基于原有定式，產生認知沖突

在學生充分地獨立思考后，對于第（1）問，鼓勵學生勇敢地說出自己的思路，主要是受到之前單個物體是否推動的思維定式影響，誤以為當推力F<μmg時，A、B靜止，符合題中所說B不從A上滑落。這種認知的偏差主要原因是學生的生活經驗大多來源于粗糙地面，很少有光滑地面的直觀感受。再加上之前學習最大靜摩擦力時以推桌子作為典型例子，當水平推力恰好等于最大靜摩擦力，水平面上的桌子處于將要滑動的臨界態(tài)，這種思維定式對于新情境產生了負遷移。而且感覺能看懂、有解題思路的學生暫且還意識不到自己的問題。

教師可以進一步追問，當F=μmg時，A、B都是恰好靜止的嗎？（學生答：是的）靜止時應該滿足的受力條件是什么？（學生答：合力為0）分析一下A、B各自所受的合力一定為0嗎？（學生答：為了滿足A所受合力是0，B對A一定施加了一個向左的摩擦力，但是力的作用是相互的，B也會同時受到向右的摩擦力，B的合力不可能是0……）至此，學生的認知沖突清晰地展現(xiàn)出來了。

4.3 認知社會雙建構，觀念思維再形成

有了強烈的認知沖突后，學生自然議論紛紛。這時教師可以提出“如果一個較小的拉力作用在A上，可能是怎樣的運動狀態(tài)”議題，作為小組討論的主題。給予學生充分思維互動的時間，小組的代表主要有兩種類型的答案。第一種是感覺派，他們認為在光滑的地面上，就算再小的拉力，系統(tǒng)也絕對不可能靜止，要不一起加速，要不就分別加速。第二種是邏輯派，他們可以假設較小的拉力作用時系統(tǒng)靜止，然后對整體受力分析可知水平方向沒有任何力可以和較小的拉力平衡，因此假設不成立，不可能靜止。這兩種答案都是正確的，是具象思維和抽象思維的不同表現(xiàn)。

在得到“不可能靜止，只能是加速狀態(tài)”的觀念之后，教師可以進一步引導，在拉力從0逐漸增大的整個過程中，能不能將A、B的運動狀態(tài)分析清楚？學生定性分析推理可知，當拉力較小時，A、B是一起勻加速；而當拉力較大時，A、B分別勻加速，而且B的加速度要大于A。當拉力處于某個臨界值時，A、B是剛好要滑動或者說剛好不滑動的臨界態(tài)。當A、B接觸面將滑時，根據(jù)F=ma，對B，μmg=ma；對A、B整體，F(xiàn)=（m+M）a，由此可知F=20 N。

4.4 知識方法又遷移，態(tài)度精神恒發(fā)展

4.4.1 設置適當情境，激發(fā)學習動機

如果之前沒有案例，案例2就顯得難度過高，不易激發(fā)學生的學習興趣。但現(xiàn)在通過案例1的學習，學生對于運動與相互作用的認識更為深刻，接觸面之間滑動還是不滑動是需要深入探討的。在掌握了這個光滑地面板塊模型之后，學生的認知水平又達到了新的高度，最近發(fā)展區(qū)也隨之變化，這時案例2的呈現(xiàn)也變得順理成章。

案例2 如圖5所示，質量M＝1 kg、長L＝4 m的木板靜止在粗糙的水平地面上，木板與地面間的動摩擦因數(shù)μ1＝0.1，在木板的左端放置一個質量m＝1 kg、大小可以忽略的鐵塊，鐵塊與木板上表面間的動摩擦因數(shù)μ2＝0.4，g取10 m/s2，求：

（1）若某時刻起在鐵塊上加一個水平向右的恒力F＝5 N，加上恒力F后鐵塊和木板的加速度大??；

（2）若某時刻起在鐵塊上加一個水平向右的恒力F＝8 N，鐵塊經多長時間到達木板的最右端，此時木板的速度為多大？

4.4.2 基于原有定式，產生認知沖突

對于案例1的情境，學生心理上普遍接受度較高，因為這與實際生活聯(lián)系更為緊密，更容易理解。而且經過案例1的學習，學生對于接觸面剛好滑動瞬時力的特征理解也比較熟悉。因此，在對待案例2的第（1）問時，學生的發(fā)言更為踴躍。學生普遍是一上來就不假思索地認為鐵塊分別受到水平向右的恒力（5 N）和水平向左的滑動摩擦力（4 N）。進而根據(jù)F=ma得到鐵塊的加速度為1 m/s2。教師可以引導，此時木板的加速度是多少呢？（學生答：同理，根據(jù)F=ma，對木板受力分析，受到鐵塊施加的水平向右的4 N的摩擦力和地面施加的向左的2 N的滑動摩擦力，因此木板的加速度為2 m/s2。）此時，已經有部分學生根據(jù)生活經驗直覺地認識到拉力作用在鐵塊上，怎么會是鐵塊的加速度小。但是，也有部分學生沒有這樣的感性認識。教師可以繼續(xù)理性追問，那現(xiàn)在木板的加速度比鐵塊大，木板相對鐵塊的運動方向向哪？（學生答：木板相對鐵塊運動方向向右，可是木板受到鐵塊的摩擦力也向右……）至此，學生已經完全意識到這樣的認知有明顯的矛盾。

4.4.3 認知社會雙建構，觀念思維再形成

正所謂，不憤不啟、不悱不發(fā)。在學生產生強烈的認知沖突后，教師才可以適時地拋出這個問題“鐵塊、木板間的接觸面什么情況下才滑動”，作為小組討論的核心議題。經過熱烈、積極的探討后，小組代表出現(xiàn)兩種不同思維下的產物。

第一種是具象思維，對于動摩擦因數(shù)是0.4和0.1有一個豐富的想象力，0.4被想象成鋸齒狀咬合般的接觸面，0.1被想象成綢緞狀絲滑樣的接觸面。根據(jù)生活經驗，自然而然地想象出當恒力較小時，鐵塊、木板間的接觸面不滑動，鐵塊、木板可能靜止，也可能一起向右加速；當恒力較大時，鐵塊、木板間的接觸面滑動，鐵塊、木板分別向右加速，且鐵塊的加速度比木板大。

第二種是抽象思維，邏輯清晰、思維縝密地概括：這是一個上下兩個接觸面哪個先滑動、哪個后滑動的問題。當不能一眼看出哪個接觸面先滑動時，就先假設其中一個接觸面將滑，相當于控制變量，將滑的那個接觸面在假設法的運用下就恰好是最大靜摩擦力。比如說假設鐵塊、木板間的接觸面將要滑動瞬時，那么鐵塊、木板間的接觸面間的摩擦力就是最大靜摩擦力μ2mg。然后，對象轉換為木板，木板受到鐵塊對它施加的最大靜摩擦力μ2mg，相當于一個推桌子情境中外界推力的效果。而木板與地面間的最大靜摩擦力為μ1（mg+Mg），由于在這個情境中，μ2mg>μ1（mg+Mg），說明此時木板與地面間早就已經滑動。由此可證，應該是下接觸面先滑動，然后隨著拉力的繼續(xù)增大，上接觸面才開始滑動。

最后，再由小組綜合分析整個情境的動態(tài)圖景。當拉力非常小時，鐵塊、木板均靜止；當拉力稍大一些時，下接觸面滑動，上接觸面相對靜止，鐵塊、木板一起向右加速；當拉力非常大時，上、下接觸面都滑動，鐵塊、木板分別向右加速，且鐵塊的加速度大于木板。由此可知，案例2比案例1多了一種可能的運動狀態(tài)，臨界態(tài)也比案例1多了一個。

當下接觸面將滑時，根據(jù)F=ma，對鐵塊、木板整體，F(xiàn)=μ1（mg+Mg）；當上接觸面將滑時，同理根據(jù)F=ma，對木板，μ2mg-μ1（mg+Mg）=Ma，對鐵塊、木板整體，F(xiàn)-μ1（mg+Mg）=（m+M）a；在此題的設定下，F(xiàn)=2 N，F(xiàn)=6 N，因此案例2的第（1）小問，在5 N的恒力作用下，鐵塊、木板處于一起勻加速的狀態(tài)。

在上述較復雜的綜合分析過程中，學生頭腦中的運動與相互作用觀念得以繼續(xù)發(fā)展；基于事實證據(jù)和科學推理對運動狀態(tài)的猜想加以檢驗和修正；在知識與方法的遷移辨析、質疑批判中，嚴謹認真、實事求是和持之以恒的科學種子自然而然地在學生的心中萌芽、生長。思維型課堂習題教學注重學生的最近發(fā)展區(qū)，以激發(fā)最大學習動機；在現(xiàn)有的認知觀念下，解決新情境的問題中，認知沖突產生了，由此教育契機也產生了；在教師的引導下，在師生、生生的思維互動中，從認知沖突走向自主建構、監(jiān)控，達到更高的發(fā)展水平；再將發(fā)展后的認知觀念應用遷移到另一個最近發(fā)展區(qū)的情境之中，如此循序漸進，核心素養(yǎng)水平得以持續(xù)螺旋階梯發(fā)展。

參考文獻：

［１］中華人民共和國教育部．普通高中物理課程標準（２０１７年版２０２０年修訂）［S］．北京：人民教育出版社，２０２０：５５－５６．

［２］林崇德， 胡衛(wèi)平． 思維型課堂教學的理論與實踐［Ｊ］． 北京師范大學學報（社會科學版），２０１０（１）：２９－３6．

［３］胡衛(wèi)平．思維型教學理論及其應用［Ｊ］．教育家，２０１８ （４８）：１3－16.

［４］胡衛(wèi)平． 深入理解科學思維 有效實施課程標準［Ｊ］．課程·教材·教法，２０２２，４２（８）：５７－６２．

［５］王長江，李俊永．中學物理“思維型”課堂的教學框架與實施建議［Ｊ］． 課程教學研究，２０１８（１０）：65-68．

［６］李俊永，王長江，楊明松．思維型課堂視域下物理學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)策略［Ｊ］．中小學教材教學，２０２１（１）：48-51．

（欄目編輯 劉 榮）