中學物理三維課程目標的實現

　　培養和提高全體學生的科學素養是新課程標準對中學物理課程價值取向的重新界定。與之相對應，課程標準又規定了課程目標的三維結構體系，即“知識與技能”、“過程與方法”、“情感、態度與價值觀”。三維課程目標結構正是科學素養的全面解析和具體化，如何落實三維課程目標成為擺在教學實踐中的緊迫任務。
　　
　　一、三維課程目標的關系及實施的困難
　　
　　在解讀物理課程標準中的課程目標部分時，我們認為，“知識與技能”、“過程與方法”、“情感、態度與價值觀”是從不同側面對課程總目標的解析，是一個統一的整體，不能夠截然分開。它們之間既不是相互獨立的，更不是相互對立的，而是層層遞進的關系。具體而古，“知識與技能”是基礎，“過程與方法”是重點，“情感、態度與價值觀”是目的。只有掌握“基礎”，把握“重點”，才能最終達到“目的”。
　　在教學實施的過程中，這三個維度中的任何一個都不能完全獨立于其他維度而單獨成立，它們應該是以一個有機整體的形式滲透到每一個具體的教學環節中。這向傳統的物理教學實踐提出了挑戰。傳統的物理課堂教學大多是以實現“知識與技能”的教學為主要目的，其他兩個維度則處于次要地位。因此，如何在課堂教學過程中實現三者的有機融合，成為當前需要解決的主要矛盾。
　　我們認為這個矛盾主要來自三個方面。其一，“過程體驗”的“現場性”和有限教學條件之間的矛盾；其二，“過程體驗”的時間要求和有限課時之間的矛盾；其三，內容標準中，“知識與技能”要求的具體性和明確性與“過程與方法”、“情感，態度與價值觀”的模糊性之間的矛盾。對于第三個矛盾，有必要再做進一步說明。在新課程的內容標準中，“知識與技能”的要求是很具體，很明確的，但是對于“過程與方法”，“情感、態度與價值觀”的要求則比較模糊，只給出了宏觀要求，沒有將其具體化，也就是說沒有明確給出究竟讓學生體驗哪些過程，掌握哪些方法，培養哪些情感，樹立什么價值觀。這給一線教師的教學帶來了一定的困難，也提供了可發揮的空間。我們認為，解決上述矛盾已經成為物理新課程目標實現的關鍵因素之一。
　　
　　二、實現三維課程目標的教學案例設計及分析
　　
　　案例一：《認識機械波》(高中)
　　1．創設情境，引入新課
　　播放四段視頻，分別展示水波、隨風舒展的旗幟、電磁波和繩波等四個實驗現象。學生通過觀察，形成對波的初步印象。提出兩個問題引入新課：
　　(1)波是如何形成的?
　　(2)波在傳播過程中有哪些規律和特點?
　　
　　2．演示實驗，探究研究方法
　　請兩位同學各拿繩子的一端，—臂，產生繩波。在觀察繩波的過程中幾個問題，引導學生思考，得出答案究中重要的理想化方法——模型法。人上下振動手依次提出如下引出物理學研
　　(1)由于手臂振動的不規律，導致產生的繩波也不規律，就此提出一個問題：如何產生規律的繩波?
　　設計意圖：引導學生從如何保持繩子的振幅和頻率兩個角度回答這個問題。大致的答案是讓手臂振動的幅度和頻率保持不變。
　　(2)怎樣研究繩子這個不“規則”物體產生的波動?
　　設計意圖：引導學生把振動的手中握著的那一段繩子作為研究對象展開討論。握著的那一段繩子的運動情形和乎的振動是一致的，由此可以認為繩子是由許多“繩子段”組成的，再把“繩子段”“切割”，無限小，引入“質點”的概念．這樣，繩子這個不“規則”的物體就抽象成由無數個質點用細線串起來的“質點串”。繩子的運動規律和“質點串”的運動規律相似，因此，可以通過研究“質點串”的運動規律，近似得到繩子的運動規律。這就是模型法。
　　
　　(3)如何控制繩波以便于觀察?
　　設計意圖：引導學生從計算機模擬繩子運動規律的角度思考，向學生展示已經制作好的演示軟件。
　　
　　3．大屏幕演示模擬軟件(圖1)
　　
　　通過大屏幕向學生演示模擬的繩波，啟發學生理解“波動問題本質上是質點的振動問題”的含義。在觀察模擬繩波運動的過程中(根據需要，可以通過“暫停”、“繼續”、“快放”、“慢放”等功能控制模擬繩波的運動以便于觀察。為觀察仔細，可以反復播放)，依次提出如下問題：
　　(1)各個質點的運動規律是否相同?
　　(2)各個質點的振動在時間上有何規律?
　　(3)每一個質點剛開始振動的方向是否相同?振幅是否相同?
　　(4)波源完成一次全振動，波傳播的距離在波形上如何體現?
　　設計意圖：通過以上問題引出波長的概念。
　　(5)質點振動方向與繩波傳播方向有何關系?
　　設計意圖：繩波的質點振動方向和波傳播方向是垂直的關系。這個問題為以后橫波和縱波的判斷依據打基礎。
　　(6)在波傳播過程中，質點是否“隨波逐流”?
　　設計意圖：質點只是在各自的平衡位置附近振動。
　　(7)在波動過程中，往外傳播的是什么?
　　設計意圖：波傳播的是一種運動方式而不是質點本身，傳播出去的是能量。讓學生理解波能傳遞能量，為后續電磁波的教學奠定基礎。
　　從第5個問題出發，引出橫波和縱波的概念，繼而演示縱波的模擬運動，將其與橫波相比較，觀察質點的振動方向和波傳播方向的關系。引導學生繼續觀察橫波的波峰和波谷、縱波的疏部和密部。
　　
　　4．鞏固和練習
　　學生閱讀教材中“機械波”部分，復習鞏固所學知識。請部分學生談談還學過哪些物理學研究中的理想化方法。為了引導學生思考，可先提示，比如質點概念的提山等等。
　　
　　案例分析
　　用多媒體演示軟件輔助觀察，提高物理現象的可控性和直觀性，最終促進學生知識的意義建構，這是信息技術應用于物理教學的常用方法之一。本案例的亮點在于，為了實現實際演示的繩子波動到模擬演示的“質點串”波動的“平穩過渡”，教師適時地引入了模型法的教學，使得模擬軟件的出現不僅不突兀，而且還親切自然，也使得在一堂課中“過程與方法”和“知識與技能”的有效結合成為現實。顯然，這種結合離不開信息技術的支持。
　　
　　案例二：《電阻串并聯規律》(初中)
　　把學生分成2～3人的小組，每個小組至少有一臺可以運行《仿真物理實驗室》的多媒體計算機。在實驗開始之前，由教師先明確本次實驗的目的：通過在《仿真物理實驗室》中的實驗探究活動，運用數學方法得到電阻串、并聯的規律。實驗前，向學生介紹實驗條件和大致實驗過程。探究活動可以參照下面提供的電路田和數據處理表格進行。實驗探究過程中，教師隨時給學生提供指導。
　　
　　1．串聯電阻規律探究實驗
　　
　　(1)在《仿真物理實驗室》軟件中，創建兩個電阻串聯的實驗電路圖(圖2)。其中，左邊的電阻為R右邊的電阻為R，歐姆表中的讀數為R，
　　(2)分別改變R和R的值，臺上開關得到R，填寫表1。反復幾次，將表格內容填寫完整。
　　表1兩個電阻串聯實驗
　　
　　(3)根據表1所得到的實驗數據，猜想R與RR的關系，并分別進行驗證，得到兩個電阻串聯的規律。
　　(4)根據兩個電阻申聯的規律，猜想三個電阻串聯的規律，并進行驗證。驗證猜想的實驗電路圖略。
　　
　　分別改變RR、R的值，先根據猜想得到的公式計算出R(猜想)，合上開關，讀出R(實驗)。反復幾次，把表2填寫完整。對比各組R(猜想)和R(實驗)的值，看看是否相等以驗證猜想。
　　由于電阻串聯的規律比較簡單，數據之間的關系也明顯是相加關系，因此串聯電阻關系的探究活動所用時間一般不會太長(12分鐘左右)，學生可以馬上得出電阻串聯的一般規律。
　　
　　2．并聯電阻規律探究實驗
　　(1)在《仿真物理實驗室》軟件中，創建兩個電阻并聯的實驗電路圖(圖3)。其中，上面的電阻為R，下面的電阻為R，歐姆表中的讀數為R。
　　
　　(2)分別改變R和R的值，合上開關得到R填寫表3。反復幾次，將表格內容填寫完整。
　　
　　(3)根據表3所得實驗數據，猜想R與R、R的關系，并分別加以驗證，得到兩個電阻并聯的規律，把該規律轉換成如同串聯規律相加的形式。
　　(4)根據兩個電阻并聯的規律，猜想三個電阻并聯的規律，井進行驗證。驗證猜想的實驗電路圖略。
　　
　　分別改變R、R、R的值，先根據猜想得到的公式計算出R(猜想)，然后合上開關，讀出R(實驗)，反復幾次，把表4填寫完整。對比各組R(猜想)和R(實驗)的值，看看是否相等以驗證猜想。
　　
　　案例分析
　　用實驗探究的方法進行電阻中，開聯規律的教學，在一般的實驗條件下，往往不被采用。原因有二：一是需要的時間比較長，拆解電路、精確確定電阻值都會花費很長時間；二是由于各種偶然因素和誤差的存在使得數據之間的數學關系不明顯，影響規律的直接得出。本案例仍然采用了實驗探究的方法，但把實驗“搬到”了《仿真物理實驗室》中進行，也就是把實驗條件進行了理想化，有效地解決了上述兩個困難。電路連接后不用拆解，只要根據需要重新設定電阻值，就可以進行下一輪實驗；由于電阻值是設定的，歐姆表又可以直接給出結果，因此，偶然因素和誤差都被有效地避免了。
　　在《仿真物理實驗室》進行探究活動，雖然犧牲了真實實驗條件下的偶然因素和誤差存在的體驗，但仍然具有探究實驗的“現場性”和真實感——哪怕這些都是模擬出來的。因此，這種探究活動仍然是有效的和必要的，它在解決真實探究活動困難的同時，使得原本不適合課堂進行的教學活動，能夠在一堂課中完成，并且把“過程與方法”和“知識與技能”，的學習相結合，也適合當前課程改革的需要。模擬仿真技術的重要性在本案例中也是不言而喻的。
　　
　　案例三：《小專題研究》
　　1．專題研究說明
　　把學生分成3～4人的研究小組，每個小組從下面的選題中選擇一個展開研究，允許兩三個小組同時選一個專題。選擇專題后，可根據需要再具體確定要研究的內容，研究成果要以科技小論文的形式出現，并制作成電子幻燈片，兩個星期后向全班同學匯報。
　　(1)X射線的發現。
　　(2)海王星和冥王星的發現。
　　(3)“日心說”的內容及其提出
　　(4)“鐳”的發現。
　　(5)牛頓和萬有引力。
　　
　　2．專題研究過程建議
　　(1)先期討論選定專題，制定研究任務，并進行初步分工。
　　(2)通過圖書館，互聯網查找或向教師和家長咨詢等形式收集與專題相關的材料，并進行分析整理。
　　(3)在現有材料的基礎上繼續討論本專題，確定具體研究內容，根據需要進行分工調整，繼續查找資料進行下一步的研究。
　　(4)在研究過程中，小組成員要充分交流、合作，共同完成研究任務。遇到困難可向教師、家長請教或者在互聯網上尋求幫助。
　　(5)在小組成員的共同努力下，完成一篇小論文，并制作電子幻燈片，準備向全班同學匯報。
　　
　　案例分析
　　本案例的亮點體現在幾個小專題的設置上。就這幾個專題而言，無論是X射線的發現，“鐳”的發現，海土星和冥王星的發現，還是“日心說”的提出，相關的主要科學家都經歷了艱苦卓絕的科學研究歷程。倫琴的細心和鍥而不舍的探究精神幫助其發現了X射線；居里夫婦在最艱苦的條件下用了4年才從8噸礦渣中提煉出0．1克純氯化鐳；哥白尼為了避免教皇的迫害，發表“改頭換面”后的《天體運行論》，提出“日心說”；布魯諾堅持真理，公開宣傳“日心說”，最后付出了生命的代價……所有這些物理學史實都生動而鮮明地層現了科學家的科學態度和精神。學生在收集材料、整理加工，匯報交流的過程中，能夠潛移默化地受到教育。
　　互聯網提供的資源和交互環境是本案例得以順利實施的基本保障。雖然從案例的要求和說明中看不出這一點，但是在專題研究的過程中，資料收集的第一選擇應該是互聯網。互聯網的資源豐富而全面，不僅有圖像和文字資料，也可以有相關的視音頻材料，而且使用起來方便高效。互聯網還提供了多種交流的方式可供小組成員使用，如聊天室、E—mail、QQ等等。有必要的話，小組成員還可以通過互聯網與相關專家取得聯系，進行問題咨詢。
　　
　　三、啟示
　　
　　上述三個案例在信息技術支持下解決了前文提到的三對矛盾，實現了三維課程目標在教學過程中的有機融合。我們町以從中得到幾個方面的啟示。
　　1．信息技術對于中學物理三維課程目標的實現，至少可以提供三個方面的支持。其一，多媒體模擬可以再現一般教學條件下難以觀察的物理現象，比如《機械波》案例中的繩波、原子核結構等等，幫助學生觀察這些物理現象進而促進學生的知識建構。其二，模擬仿真可以提供理想化的物理探究場所和實驗環境，能夠部分解決體驗物理過程要求的“現場性”和“時間性”所帶來的矛盾。其三，互聯網提供了豐富的資源支持和實時、非實時的交互環境支持。
　　2．進行物理科學方法教育，應當充分挖掘知識內容中的“方法”因素，把方法的教學和知識技能的教學相結合。在《機械波》中，新課程標準對機械波的要求是這樣的：“通過觀察，認識波是振動傳播的形式和能量傳播的形式。能區別橫波和縱波。能用圖像描述橫波。理解波速，波長和頻率(周期)的關系。”這其中并沒有對模型法教學的要求，但是教學過程中，從繩波到模擬軟件中的“質點串”，則是進行物理抽象并理想化的結果，這種理想化的方法正是模型法。因此，這個時候進行模型法的教學是非常合適的。
　　科學方法教育不能試圖一蹴而就，應當一絲一縷地逐步滲透，最終讓學生達到掌握的目的。比如，物理學中的理想化方法，它是非常經典的研究方法，許多知識點都涉及到這個方法。質點、剛體、光滑平面、點電荷，點光源、理想氣體等知識點都是進行理想化方法教育的良好載體。本文中的模型法也是理想化方法教學的一部分。
　　3．物理學史記載了大量科學探索、科學研究的精彩事例，這些生動鮮活的、能夠表現著名科學家所具有的科學態度和精神的故事，是進行“情感、態度與價值觀”教育的良好素材。這些素材可采用多種形式應用于教學中，比如本文提到的小專題研究、課外閱讀材料、課上舉例