基于發展物理核心素養的探究式教學設計

田雯+++高翔

摘 要：探究式物理教學設計有助于培養學生的科學探究方法和強化學生的科學探究意識，幫助學生養成終身發展所需的必備品格與關鍵能力，形成學生的物理學科核心素養.

關鍵詞：科學探究；核心素養；教學設計

《全日制義務教育物理課程標準（實驗稿）》指出：“科學探究既是學生的學習目標，又是重要的教學方式之一.將科學探究列入內容標準，旨在將學習重心從過分強調知識的傳承和積累向知識的探究過程轉化，從學生的被動接受知識向主動獲取知識轉化，從而培養學生的科學探究能力、實事求是的科學態度和敢于創新的探索精神.”“學生在科學探究活動中，通過經歷與科學工作者進行科學探究時的相似過程，學習物理知識與技能，體驗科學探究的樂趣，學習科學家的科學探究方法，領悟科學的思想和方法.”

《普通高中物理課程標準（實驗）》進一步強調：通過初中課程的學習，學生對科學探究的過程有了一定的體驗，并具有了初步的科學探究能力.高中階段的物理課應該在這個基礎上，更加關注學生在科學探究過程中的學習質量，進一步加深對科學探究的理解，提高科學探究的能力[1].

物理課程作為自然科學領域的重要基礎課程，它包括物理觀念、科學思維、實驗探究、科學態度和責任四個方面的物理核心素養內容.這四個方面的關系如圖1所示.

從圖1來看，實驗探究是形成核心素養的基礎和起點，通過實驗探究可以逐漸形成物理觀念，發展科學思維，培養科學態度和責任.其他三個方面的核心素養在形成的過程中，相互影響、相互促進、共同發展.

一、實際問題解決 培養學生的科學思維素養

科學思維素養包括模型構建、科學推理、科學論證和質疑創新等要素.學生通過物理課程的學習，不僅要能夠解析“模型化”的物理試題，更要有利用科學知識和方法解釋生活中的物理現象，解決學習和工作中問題的意識和能力.

例如：在《力的分解應用》一節中，筆者在課堂教學中設計了山路十八彎、鋒利的斧刃、耕犁牽引桿的調整三個聯系實際生活的問題，如表1.

教學設計的基本思路是要通過自然界及社會生活、生產中實際問題的分析、綜合、簡化和抽象，形成物理學研究的物理模型，再利用數學工具變成可以定量分析的數學問題，最后利用物理知識解釋和解決問題.過程如圖2所示.

在本節課中，教師引導學生首先從山路十八彎、鋒利的斧刃、耕犁牽引桿的調整的實際問題出發，忽略次要因素，突出主要因素，抽象出斜面上重力分解模型、劈力的分解模型和傾斜拉力分解模型.其次，按照力的實際作用效果分解力，并用平行四邊形法則作出力分解的平行四邊形.第三，在平行四邊形中，利用數學知識列出分力和合力的關系.第四，利用分力與合力的關系式和數學函數知識、物理知識，討論、分析和解決山路為什么是十八彎、斧頭鋒利就容易劈開物件、耕犁的牽引桿長短為什么會影響耕地質量和效率等問題.最后，再和實際問題做對照，評估和反饋問題解決的合理性.

物理課堂教學應該為學生創造真實、復雜的問題情境，鼓勵并引導學生剖析問題、簡化問題、建立物理模型，并運用適當的方法解決問題.學生面對一個客觀真實的實際問題，很難找到直接效仿的模型，需要通過獨立思考，不斷嘗試，對問題進行探索.要經過對物理模型分解、簡化、抽象等思維過程，進行推導、驗算、評估和反饋等，這樣可以達到培養學生科學思維素養的目的[2].

二、綜合實踐活動 培養學生的探究意識和合作精神

綜合實踐活動指的是，指導學生進行物理科學探究實踐活動，通過學生自己的設計和實踐操作，逐漸形成利用科學思維方法解決實際問題的能力，培養學生的科學探究意識和合作精神.

例如：利用“運動概念”的活動設計（此內容參考了《物理：原理與問題》），引導學生活動[3].（活動方案略）

學生初次完成這樣的任務，顯得有些稚嫩.在制定實驗計劃的過程中，學生必須明確實驗目的和已知條件.要完成任務就必須要提出具體任務，學生要提出自己的猜想和假設.還要考慮實驗的方法、裝置與器材和實驗中的變量及控制方法.在這個過程中，學生逐漸學會了把研究的猜想與假設落實到具體的操作方案上來.同學之間相互交流研究計劃，尋找計劃中的不當之處，并預料它在探索中所產生的不良后果等.

在實驗探究過程中，學生遇到了困難，并想辦法解決.

如：困難一，米尺長度過短，無法一次準確測量長度.

解決方案：我們用標記物每2m做一次標記，反復使用米尺，測量出距離.

困難二，跑的同學過快而不能測出時間.

解決方案：一個計時，喊“三、二、一”.走或跑得慢些（伽利略用斜面代替豎直運動，減小重力對速度影響，就是讓運動變慢）.

困難三，沒有標記工具.

解決方案：利用跑道邊雨漏之間的等間距，解決被測路程長度不足.從樹叢旁找來較為平直的樹枝充當起點和終點線.彎道利用運動場上標好的線輔助實驗測量.

學生在探究中遇到了困難，但能在實踐中找到解決的辦法.這些都有利于培養學生嚴謹的科學態度，在實踐中要考慮數據的準確性、可靠性和嚴密性，也有利于發展學生的批判性思維.

活動結束后，學生各自都談了自己的感受.

首先我們提出了問題并猜想，跑得越快時間越短.接著我們設計了實驗方案（用米尺測量10m和50m距離，然后讓幾個同學分別走、慢跑、加速跑，用秒表測量時間），并收集了6組數據.分析實驗數據我們發現物體運動速度越快，用時越短（路程相等時）.最后經論證，我們通過了該結論.

再進行評估，發現其中有一些地方不準確.和其他組交流實驗數據和結論并完善我們的結論.在設計的物理模型中我們忽略空氣對實驗的影響.自己動手實驗，動腦思考問題，很有趣味性，并要求團隊有較強的協作能力.

從這些談話中我們發現，在綜合實踐活動中，學生經歷了與科學工作者進行科學探究時的相似經歷，學到了物理知識與技能，體驗科學探究的樂趣，學習科學家的科學探究方法，領悟科學的思想和精神，從而培養學生的科學探究能力、實事求是的科學態度和敢于創新的探索精神.在活動中，學生不斷變化自己的角色，不僅有利于發展學生的合作精神，更重要的是有利于學生探究能力的全面發展.

三、失敗實驗 培養學生的科學態度和科學精神

有關科學精神和態度的核心素養表現為對科學研究的熱情和實事求是的態度.學生通過物理課程的學習，應該能夠領悟物理學研究過程中表現出來的尊重事實、實事求是的科學研究態度，能在學習、生活和工作中堅持做到實事求是.

例如：學習變壓器的結構后，介紹變壓器的理想化結構的三個要點：①線圈電阻不計；②閉合鐵芯，無漏磁；③無渦流.

由此得到E1=U1，E2=U2

然后用實驗來驗證，當原線圈匝數為800匝，副線圈匝數為400匝，原線圈輸入電壓為16V，輸出電壓為多少伏？

引導學生們得出輸出為8V，教師滿懷信心地接通電源，可實驗現象觀察發現電壓表的示數卻只有4V，這時教師有點慌了.檢查電路連接、電壓輸出等.學生也忙著檢查，突然一個聲音打破了寧靜：“鐵芯沒有閉合！”這時引導學生仔細觀察，發現剛才演示可拆的兩個線圈時，把閉合鐵芯可拆的鐵塊拿掉了，而實驗前沒有恢復.這時教師沒有急著糾正實驗，而是引導學生想“這個鐵塊真能起到我們預想的作用嗎？它放在變壓器上，到底起到了什么作用？”學生思考后爭先回答：“閉合鐵芯”“使磁沒有損失.”

教師又進一步引導追問：“電壓減小，說明能量減少，有能量損失.那么，請問，能量到哪里去了呢？”

學生回答：“漏磁，損失了磁場能.”

經過與學生探討分析后，教師把鐵塊放到原位置上，使鐵芯閉合.再接通電源，發現電壓表的指針穩穩地滑過4V的位置，直到8V的位置.此時全班同學歡欣鼓舞，臉上洋溢著滿足的笑容，顯露出得意的神情，并體會到了思考探討的成功.

在教學中，出現了意想不到的問題，然后經過觀察、提問、試探、分析、得到結論的過程正是一個科學探究的過程，這種過程真實地呈現給了學生.而且學生在其中積極思考、分析并能提出建設性的意見和建議.在一些失敗的實驗教學中，教師從正面引導，分析造成失敗的原因，激發了學生探究問題的興趣.失敗和挫折的經歷留給學生深刻的印象，加深了對知識的理解，并培養了學生實事求是的科學態度.在教學中多創造一些這樣的“失敗”，學生就會多一些對不同現象的質疑和多方面多角度的研究意識，引導學生分析問題，找到實驗成功所需的條件，讓他們在失敗中重新揚起風帆，培養學生的創新精神.

科學探究的過程充滿著創造性，洋溢著科學的精神，滲透著科學的思想方法.科學探究的學習活動，有利于知識、技能、方法、態度、情感在學生自身人格中的內化，使學生的核心素養得以全面提升.科學的核心是探究，教育的重要目標是促進學生核心素養的發展，科學探究的教學設計正是科學和教育的結合.

參考文獻：

［1］李尚仁.高中物理課程標準教師讀本［M］.武漢：華中師范大學出版社，2003：96-113.

［2］邢紅軍.高中物理高端備課［M］.北京：中國科學技術出版社，2014：116-126.

［3］保羅·齊策維茨.物理：原理與問題［M］.仲新元，譯.上海：上海科學技術出版社，2005：48-61.