從“物理核心素養”的視角思考物理復習教學問題
——以“力與運動”章后小結為例

劉炳昇

(南京師范大學物理科學與技術學院，江蘇 南京 210023)

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從“物理核心素養”的視角思考物理復習教學問題
——以“力與運動”章后小結為例

劉炳昇

(南京師范大學物理科學與技術學院，江蘇 南京 210023)

名師簡介：劉炳昇，南京師范大學物理科學與技術學院教授，課程與教學論博士生導師，任《物理之友》主編、義務教育課程標準初中物理教科書(蘇科版)主編、中學科學(7—9年級)課程標準研制組核心成員.主要從事物理教學論和中學物理實驗的研究工作，榮獲國務院特殊貢獻津貼、國家教委普通高校優秀教學成果獎等.曾任中國教育學會物理教學專業委員會副理事長、世界銀行貸款“理科實踐教學和低成本實驗”研討班中方主持人.

本文試圖領會“物理核心素養”的內涵，以初中“力與運動”章后小結課為例，探討以“核心素養觀”引領的物理復習教學問題，著重在物理思想、科學方法、科學價值觀的引領.就該章復習，提出了以下建議：突出一章的物理思想，以線帶面，重組知識結構；圍繞學生的前科學概念，讓學生領悟科學方法的魅力；拓寬視野，促進科學價值觀的升華.

物理核心素養；物理思想；前科學概念；人文精神.

2016年11月21—23日，江蘇省基礎教育青年教師教學基本功大賽(物理)在揚州舉行，其中課堂教學的課題有兩個：“力與運動”章后小結和“壓強與浮力”章后小結.命題的指導思想是：在章后的復習課中要體現“核心素養”觀念的引領.課題有很大的自由度和創造空間，有助于評價老師較深層次知識與能力的積淀.筆者聽了參賽選手的一些課，想以“力與運動”的章后小結為例，談談自己的想法.

近期以來，物理教育界的學者和老師都在討論一個話題，即物理學科的核心素養.從現實看，在中學物理教學中不少老師都很重視物理的知識和技能，解決物理問題的思維訓練也是比較多的.由于考試的壓力、所謂的教學效率的需要，使教學偏重于文字上解讀概念、規律和解題，物理課程的教育功能不能全面地發揮出來，這對于學生的全面發展和適應社會發展的挑戰是不利的.在深化課程改革中，提出物理學科的核心素養是必要的.筆者認為首先是觀念意識上的引領，應當深刻理解“核心素養”的內涵.愛因斯坦指出：“用專業知識教育人是不夠的，通過專業學習，學生可以成為一種有用的工具，但不能成為一個和諧發展的人.要使學生對價值(社會倫理、準則)有所理解并產生強烈的感情，那是最基本的.”物理學的發展，既創造了物理學的理論成果、系統的科學方法，又創造了科學思想與人文精神融合的成果.物理文化是“與生俱來”的、非常珍貴的教育資源.在物理教學中，學習知識是重要的，但不能只關注作為科學結論的理論知識，而使作為創造的探究過程、豐富的科學人文教育的資源被白白地浪費掉.我們應當從更高的層面上設計物理課程和教學，讓科學思想、科學觀念、科學的美成為物理課程的重要目標和內容，發揮物理的人文教育功能.

在“物理核心素養”觀念引領下，章后復習課不同于現實“應試教育”指導下的復習課.需要重點考慮如下問題：(1) 如何指引學生學習梳理物理知識，形成有序的知識結構？(2) 如何從回顧探究的過程中，領悟科學方法？(3) 評價學生是否撼動了頭腦中的前科學概念？是否領會知識的得來過程？在解釋或解決實際現象和問題中是如何思考問題的？(4) 如何滲透人文精神，關注物理文化的熏陶？下面就“力與運動”章后復習提幾點建議.

1 突出一章的物理思想，以線帶面，重組知識結構

不少老師在復習該章時，按教材順序，逐節、逐點回憶所學知識，逐個討論或再現所做實驗，并進行應用概念規律的習題訓練，還帶領學生梳理本章知識結構.例如，一開始復習“二力平衡”，首先討論運動狀態、平衡和不平衡狀態，再回憶二力平衡條件的實驗，提出了5個問題，不僅涉及實驗的現象、說明的原理，而且涉及實驗的設計、與其他方案的比較，然后用選擇題和填充題來評價學生對二力平衡知識的理解.筆者總的感覺是知識點多、注意點細、記憶量大、結構松散、聯系不緊密，關鍵是缺少一條貫穿全章的思維主線，即少了靈魂.

該章的主題是力與運動的關系，它是人類認識史上的重大課題.為什么亞里士多德的觀點統治了數千年之久？因為他有經驗和證據的支持.這種經驗與人們經常看到的現象大多是一致的.時至今日，還有很多人不自覺地支持他的觀點.他的觀點之所以錯，是因為沒有揭示事物的本質.伽利略、牛頓等物理學家經過艱苦卓絕的探究，才揭示出亞里士多德的錯誤，改變了人們對自然世界中這一重大問題的認識，也提出了一種看待自然界的新方式.

復習“力與運動”這一章，不能不提及物理學史上這一智力苦斗的輝煌歷程，以探討力與物體運動的關系為主線也許是一個好的復習策略.

重組的結構如圖1所示，它與教材提供的順序結構不同.教材為什么把“二力平衡”放在第一節？那是因為二力平衡是現實中常見的平衡，可以直接通過實驗得出規律，在此基礎上探究力是不是物體運動的原因，認識力與運動的關系，這對學生而言，是困難較小的一種結構安排.在復習階段，以物理學史中的這一場爭論所提出的問題為主線展開.如果沒有力，物體不能運動，那么力就是物體運動的原因；如果不是這樣，沒有力物體照樣運動，那么，“力是物體運動的原因”這一結論就不成立.由此引出了“探究阻力對物體運動的影響”的實驗，通過實驗與推理，認識了牛頓第一定律.牛頓第一定律既揭示了物體不受力時的運動狀態，也回答了“力是不是物體運動的原因”，提煉出“力是物體運動狀態改變的原因”.最后，用力與運動的關系來解釋現實中存在的平衡力與非平衡力作用(以二力為例)下物體運動狀態的問題.這樣的復習思路，突出了本章的核心思想，簡潔、內在的邏輯性更強.

圖1

2 圍繞學生頭腦中的前科學概念，使其領悟科學方法的魅力

一章需要復習的內容很多，很難做到面面俱到，抓住核心思想，就容易突出重點.學過這一章，看似學生解決了力與運動關系的問題，牛頓第一定律、慣性、力與運動的關系等內容也都能背出來，但潛在的前科學概念還是相當頑固的.復習中，應當圍繞學生思維中的前科學概念，激發認知沖突，努力撼動前概念的基礎.例如，在引入環節，讓學生搶答(可讓全體學生用手勢搶答)：一列火車沿直線勻速行駛，車廂里的人豎直向上跳起，問該人落下時在起跳點的前方、后方還是原地？然后讓學生說明理由.不少學生仍回答“在起跳點的后方”，即使答案正確，但在說明理由時，仍有學生回答：“起跳后，在水平方向不再受力，但仍保持原有與車相同的向前的速度，所以落回原點”，教師追問：“起跳前，地板對人的作用是怎樣的？”學生回答：“有向前推動的作用”.這樣引入，就使學生頭腦中的前科學概念不自覺地暴露出來.

考慮初中學生的認知特點和水平，教材沒有用伽利略提出的理想斜面實驗，而是用“探究阻力對物體運動的影響”的實驗.應當問學生：為什么要做這個實驗？怎樣做實驗？實驗能否得出牛頓第一定律？在從學生實驗得出牛頓第一定律的過程中，對學生想象力的培養是應當重視的.為什么小車前進的距離越來越大，直至永遠運動下去，就能得出做勻速直線運動呢？在對慣性是“原來運動的物體具有保持原有速度做勻速直線運動的性質”的理解中，學生的想象也是困難的.為幫助學生思維上實現“從路程到速度”的轉換，可以將學生做過的實驗，用頻閃照相的形式表達出來(如圖2).

圖2

物理老師都清楚，基本概念是很重要的，它是某種物理事物本質的抽象.如果理解上有偏差，在物理規律、原理的得出及其應用環節就會出問題.因此，辨析概念常被重視，但常常停留在文字上的辨析.概念是人們思維和認識水平的反映，是隨科學探究的深入而發展的.例如“力”和“運動狀態”，在亞里士多德的年代，有靜止和運動的概念，但沒有力的科學概念，他認為輕物上升和重物下落都是由物體的本性決定的，是“自然”運動，還有一種“強迫”運動，要使物體運動或維持運動必須有外界的作用.伽利略在研究時，已經認識到速度、加速、減速等的意義，認識到水平面上摩擦是物體減速的原因，如果沒有摩擦，速度將保持不變.他推廣到如果物體不受外界的影響，它將繼續保持運動.伽利略、牛頓認為：亞里士多德用物體從靜止到運動的經驗，得出沒有外界作用(力)物體就不會運動的結論，實質上是沒有力物體就不會由靜止變為運動；同樣，亞里士多德用運動物體“不受力”的經驗得出沒有力物體就不能維持運動的結論，實質上是阻力使物體由減速直至靜止下來.在此基礎上，牛頓提出了一系列的概念，如力、運動狀態、運動狀態的改變、慣性等，用“運動狀態改變”概括了力作用的各種情況，總結出了牛頓運動定律.正是這些概念的建立，使規律和理論的描述更簡潔、體系的邏輯性更強.在教學中，我們應當讓學生了解相關的概念是怎樣來的，這樣才能更好理解概念的物理意義.我們可以用表格呈現亞里士多德和牛頓關于力、運動的概念(如表1)，請學生比較兩者有何區別.

表1

課堂上給學生一些問題和練習，應將重點放在對物理意義的理解上，關注優化學生的認知結構，要更多地讓“解題”轉變為“解釋”，讓“選擇題”轉變為“簡答題”，讓“你知道了什么”轉變為“你是怎樣知道的”.要多一些“原生態的問題”，不應人為復雜化，力求符合學生的認知水平.例如，在聽課中，有老師提出這樣的問題：車廂里掛著一只小球，汽車停止后，小球來回擺動，在擺動過程中，哪點小球所受的二力平衡？這個題目考查學生對運動狀態的理解，許多學生選擇在最低點重力和拉力平衡.這個題目就比較好,使學生的錯誤觀點暴露出來了.另一個問題是：運動的車廂內懸掛一只小球，小球偏向左側擺動，問車廂受力情況如何？這一問題的情景較復雜，考查的目標沒有針對本章的基本概念和規律，學生不具備分析小球受力的知識和能力，超越了學生的認知水平.

3 在總結階段拓寬學生視野，促進其科學價值觀的升華

在復習課總結階段，應當突出如下兩方面的收獲：

(1) 通過本章的學習，增進了我們對自然界物體運動的認識，宇宙萬物都在運動中，運動是物體的常態，靜止只是相對狀態，運動不需要力來維持；力是物體運動狀態改變的原因，正因為有力的作用，自然界物體的運動才會多姿多彩，可展示賽車、過山車、擺鐘、火箭發射、太陽系、擴散現象等運動圖片或視頻，表明：大到宇宙天體，小至微觀粒子，一切物體都在運動中.

(2) 在本章學習中，我們了解了一種重要的科學方法，那就是“理想實驗”的方法.理想實驗不是真實的實驗，是一種頭腦中的實驗，是通過推理和想象來進行的.在我們進行的“探究阻力對物體運動的影響”實驗中，摩擦力小到一定程度，我們已經無法實驗，靠頭腦想象：摩擦力越來越小，行程越來越長，最終摩擦消失，物體將永遠運動下去.實際上，當支持板延展到相當長時，它的另一端已經高于水平面，如圖3所示，支持板就相當于一個斜面，即便摩擦可以消除，由于重力的作用，物體也不可能永遠運動下去.但是，我們想象：不僅摩擦力消失，而且重力也不存在，即物體不受力的作用，它將永遠地運動下去.

圖3

理想實驗的方法對物理學的發展有開創性的意義，在科學探究中具有廣泛的遷移作用.例如，牛頓就曾設計了一個理想實驗，論證了地球與月球間的引力作用，并為現代人造衛星成功運行奠定了理論基礎.難怪“阿波羅”8號宇宙飛船從月球返回地球的途中，當地面控制中心問及“誰在駕駛”的時候，指令長回答說：“我想現在是牛頓在駕駛.”

隨著科學技術的發展，有些“理想實驗”中想象的現象已經可以呈現出來，例如，用氣墊導軌，輕推滑塊就可以看到滑塊近似做勻速直線運動；用超導軌道幾乎可以實現無摩擦的運動；在“天宮實驗室”中，也可以看到精彩的失重現象.但是科學探究永無止境，許多未發現的規律，人們還不能完全用觀察和實驗來得出，理想實驗體現了人類心智的結晶，仍將發揮重要的作用.

筆者在上面提出的一些案例，并非要大家模仿，只是為了說明讓課堂設計更能體現培養學生素養的觀念.蘇科版初中物理教材在每章的章后創設了一個新的欄目“小結與評價”，內含兩部分：知識梳理、反思與評價.前者重在幫助學生梳理一章的知識，使學生的知識有一定的系統結構，并學習梳理知識的方法；后者提出了幾個問題，意在使學生認識知識由來，理解重要知識內涵，提升其科學方法，拓展其科學視野，這為老師們提供了復習的新思路.著眼于提高學生的核心素養，老師們可以把它們作為一種教學資源，結合實際進行再創造.

[1] [美]阿特·霍布森.物理學：基本概念及其與方方面面的聯系[M].上海:上海科學技術出版社，2001.

[2] 劉炳昇.物理教育的靈魂——科學理性與人文精神的融合[J].物理教學，2007，(10).

[3] 劉炳昇等.義務教育教科書 物理(八年級下冊)[M].南京:江蘇鳳凰科學技術出版社，2012.