指向思維發展的研學物理課堂的思考與構建探索
——基于優課評比“功”課堂教學的觀摩

韋葉平

(江蘇省前黃高級中學,江蘇 常州 213161)

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指向思維發展的研學物理課堂的思考與構建探索
——基于優課評比“功”課堂教學的觀摩

韋葉平

(江蘇省前黃高級中學,江蘇 常州 213161)

基于物理學科核心素養的內涵,筆者對5位教師實際課堂教學的表現進行分析點評和創新設計,構建以“問題→研究→展示→評價”為主線的研學物理課堂教學模式．

教學設計;核心素養;思維發展;研學物理課堂

筆者有幸受邀擔任常州市區高中物理優課評比評委．其中,課堂教學環節共觀摩了5節課,課題是“人教版必修2第7章第2節‘功’”．結合5位參賽教師對教材理解、教學設計、課堂實施等方面的具體表現,筆者和廣大一線教師與專家共同探討,談談自己的理解與分析以期拋磚引玉．

1 基于教材變化與物理學史的教材分析

現教材為什么要設置“追尋守恒量——能量”為本章第1節?

新課程實施前,即以往的教科書中,一般先定義功的概念及其表達式,然后說“一個物體能對外做功,就說明它具有能”．接著舉例說明,做功伴隨著能量的變化,進而得出“功是能量變化的量度”．因為能量的概念十分抽象,而功的概念比較具體,也容易量度,教材通過做功了解能量變化,從而認識能量無可厚非．19世紀20年代,法國科學家科里奧利明確地把作用于物體上的力和受力點沿力的方向位移的乘積叫做“力的功”．

當然,這樣處理很容易使人感到,定義“功”是為了定義“能”,先有功的概念,才會有能的概念．但是,在物理學中能量并不是由功定義的,而是在人類追尋“守恒量是什么”的過程中發展起來的,守恒關系一直是自然界中客觀存在的一種十分重要的關系．17世紀,萊布尼茲在惠更斯的運動量守恒的基礎上研究發現,運動物體具有一種“活力”;18世紀末,人們研究熱現象時認為物質中含有一種“熱質”;19世紀初,人們研究發現熱、光、電、磁、化學等各種現象中都含有類似“活力”、“熱質”一樣的“自然力”,它們不能從“無”到“有”,會相互轉化,但他們是統一的,等價的,本質是相同的,于是人們用“能量”統稱各種“自然力”;1807年,英國科學家托馬斯·楊第一次使用了“能量”這個詞．同時,盡管早在17世紀初,伽利略的理想斜面實驗就已經接近機械能守恒思想,但直到19世紀30年代末、40年代初,才有分別屬于西歐的四五個國家,從事七八種專業的十幾位科學家,分別通過不同的途徑,各自獨立地發現了“能量守恒定律”,代表人物有邁爾、焦耳、亥姆霍茲等．基于這種思考,新課程實施后,即新教科書將“追尋守恒量”放到了具體的概念如重力勢能、彈性勢能、動能之前,即從追尋守恒量出發,引出能量概念,并把守恒思想的滲透貫穿于能量學習的全過程．

新教材本章第1節“追尋守恒量——能量”以引入能量概念為目的,強調近代物理學的發展伴隨著對守恒量的追求,加強學生對守恒關系的認識,僅用一節相對獨立的內容稍顯突兀,有急于求成的感覺．2016年9月,教育部專家組修訂的《普通高中物理課程標準》面向一線資深教師和專家征求意見．高中物理課程結構顯示,必修課程由必修1(機械運動與物理模型,相互作用與運動定律,機械能及其守恒定律)和必修2(靜電場,電路及其應用,能源與可持續發展)構成．“追尋守恒量——能量”不作為教材內容,“功和功率”作為第1節,隨后學習機械能及其守恒等相關知識;在必修2學生逐步了解自然界中存在多種形式的能量后,把“能源與可持續發展”作為最后一章,更為合理，顯得循序漸進．

2 追源功的概念的建立是否有必要?

功的概念的建立,5位教師引導學生結合初中已經學習關于功的初步知識,用不同的方法讓學生回顧得到做功的兩個要素:一是作用在物體上的力;二是物體在力的方向上移動的距離．從而得出功的定義,即一個物體受到力的作用,并且在力的方向上發生了一段位移,這個力就對物體做了功．

教師W提出一個有趣的問題:讓你坐上時光穿梭機來到18世紀的英國,礦上都使用蒸汽機提煤,你會怎樣來評估蒸汽機干活的多少呢?(在學案上試著寫寫或畫畫你的評估方案)．學生代表展示評估方案,教師W點評并結合教材說明:在實踐中大家逐漸認識到,當燃燒同樣多的燃料時,機器提起的重量與提起高度的乘積F·h是一個不變量．當把不同重量的煤提起不同的高度,就可以用F·h評估蒸汽機干活的多少,即做了多少功．

教師Z列舉并演示推動箱子、接住下落的小球、彈弓彈射物體的遠近等情景,讓學生分析得出引起物體能量變化的原因是有力對物體做功．然后結合初中物理知識,觀察水桶、叉車不同形式的運動過程,得出做功的必要因素和功的計算公式:W=0(α=90°);W=Fl(α=0°).

教師H1列舉并演示小球上拋和下落過程、蒸汽機的工作過程,讓學生從能量變化原因的角度引入功;結合教材列舉圖例中物體所處的不同狀態或運動過程,探究歸納做功的兩個不可缺少的因素和功的計算公式:W=0(α=90°);W=Fl(α=0°).

教師Q通過演示玩具電動小車水平開動、用手按住開動的小車、小車從桌上滑落、撿起小車、托著小車水平移動等過程,分析小車能量變化與做功的關系,強調功是能量轉化的量度,從而回顧得出做功的兩個要素和功的計算公式W=Fl.

教師H2展示6種情景,前3種情景物體的能量都沒有變化,后3種情景(即教材圖例)物體的重力勢能、動能、彈性勢能分別發生了變化,思考得出能量的變化與力以及力的方向上的距離有關,進一步提出問題:力和力的方向上的距離滿足的某種關系能否成為衡量能量變化多少的量度呢?

教師H2介紹歷史背景1:隨著早期工業的發展,工程師通過長期實踐,發現燃燒相同的燃料,機器舉起的重量與上升高度的乘積可以作為衡量重力勢能增加的量度,以此來比較機器的效能,于是將之定義為“功”．

圖1

隨后,教師H2設計趣味實驗:“瘋狂原始人”的挑戰——模擬“吹箭”,將相同的紙巾揉成紙團放入不同圓管中,觀察紙團飛出的遠近,即紙團獲得動能的大小(做功多少),如圖1．

挑戰1:一個男生和一個女生利用一樣長度的吹管盡力吹．(l一定,W與F的關系?)

挑戰2:一個男生第一次盡力吹長管,第二次盡力吹短管．(F一定,W與l的關系?)

挑戰3:男生盡力吹短管,女生盡力吹長管．(怎樣表示W與F、l的關系?)

教師H2介紹歷史背景2:1829年,科里奧利在他的第一部著作《機器功效的計算》中,明確將力和受力點沿力的方向上位移的乘積叫做功,以定量地衡量能量的變化．從而復習回顧做功的兩個不可缺少的因素和功的計算公式:W=0(α=90°);W=Fl(α=0°).

至此,5位教師都得出了做功的兩個要素和特殊運動過程中功的計算式．顯然,教師W和教師H2探究的時間較長,大約20min;學生在初中已經接觸過功,另外3位教師在學生已有知識的基礎上,較為簡潔地從功和能量變化關系的角度得出結論．但這節內容并不是初中內容的簡單重復,而是內容的深化和拓展,5位教師都注意本著創設情景,設疑激趣的原則展開教學,都有可取和改進之處．教師H2設計“瘋狂原始人”的挑戰游戲創設問題情境,同時注重方法滲透,利用控制變量法進行實驗探究,學生則感到奇特不已,妙趣橫生,讓學生在自然、歡快、輕松的氣氛中學習,在游戲活動中學習新知識、運用新知識．

當然,實驗并不可能解決所有問題,這一實驗探究最多只能得到W與F、l正相關,W=Fl、W=F2l、W=Fl2或是其他表達式?實驗只是提供了定量探究功的計算式的一個橋梁,還有必要進行邏輯推理,這正是教師W探究一個有趣問題評估方案的必要性所在．蒸汽機能夠將1t煤提升30m,根據等效思想,燃燒同樣多的燃料,蒸汽機能夠將3t煤提升10m．這兩種情況,蒸汽機的效能相同,可以用Fl(=mgh)表示這個不變的物理量,而其他表達式不滿足等效思想．

同時,我們還要注意到課堂教學的時間是有限的,如果不加指引,讓學生探究活動信馬由韁,不僅探究目標難以完成,而且對學生探究能力的培養不利．兼顧開放性與指導性的問題情景設計,是學生主體性和教師主導性綜合發力的有效載體,也是課堂探究效益得以實現的保障．教師W的問題過于開放,教師H2設計的探究活動過多,每個探究環節都以若干個問題為指引,將探究任務和目的具體化,適時提醒學生在探究活動中要注意的事項,可以規避探究的盲目性．

基于以上分析,筆者建議設計以下教學流程:設置簡單問題情景(手托粉筆擦的運動回顧做功的兩個要素)→實驗創新定量探究(模擬“吹箭”游戲)→借助史料邏輯推理(比較量度蒸汽機的效能)→歸納得出功的概念(科里奧利定義功),突出創設問題情景和開展方法教育的重要性,有助于學生思維能力的發展．

這里,筆者產生一個問題:高中知識的學習對概念的定義與理解更加深入,我們已經學習位移,對功的要素應如何更加精確地描述?似乎很自然地實現從“距離”向“位移”的跨越．力和位移均為矢量,也為學生難以理解功是標量留下隱患,因此對功不是矢量、沒有方向的認識是本節的難點,建議本環節暫不作強調．

3 功的一般表達式W=Flcosα的處理與設計

若力的方向與物體的運動方向成某一任意角度α,該怎樣計算功呢?5位教師的設計思路基本相同,讓學生展開討論,根據力的分解知識,將F用垂直位移方向的分力F1=Fsinα和沿位移方向的分力F2=Fcosα來等效替代,由于分力Fsinα與位移l垂直,故不做功,而Fcosα與l的夾角為0°,故做功為W=Flcosα,進而得出功的一般表達式．這個思路也是教科書中給出的方法．

圖2

查閱蘇科版、滬科版8年級物理教材,定義功是力和物體在力的方向上移動距離的乘積;人教版高中物理教材,定義功是力和物體在力的方向上移動位移的乘積,但實際探究過程中,往往用位移和在位移方向上分力的乘積推導．人教版《教師教學用書》中指出,對于基礎較好的學生,在教學中應活躍和開闊他們的思路,可以介紹另一種方法,因為位移是矢量,也可以分解為lcosα和lsinα,如圖2,同樣可以得出W=Flcosα,同時自主學習教科書中的思路和方法．

圖3

兩種方法本質是相同的,但高一學生接觸矢量不久,第1種方法容易形成只能分解力不能分解位移的思維定勢;第2種方法探究過程不直觀,學生較難理解,有把簡單問題復雜化的嫌疑．筆者嘗試重新構建物理模型,如圖3,物體沿頂角為37°的斜面由頂端滑至底端,重力F與位移l成α=37°角,如何計算這一過程重力做的功?讓學生展開討論,分解位移l,根據重力F和物體在力的方向上移動位移lcosα的乘積,容易得到功的一般表達式W=Flcosα.

圖4

筆者進一步構建物理模型,如圖4,物體以某一初速度沿該斜面從底端沖上頂端的過程中,重力做了多少功?請比較這兩種過程做功的異同．

學生討論,這兩種過程中,重力的大小和力的方向上位移的大小相等,因此做的功相等,即W=Flcos37°;也有學生提出,根據力和分位移的方向關系,第二個過程中重力做負功W=-Flcos37°……

本環節的教學中,教師Z利用圖3模型以例題探究的形式理解鞏固功的計算和功的正負;教師H1從分解力和分解位移兩個方面進行比較探究功的一般表達式．值得肯定的是,教師H1設計了一個小實驗,圓珠筆內被壓縮的彈簧將筆彈出的過程中,W=Flcosα就不適用了,因為彈力F的大小在彈出的過程中不斷變化,彈力所做的功,就是變力做功,指出該公式適用于恒力做功．如何研究變力做功,可以作為一個問題提出,既作為激發學生思維的問題,也為后續內容的學習埋下伏筆．此外,筆者認為,對功的單位焦耳,特別是1J的大小,需要讓學生再一次有一個感性認識和體會,可以直接引入課堂．

3種教材分別設計了體會一些力做功估計值的活動．蘇科版8年級物理教材,從地上拿起一個約50g的雞蛋,并把它緩緩舉過頭頂,在此過程中你對雞蛋做的功大約為1J．滬科版8年級物理教材,將兩個雞蛋舉高1m,做功約1J;將一瓶500mL的礦泉水從地上拿起并舉高,做功約為10J;將一袋10kg的大米從地面扛到肩上,做功約150J;體重600N的某學生從一樓走到二樓,做功約1800J．美國高中主流理科教材《物理原理與問題》,一只蘋果重約1N,在你將它向上舉高1m的過程中,你對它做了1J的功．

4 用等效思想進行總功的計算與難點突破

實際物體會受到多個力,如何求多個力作用下的總功呢?教師W、教師Z、教師H1等3位教師均以物塊滑下粗糙斜面為例,求重力、彈力、摩擦力分別對物體所做功的代數和,即為總功．用這種方法求總功的前提是,在本環節前通過功和能的聯系說明功是標量．結論當然是正確的,但從物理學發展的過程看,功和能概念的建立過程是相對獨立的,之后在具體的物理過程中“匯合”時,人們才進一步認識到功的重要意義在于它可以決定能量的變化,才把它們聯系在一起．

教師繼續引導,由于合力與分力是等效替代關系,所以合力做功與分力做功也是可以替代的．分別用上述兩種方法求解,得到求總功的兩種方法,即W總=W1+W2+W3+…+Wn=F合lcosα.

圖5

另一種教學設計,如圖5,在光滑的水平面上,物體受兩個沿水平方向、互相垂直的大小分別為3N和4N的恒力,從靜止開始運動10m,求每個力做的功和合力做的總功．

兩種不同的教學設計都體現等效的思想方法,筆者認為,第2種教學設計更符合物理學史的發展,更接近科學探究的思想．在發現規律、提出物理量的表達式的過程中,我們不僅告訴學生結論,而且告訴學生結論是怎樣得出來的,這就是重視科學過程的做法．這既是一種教學思路,也是一種科學思維之路,因而對培養學生的邏輯思維能力和研究方法是有益的．

5 指向思維發展構建研學物理課堂的思考

2016年9月,教育部下發的《普通高中物理課程標準(征求意見稿)》指出,物理核心素養是學生在接受物理教育過程中逐步形成的適應個人終身發展和社會需要的必備品格和關鍵能力,是學生通過物理學習內化的帶有物理學科特性的品質,主要由“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態度與責任”4個方面構成．“科學思維”作為4要素之一提出,并在《標準》中58次出現“思維”這個關鍵詞,可見,指向思維發展的培養對形成學生科學素養的重要作用．

“科學思維”主要包括模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新等要素．以物理核心素養的大教育觀為導向,對科學思維、教學內容、教學方法、教學過程等進行深入分析和合理設計,把握教學原則、優化教學策略、彰顯育人價值,構建以培養學生物理核心素養,著力學生終身發展的高中物理教學設計．筆者提出以“問題→研究→展示→評價”為主線的研學物理課堂教學模式．研,即研究——以研究的方法;學,即學力——提升學習能力,研學物理課堂即是構建培養學生以研究的方法,提升學習能力的物理課堂．

問題:創設問題情境,建構物理觀念．建構主義學習理論認為，知識不是通過教師傳授得到,而是學習者在一定的情境即社會文化背景下,借助其他人的幫助,利用必要的學習資料,通過意義建構的方式而獲得．創設的情境能否激發學生探究欲望的關鍵是問題,沒有問題就難以激發和激起學生的欲望,學生也就不會深入思考,那么學習只能是表面和形式的．通過來自接近物理現象本身的“原始物理問題”抽象為理想化的“物理模型問題”,建構物理觀念,有利于培養和發展學生的思維能力．教師W借助史料“比較量度蒸汽機的效能”引導學生從物理學視角解決實際問題,通過邏輯推理用“乘積法”建立功的概念．

研究:引導科學探究,激活科學思維．建構主義認為,學習活動不是由教師向學生傳遞知識,而是學生根據外在信息,通過自己的背景知識,建構自己知識的過程,教師要從前臺退到幕后,要從“演員”變成“導演”,在“演員”最需要的時刻,提供適度的支持．教師H2設計“瘋狂原始人”的挑戰游戲——模擬“吹箭”,引導學生體會類比法、控制變量法等,體現高中物理方法教育的重要性．需要指出的是科學探究是否會有實驗,不是其本質特征．筆者從物理概念建立的過程,沿著思維發展的方向,完成本課由“距離”到“位移”的思維跨越等知識的科學探究,促進學生科學思維的培養．

展示:追求多維互動,強化探究活力．基于核心素養的高中物理教學強調優化教學要素及其相互關系并形成多維互動．教師扮演學生的學術顧問,成為教學環境的設計者、學習活動的組織者和意義建構的促進者;學生通過同伴間的監督指正、展示互動,不僅會發現自己的不足,是自我反思糾正的過程,而且也會發現、甄別和利用展示過程中的生成性資源,發揮生成性資源對培養物理學科核心素養的作用,進一步強化學生的科學探究活力和科學思維的形成．在突破本課難點之一“功是標量”時,教師和學生始終是合作者的關系,改變教師告知學生“功是標量”,進而利用結論求總功的傳統教學方法,而是通過用等效思想進行總功計算的兩種途徑,探究發現“功是標量”的結論,也體現了科學知識的自洽性．

評價:多元發展評價,形成科學態度與責任．課堂教學評價對學生活動有導向、診斷、激勵、改進和交流協調等功能．建構主義理論強調,師生之間是一種平等、互動的關系,要改變傳統的一元化、終極性評價方式．在過程性評價中,以物理核心素養發展為標準,實現教師評價、生生互評、學生自評等多元化、發展性評價,既能幫助學生暴露錯誤又能保護學生的自尊心,也能在教師指導、同伴幫助下糾正錯誤,從而形成科學態度與責任等核心素養的協同發展．

創新教育的目標是要培養學生的創新意識、創新思維和創造能力,教會學生探索未知、挑戰未知,從而養成開拓進取、勇于冒險的求知精神,提升學生學科關鍵能力和學科核心素養．基于核心素養的物理創新教學應該圍繞真實而復雜的實際問題,引導學生應用科學思維方法聚焦核心概念,設計核心問題,展開自主學習、合作學習、展評學習,還需要一線教師繼續開展實踐研究．

1 韋葉平.基于實驗探究下的規律課教學實踐研究——以創新建構“牛頓第二定律”為例[J].物理教師,2016(8):14-17,21.

2 耿宜宏,王志剛.基于問題探究式教學在高中物理課堂的實踐與思考——以“牛頓第三定律”一課的教學為例[J].物理教師,2015(11):27-30.

3 張曉紅,張靜.以培養物理核心素養為導向的“電壓”教學設計[J].中學物理教學參考,2016(6):50-51.

4 余華云.基于核心素養的高中物理教學探析[J].中學物理教學參考,2016(10):2-5.

2017-02-12)