基于物理學科核心素養的課堂滲透*
——以PBL導向下“牛頓第三定律”的教學為例

周后升

[北京師范大學(珠海)附屬高級中學 廣東 珠海 519000]

筆者嘗試在PBL導向下進行物理學科核心素養的課堂滲透，并以“牛頓第三定律”的教學為例進行一些實踐性的探索和思考.

1 物理學科核心素養的認識

1.1 物理學科核心素養的構成

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，是學生科學素養的重要構成.物理核心素養主要由“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[1].

1.2 物理學科核心素養的內容建構關系

物理學科核心素養的內容建構關系如圖1所示.

圖1 物理學科核心素養的內容建構關系

這里把物理教育活動比作“培植一顆蘋果樹”：濃密的樹葉下掛滿的蘋果，如我們教育活動的結果獲得大量的“物理知識”一樣；豈知豐碩果實需要粗大的樹干支撐，它就如教育活動中的“科學思維”——物理思想方法是獲得物理知識的必由之路；樹根是樹的根基，樹干的延續，樹苗能夠長成參天大樹的基礎，正如我們進行“物理觀念”的教育要從根本抓起，物理觀念是科學思維的凝結，位于科學思維教育的上位；大樹生長需要水分和養料，它不構成大樹本身，但卻是大樹生長不可或缺的營養，就如缺少了“科學態度與責任”的教育活動是不可能成功的；我們在辛勞培植這棵蘋果樹的過程中正像教育活動中進行了一番“科學探究”！通過“核心素養樹”的類比，我們認識到核心素養內容構成既相互關聯又相互依存，層層遞進，呈逐步升華的樣態[2].

2 了解“PBL”

2.1 什么是“PBL”

PBL即Problem-Based Learning的縮寫，是以問題為導向的教學方法，是基于現實情景的以“學生”為中心的教育方式.與傳統的以學科為基礎的教學法有很大不同，PBL強調以學生的主動學習為主，而不是傳統教學中的以教師講授為主；PBL將學習與任務或問題掛鉤，使學生投入問題中；它通過設計真實性任務，強調把學習設置到復雜的、有意義的問題情境中，通過學生的自主探究和合作來解決問題，從而學習隱含在問題背后的科學知識，形成解決問題的技能和自主學習的能力.

2.2 PBL導向下的課堂教學設計思路

PBL導向下的課堂教學設計思路如圖2所示.

圖2 課堂教學設計思路圖示

3 PBL導向下基于物理學科核心素養在課堂教學中的滲透

BPL導向下“牛頓第三定律”的教學設計[3]如表1所示.

表1 牛頓第三定律教學設計

續表1

4 “PBL導向下基于物理學科核心素養的課堂滲透”的幾點思考

4.1 生成和體驗問題階段要重視課堂問題的情景化和生活化

問題是教學中最有價值的資源.杜威指出,“學生應該從生活中學習，源于生活的學習可以無處不在.”因此課堂教學要從學生生活體驗出發，創設學生所熟知的生活化問題情境，激活學生原有知識、觀念及認知經驗，激發學生的學習興趣.如“牛頓第三定律”一課中,設計“鼓掌”“雞蛋碰石頭”等生活中常見的情景，讓學生感受力的作用是相互的，并在體驗中猜想相互作用力的大小關系.

4.2 猜想假設階段要培養學生課堂敢于猜想和勇于探究的“科學探究”意識和水平

從語義上講，“探究(inquiry)”在《牛津英語辭典》中是指“求索知識或信息，特別是求真的活動;是搜尋、研究、調查、檢驗的活動;是提問和質疑的活動”.“科學探究”作為一種認知活動,要經歷一定的活動程序或階段：生成問題→猜想假設→制定方案→進行實驗→檢驗假設→交流分享等.

如“牛頓第三定律”一課中,針對“一對相互作用力的關系可能有哪些”的猜想，教師要機警地從學生“七嘴八舌”的討論或“竊竊私語”中“插嘴”,引導學生設計實驗并大膽演示，啟發學生完善實驗方案，設計如圖3(a)所示的用“置于活動紙板上的遙控汽車的運動使紙板后退”,圖3(b)所示的用“安培力使線圈移動的同時U形磁鐵也反向運動”等實驗驗證“作用力和反作用力”的性質是否相同的猜想，設計如圖3(c)所示的“通過測量物體的重力與視重的差值求得水對物體的浮力，通過測量盛水燒杯對臺秤壓力的變化求得物體對水的壓力”這種轉換測量的間接實驗，以及用如圖3(d)和圖3(e)所示的“彈簧測力計或傳感器在靜止和加速狀態下的對拉”等直接實驗定量探究“作用力與反作用力”的“大小是否相同”的猜想.這樣將學生學習的關注點自然聚焦到探究主題——牛頓第三定律.

圖3 牛頓第三定律實驗設計

4.3 解決問題階段要注重學生課堂“科學思維”方法的訓練

科學思維方法，是人類在開辟知識新領域活動中，取得成功的有力武器.愛因斯坦說，“成功是艱苦勞動加正確方法……”.常態課堂中的“科學思維”訓練要求教師應有計劃地結合教材介紹科學家豐富多采的思維方法和研究方法，并將各種方法作為工具貫徹于課堂教學的各個環節，使學生逐步了解和掌握科學思維方法.

如“牛頓第三定律”一課中,用“感受觀察法”通過“鼓掌”“擠壓兩個氣球”等讓學生形成“作用力和反作用力”這一重要概念；用“猜想假設法、實驗法、轉換法、物理模型法、歸納法”等建立對“牛頓第三定律”規律的認識，如用圖3(c)的間接實驗轉換法，以及圖3(a)、3(b)和圖3(d)、3(e)的直接實驗定量探究“作用力與反作用力”的大小關系.從而順理成章歸納出牛頓第三定律.此外本節課還用到對比研究法，如把一對“相互作用力”與一對“平衡力”進行比較研究，發現二者的異同，從而更好地理解“牛頓第三定律”的規律.

4.4 感悟問題階段要啟迪學生課堂質疑創新且培養其創造性思維

物理不仰仗權威而需要證據.質疑創新就是要有批判性思維的意識，進而提出創造性見解.課堂教學中要培養學生凡事都要問“何事？為何？何故？(what？why？how？)”，而不僅僅停留在“何人？何時？何處？(who？when？where？).

“牛頓第三定律”一課中學生的“質疑思維”典型體現為：

(1)用如圖4所示的圖像說明其方向總保持相反，其實縱坐標的正負是人為選取的結果，不能說明方向每時每刻相反[4].

圖4 作用力與反作用力方向相反

(2)DIS實驗中用力傳感器或彈簧測力計定量探究“作用力與反作用力”的大小關系時，隱含內在邏輯上的循環論證.理由是對“平衡狀態”的兩測力計使用整體法受力分析，可得兩外力大小相等方向相反.再對各測力計使用隔離法可得一個掛鉤壓力與另一個對應外力的平衡方程，聯立可推導兩掛鉤間壓力“F=-F′”的表達式.因此，用彈簧測力計(或力傳感器)來驗證牛頓第三定律是不合適的.

(3)“牛頓第三定律”的數學表達“F= -F′”和文字表述“兩個物體之間的作用力和反作用力‘總是’大小相等、方向相反，作用在同一條直線上”，很多學生質疑：“牛頓第三定律”的正確表達應該為矢量式F=-F′；“總是”難道定律沒有適用條件和范圍嗎？事實上，“牛頓第三定律”只有在“相互作用的物體的速度遠小于傳遞相互作用的速度(如光速)”才成立[5].

(4)如圖5所示的“拔河比賽”的勝負不能簡單用牛頓第三定律和地面對人的摩擦來解釋，它需要考慮繩的質量的有無，更是一項靠體力、毅力與協作來取勝的體育項目.

圖5 拔河比賽

4.5 問題鏈條解決的整個過程中應滲透“物理觀念”“科學態度與責任”的教育

物理觀念的更新記錄著人類對客觀世界認識發展的歷史.愛因斯坦指出,“在建立一個物理學理論時，基本觀念起了最主要的作用……”.我們在平時的常態教學中除強調科學知識、技能與方法外，“科學態度與責任”的育人教育應與時俱進，重視與科學·技術·社會·環境(STSE)的密切聯系.

如“牛頓第三定律”一課中，“物理觀念”的教學貫穿始終.由于本節課研究的本就是力的相互作用規律，自然體現了“相互作用觀”；而“力”這個核心概念又繞不開物質，所以也體現了物質觀念；分析說明牛頓第三定律在各種不同運動情況和時空成立條件的過程，充分體現了運動觀和時空觀等等.本節課在“科學態度與責任”的教育方面也是不遺余力，引導學生猜想“作用力和反作用力”的各種關系的同時不忘實踐(驗)檢驗，不盲目“瞎猜臆想”；并尊重客觀實驗數據，實事求是.在展示“天宮二號”發射升空的視頻說明牛頓第三定律的應用時，激發學生探索太空的興趣及愛國熱情.演示“拔河比賽”時強調團結協作的力量也是決定輸贏的重要條件.

5 結束語

高中物理的課堂教學內容非常豐富，教師要從紛雜的概念、規律或定理、公式中掙脫出來，用更高遠的視野，抓住物理學科的核心知識——核心概念、規律，體驗并感悟重要實驗和思想方法；提升核心能力——理解、推理能力，分析、綜合能力，利用數學工具解決物理問題的能力和實驗能力；端正科學態度——如學生的情感、態度、價值觀及科學精神、興趣和合作意識等教育，全方位進行物理學科核心素養的培養.落實到學生層面，讓學生不僅獲得了信息(what)，而且得到了證據(why)，同時也學會了方法(how)，甚至更新了自我(who)[6].

1 中華人民共和國教育部.物理課程標準(征求意見稿).普通高中課程標準修訂組，2016.9

2 邢紅軍.論物理思想的教育價值及其啟示.教育科學研究，2016(8):64～65

3 周后升.“問題驅動法”構建探究式物理課堂——“楞次定律”教學案例剖析.物理教學，2016(12):18～20

4 白晶.指向深度學習培養核心素養.中學物理教學參考，2016(3):3～4

5 胡揚洋.物理教材“牛頓第三定律”編寫存在的三個疑難問題.課程教學研究，2014(1):76～77

6 王高.物理核心素養培養淺探.物理教師,2016(12):18