核心素養導向的物理內核探究教學

林輝慶 莫信奇

摘 要：物理核心素養是所學的物理知識遺忘之后剩下的，對學生今后從事各種工作、處理各類事務繼續發揮作用的必備品格和關鍵能力.積極自主、深度參與的探究活動有利于發展物理核心素養.內核探究教學能促進學生物理觀念的形成、科學思維方式的發展、科學探究能力的提高、科學態度和社會責任感的養成.

關鍵詞：物理核心素養；知識系統；內核問題；內核探究教學；促進

物理核心素養是學生發展核心素養在物理學科中的體現和具體化，主要由“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態度與責任”四個方面構成.[1]它不是具體的物理知識和技能，是所學的物理知識遺忘之后所剩下的，是學生今后從事各種工作、處理各類事務繼續發揮作用的必備品格和關鍵能力.

完全被動接受的學習方式不利于物理核心素養的培育，因為這樣獲得的知識遺忘之后，并不能在頭腦中留下多少東西.只有積極自主、深度參與的探究活動，才能深刻地影響學生的內部世界，使學生的觀念、態度、思維方式和探究能力發生明顯而長遠的變化.

學校課程，要求在規定的時間內完成規定內容的教學，在課程內容的教學中培育學生的核心素養，所以不可能也沒必要所有的知識都用探究的方式教學.那么，哪些知識采用探究式教學？哪些知識采用授受式教學？兩種教學方式如何結合？筆者在多年教學實踐和廣泛理論學習的基礎上，提出的“中學物理內核探究教學模式”，在較大程度上解決了這些問題.

一、認識的內核突破性與知識的核式結構[2]75-80

（一）認識的內核突破性

人們在解決一個原有知識無法解決的問題時，總是先多方尋找證據，不斷猜測論證，冥思苦想，醞釀發酵，直到某個時刻突然靈光一現，產生了一個想法或念頭，這個想法或念頭正是解決問題的關鍵或要點.將這一想法或念頭展開并深化，就能使問題得到解決，這就是認識的內核突破性.

科學作為人類的共同事業，其發展過程與個體的認識過程有相似的特點.對某一領域的認識，往往需要很多科學家的共同努力.先是不斷地獲得局部的、零星的經驗，隨著研究的深入，經驗的積累，終于某個科學家有了關鍵的發現，隨之建立起完整的理論，使這一領域的各種現象得到統一的解釋.

（二）知識的核式結構

人類的知識是認識過程的成果和結晶，知識的結構和形態由人的認識規律決定.在解決問題中由感悟產生的新想法、新認識，雖然只是很小的一點東西，但它是一個知識胚胎，包含著解決問題的全部信息.將新想法、新認識中的意義概念化、清晰化，結合相關的原有知識經驗，就會生成一個有機的核式結構的知識系統.該知識系統中的各個知識在相互聯系中同時獲得意義，由感悟產生的新想法、新認識是系統的核心意義，反映核心意義的概念和規律是系統的核心知識.

例如，人們在生活和工作中觀察到很多硬桿在外力作用下繞固定點轉動的現象，于是把硬桿和固定點理想化為杠桿和支點，然后研究它在外力作用下的平衡條件.通過反復實驗終于發現杠桿的平衡與作用力的大小和支點到力作用線的距離的乘積有關，從而定義支點到力作用線的距離為力臂，同時得到杠桿的平衡條件，由此建立起圖1所示杠桿的知識系統.這是一個有機的知識系統，力臂和杠桿的平衡條件是在相互聯系中同時建立起來的.

二、內核探究教學模式[2]81-90

（一）內核探究教學的基本思路

學習必須遵循認識規律，才能獲得知識的本質意義，才能發展核心素養.內核探究教學是根據認識的內核突破規律和知識的核式結構規律而建立的一種教學模式.其基本思路是：確定一個恰當大小的知識系統，分析系統中知識的內在聯系和結構，明確系統的核心知識.在知識的核心處設置問題（即內核問題），引導學生對內核問題進行充分的探究.然后依靠被突破之內核的強大生命力，接受性地建構起整個知識系統.

（二）內核探究教學的基本步驟

內核探究教學主要由如下六個步驟組成：確定知識系統；明確核心問題；創設問題情境；探究生成內核；發展形成體系；應用鞏固知識.

1.確定知識系統

內核探究教學需要確定恰當大小的知識系統，以既能使所學知識的本質意義在其中得到充分的反映，又能在課堂時間內完成探究.例如，將力臂和杠桿平衡條件作為一個系統學習，能在1節課的時間內探究突破內核.通過探究學習，學生能正確理解力臂的本質意義和用力臂表述的杠桿平衡條件.而如果象教科書闡述的那樣，先行介紹力臂的概念，再學習杠桿平衡條件，那么學生只能形成力臂的字面意義，并且使杠桿平衡知識的學習流失了很多探究性，增加了機械性.

2.明確核心問題

確定了課堂探究的知識系統，接著需要通過對其中各知識之間關系的分析，明確其核心意義，然后將核心意義轉化為內核問題.內核探究教學正是圍繞對內核問題的探究而展開.

3.創設問題情境

探究教學應根據學生的原有知識經驗和心理需要，以及實驗器材、學習資料等教學資源因素，創設具有適度挑戰性的內核問題情境，以吸引學生投入對內核問題的探究之中.

4.探究生成內核

在內核探究中，由于探究點集中，為學生進行充分的自主探究創造了條件.課堂中，學生在獨立思考的基礎上發表自己的見解，不同觀點相互碰撞，不同大腦彼此激發，在教師的引導下使探究不斷深入，直至實現內核突破.

5.發展形成體系

學生通過探究突破了內核問題，獲得了核心意義，即從整體和本質上把握了知識系統.在此基礎上，就可用授受或自學的方式，讓學生快速地構建起整個知識系統.當然，為了便于記憶、應用、交流和傳播，學習成果應該整理成簡明清晰的、符合邏輯的知識體系.

6.應用鞏固知識

用新知識解釋已有的現象，或從新知識作出推論，然后用實驗或原有的理論進行檢驗.新知識在這些應用過程中，意義得以清晰和豐富，適用范圍得以明確，與相關知識的聯系得以建立.

三、內核探究教學案例

下面以浙教版義務教育課程標準實驗教科書《科學》九年級上第三章第4節 “認識簡單機械”中的“杠桿”的教學為例，介紹內核探究教學的實施過程.

（一）知識系統

杠桿及有關知識.將力臂和杠桿平衡條件當做一個整體來研究.

（二）內核問題

杠桿受兩個力作用，平衡條件是什么？

（三）問題情境

投影姐姐與妹妹一起玩蹺蹺板游戲的圖片（圖2）.教師分析蹺蹺板的受力與運動特點后，介紹杠桿、支點以及杠桿平衡概念.

教師：圖2中妹妹一端位置高，姐姐一側位置低.有什么辦法使蹺蹺板靜止在水平位置？

學生提出三種方法：姐姐用腳蹬地，使自己壓板的力減小；姐姐坐的位置靠近轉軸一些；妹妹坐的位置遠離轉軸一些.

教師：可見，杠桿是否平衡與作用在其上的力的大小有關，還與支點到力作用線的距離有關.那么杠桿平衡的條件到底是什么？我們通過實驗進行研究.

（四）內核探究

教師介紹圖3所示的實驗裝置及F1、l1、F2、l2的意義.學生通過分組實驗得到，當F1l1=F2l2時杠桿平衡.

教師：在圖3中，撤去掛在杠桿右端的鉤碼，在左端施加一個作用力，能否使杠桿平衡？如果能，力應該取什么方向？

學生：能.所加的力應該豎直向上.

教師：在圖4中A點加一個大小等于多少的豎直向上的力，杠桿才能平衡？

學生：3N.（每個鉤碼重0.5N）

教師用實驗驗證.然后讓學生預測在B點應施加多大的力杠桿才能平衡，學生很快回答應該加1.5N的力.

教師如圖5那樣在B點施加作用力，杠桿平衡時彈簧秤讀數為2N.

學生很驚訝.有的說可能是彈簧秤不準；有的說是彈簧秤的“拉力方向錯了”.

對第一種觀點，教師用鉤碼掛在彈簧秤下端進行檢驗，發現彈簧秤讀數是準確的.對第二個觀點，教師反問學生：應該怎樣拉才是正確的？

很多學生：應該豎直向上.

教師：斜向拉也能使杠桿平衡，所以這種方法也是正確的，問題是為什么斜向拉需要的力要大一些？

學生3：因為這時力與支點的距離變近了.

教師：F1作用點與支點的距離是3格，B點到支點的距離是4格，怎么說是變近了？

學生3：那條線與O點的距離變近了.

教師：你的意思是力作用線到O點的距離變小了？

學生3：是的.

學生分組實驗：彈簧秤以各種方式斜向作用在杠桿上使其平衡，用三角板測量O到力作用線的距離l.通過測量研究，彈簧秤拉力的大小F2與O點到作用線的距離l2的乘積，是否等于鉤碼對杠桿的作用力大小F1與O點到作用線距離l1的乘積.

學生實驗后，教師：你們的實驗結果如何？

很多學生：力的大小與支點到力作用線的距離的乘積相等.（內核突破）

（五）知識體系

在學生探究實現了內核突破的基礎上，教師直接給出力臂的定義和用力臂表述的杠桿平衡條件，然后投影并講解本節課的研究成果（圖6）.

[杠桿及其平衡條件

1.杠桿：能繞固定點轉動的硬桿叫杠桿，固定點叫支點.

2.力臂：支點到力作用線的距離.

3.平衡狀態：保持靜止或勻速轉動狀態.

4.平衡條件：作用在杠桿上的兩個力要使杠桿向相反方向轉動，當F1l1= F2l2時杠桿處于平衡狀態.]

（六）應用鞏固

學生閱讀教科書87～92頁.要求閱讀后提出自己的疑問.

學生的主要問題有：①作用在杠桿上的兩個力一定要區分動力和阻力嗎？如果兩個力都不是人施加的，那么哪個力是動力？②杠桿靜止時處于傾斜狀態是平衡狀態嗎？③杠桿可以是彎曲的嗎？④釣魚竿不是硬的，也可以看做杠桿嗎？

四、內核探究促進學生物理核心素養發展

一方面，知識系統的內核問題是真正的科學問題；另一方面，雖然，課堂上對內核問題探究的曲折程度遠不及歷史上的真實探究，但其經歷的基本過程、運用的一般方法和需要的一般推理，與真實的科學探究無異.所以，內核探究教學能有效地培育學生的物理核心素養.

（一）促進物理觀念的形成

學生對于通過全身心投入的探究發現其核心意義而建立起來的知識系統，理解全面而深刻.更為重要的是，這樣獲得的知識，與學生的內部世界既有字面上的聯系，也有情感上的聯系，還有潛意識乃至無意識方面的聯系，是學生精神世界不可分割的有機部分，因而更容易內化和升華為物理觀念.

在“杠桿”的探究教學中，學生通過自己的實驗研究發現了力臂的意義及杠桿的平衡條件，這有助于他們形成物質的運動是有規律的觀念，結合即將學習的機械效率知識，還有助于形成能量的觀念.

（二）促進科學思維方式的發展

科學思維的方式、方法和能力，形成、運用并發展于科學探究活動.在“杠桿”的探究教學中，通過對各種硬桿受外力作用繞固定點轉動的現象進行抽象概括，建立起杠桿和支點的模型；通過對實驗數據的分析綜合，形成力臂概念，發現杠桿的平衡條件；自學教科書時提出各種疑難問題；對彈簧秤斜拉杠桿時讀數與預測不相符的“異常”現象提出各種觀點等過程，都能有力地促進模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新能力的發展.

（三）促進科學探究能力的提高

課堂中的內核探究，是簡化的但卻保留了最本質因素的科學探究.探究性的課堂中，學生還會遇到各種問題，需要用科學探究的方法去解決.在杠桿的教學中，閱讀教科書后，有學生提出：“釣魚竿不是硬的，也可以看做杠桿嗎？”討論中，有個學生認為，對于釣魚竿彎曲的這種狀態，可以認為它是硬的，這時仍滿足F1l1=F2l2.這種觀點是否正確？教師要學生課外設計實驗進行檢驗.幾個學生在課外，利用小竹竿、鐵架臺、彈簧秤、鉤碼，設計了圖7所示的實驗，證實了猜想是正確的.在這里，學生自己發現問題，做出猜測，設計并通過實驗檢驗猜測，在獨立思考的基礎上發表自己的觀點，科學探究能力得到了很好的鍛煉.

（四）促進科學態度和責任感的養成

經歷突破內核問題的智力探險，學生會不斷加深對科學本質的理解.在投入的探究中，學生將經歷攻克難題時的思維緊張，獲得感悟時的興奮激動，從而增強對科學研究的積極情感.在對杠桿平衡條件的探究中，當對彈簧秤斜拉杠桿讀數與預測不符的原因的猜測，和釣魚竿在彎曲狀態時可以看作硬桿的猜想得到實驗證實時，學生都會產生情感上的“高峰體驗”，并會積累這樣的自信：科學研究并非高不可攀，并非只有智力超群的天才人物才能從事；只要自己投入、專注地探索科學問題，同樣會有所發現，有所發明，對人類文明的進步做出貢獻.

參考文獻：

[1]胡衛平.物理學科核心素養的內涵與表現[J].中學物理教學參考，2017（8）：1.

[2]林輝慶.中學物理內核探究教學模式構建藝術[M].重慶：西南師范大學出版社，2015.

[3]余文森.核心素養導向的課堂教學[M].上海：上海教育出版社，2017：72-81.