以“學科+”的形式進行指向核心素養的物理學科課程設計
——在單元設計視域下

姚建民

(無錫市輔仁中學,江蘇 無錫 214023)

物理學科核心素養包含:物理觀念,科學思維,科學探究及科學態度和責任．在物理教學研究中,我們曾經主要關注課堂教學的研究,如何進行每一節課的教學設計是長期以來教研活動的重點．現階段,旨在培養學生核心素養的教育體系下,從學科層面,如何進行基于核心素養的物理課程設計,如何一步步推進課程的實施、實施的效果如何、應采用何種機制來評價學科課程建設的成果,這是每個物理教師希望討論和應該關注的問題．

具體地說,課程設計既包含課堂教學設計,又包含其他模塊,如與物理學科相關的活動或項目的設計．物理課程設計首先是基于物理教學單元設計基礎上的,在物理學科教學中,按照學科框架內的模塊式的學習內容來組織教材單元,把“單元設計”概括為兩種不同的單元編制: (1) “計劃型課程”的單元編制以“目標—達成—評價”方式來設計; (2) “項目型課程”的單元編制以“主題—探究—表達”的方式來設計．蘇科版初中物理教材在編制上已將“學科單元”與“項目單元”進行了有機的融合．

“學科+”,是指在學科教學的基礎上,增加一些模塊,豐富學科教學的內涵．以“學科+”形式進行課程整合,可以理解為學科融合課程,或者跨學科課程的初始形態．在單元設計的視域下,輔以“學科+”的形式進行物理學科課程設計,可以讓物理學科核心素養的培育目標落到實處．“學科+”的內容可以包括項目產品的制作與評價,綜合實踐活動的開展與體驗(含學生課外小實驗的提煉歸納)，研究性學習活動等等．

1 “學科+”的形式之一:物理課程增加項目產品的制作與評價

對于8年級的學生,首次接觸物理學習,實際處于物理學科學習的啟蒙階段.這個時期,物理教師必需認真思考這樣的問題:物理課程具體怎樣實施,才能夠促進學生形成物質觀念、運動與相互作用觀念、能量觀念等,進而能用其解釋自然現象和解決實際問題．

校本物理課程除了物理教學之外,可以開展物理相關的項目產品制作與評價,把跟學生生活聯系密切的問題、社會熱點中的物理問題、現代科技成果等有實踐情境的教學內容引進課堂;創設真實情境,用物理規律分析和解決真實情境中的問題．

以蘇科版8年級上冊聲現象第3節“噪聲及其控制”為例,可以開發如下的項目.

(1) 提出問題:“音樂是什么?噪音是什么?兩者差別有哪些?”

借助生活經驗,認識噪聲、噪聲的來源及其危害．

(2) 進一步思考:“如何檢測聲音大小?測量聲音大小的工具如何使用呢?”(事先讓學生上網查找資料,可以讓學生介紹一下“噪聲分貝儀”的使用方法)

介紹減少噪聲的減少噪音3種途徑: ① 聲音源頭; ② 聲音傳播過程; ③ 聲音接受端.

(3) 創設一個問題情境:你爸爸摩托車消聲器壞了,平時路過別人家門口時,噪音特別大,影響了居民的生活,為了節省開支,希望能修復或者制作個消聲器使用, 為此,你打開了消聲器內部,發現了里面的零件全部擠在出聲口．

簡介兩種消聲器原理，如圖1、圖2所示.

圖1 阻式消聲器

圖2 抗式消聲器

(4) 每個人的任務:根據現有的兩大類消聲器原理圖,設計你要做的消聲器吧,先畫出來瞧瞧吧．

每組的任務:融合每位小組成員的設計理念,畫出你們小組的設計圖吧.

(5) 分享與展示.

① 每組不得超過2min;

② 每組只有一名同學介紹作品;

③ 想出自己作品一個以上缺點．

(6) 評價與反思:請說一說在活動過程中遇到了哪些問題?通過什么方式解決的?并思考你制作的消聲器為什么能夠消聲?有哪些物理原理?

2 “學科+”的形式之二:物理課程重視綜合實踐活動的開發和體驗

通過綜合實踐活動,增添物理知識與實踐情境相關聯的教學內容,培養學生對物理學科的興趣和關注度．綜合實踐活動是一種很有特色的學習內容和學習方式,對學生核心素養的養成有重要意義和獨特價值．它比常規教學更耗時、更費力,綜合實踐活動能否取得預期的教學效果,在很大程度上取決于教師對活動的重視程度和指導水平的高低．

以蘇科版8年級上冊物理教材第3章光現象綜合實踐活動“探究樹蔭下的光斑”為例,綜合實踐活動可以分為3個階段:第一階段,確定課題階段．(1) 發現問題:學生們雖然經常從樹蔭下經過,但很少有人意識地注意地面的光斑,引導學生仔細觀察,學生會發現現象和問題:有的光斑是不規則的,有的光斑近似為原形．原形光斑比不規則光斑小,且比較暗．哪些因素會影響光斑的形狀和亮度．(2) 提出猜想:地面光斑的形狀由樹葉間的縫隙或者小孔的形狀決定的還是由物體的形狀決定的．(3) 設計方案:圍繞“如何用實驗驗證猜想”和“需要哪些器材”兩個問題來討論．通過討論,由學生自己確定如何在卡片上開孔,寫出實驗方案,設計中要考慮如何更好地記錄實驗現象．第二階段,課題研究階段．取較大的孔,孔的長寬都是1 cm,形狀不同,觀察光斑的形狀和亮度;取較小的孔,尺寸約3 mm,形狀大小不同,進行實驗,觀察孔的形狀與光斑形狀是否有關．第三階段,成果整理和交流階段．整理實驗過程收集的各種信息,撰寫研究論文,包括問題的提出、研究方法和計劃、實驗情況和記錄,待研究的問題等等．最后一個環節就是交流匯報,這個環節可以采用分工的方式,并綜合運用各種多媒體手段,匯報交流時,其他學生可以進行評價和提出質疑,由匯報人進行答辯．

從樹蔭下光斑的現象,引導學生進一步思考,樹葉的縫隙較小時,類似于小孔,那么小孔成像的性質與哪些因素有關呢?這里其實就是一個物理建模的過程,從生活中的現象得到啟發,用其他物體來代替太陽,學生自發研究小孔成像的形狀與像的大小與哪些因素有關,設計課外小實驗進行進一步的探究活動(附學生設計的部分實驗報告).

實驗報告:探究像的大小和哪些因素有關.

選擇其中成像最清晰的一個小孔,改變光屛和小孔的距離(像距)和LED光源(物體)和小孔的距離關系(物距),觀察像的大小有怎樣的變化,記錄成縮小、放大及等大的像時像距和物距數值,并比較像距和物距的大小關系，如表1所示．

表1

實驗結論:

① 當____________時,成縮小的像;

② 當____________時,成等大的像;

③ 當____________時,成放大的像．

在綜合實踐活動中,學生的發現往往令人驚喜,比如當學生使用“F”形狀的LED光源(如圖3甲)作為發光物體時,光屏看到了倒立的像,進一步仔細觀察,發現,小孔的形狀是圓形時,組成實像的每一個小光斑是圓形的(如圖3乙);小孔的形狀是三角形時,組成實像的每一個小光斑是三角形的(如圖3丙);這使學生產生了新的困惑．這時,教師可以進一步指導,讓學生去測量“F”形狀的LED光源外觀尺寸,組成LED光源每一個小光源的尺寸,還有小孔的尺寸,讓學生去認真思考研究形成這種現象的原因,引導學生進行新的課外探究活動．

精心設計與物理相關的綜合實踐活動,在這樣的探究活動中培養科學思維及科學態度,促進學生物理核心素養的形成．

(甲)

(乙)

(丙)

3 “學科+”的形式之三:物理課程加入學科相關的研究性學習

物理學科核心素養中包含科學態度和責任這一要素,這里的責任其實就指社會責任,這是學生核心素養的重要組成部分．核心素養中所指的社會責任又分為責任擔當和實踐創新兩個方面,通俗地講,這一素養可以理解為人文精神或者人文關懷．人文精神的核心包含了3個方面: ① 關注個體自身的發展; ② 關注人與自然的和諧發展; ③ 關注全人類的發展．②在物理課程中如何積極倡導人文精神呢?這就需要在物理課程設計中加入相應的研究性學習環節,讓學生去了解社會發展動態,了解國家現階段科技發展的水平,我們面臨的能源危機與環境污染等等問題,培養學生的科學態度和責任．研究性學習包括資料的收集、閱讀和調查,實地考察等形式,是學生自主學習的一種方式,物理學科相關的研究性學習可以從以下3個方面入手.

(1) 關注科技發展的動態．例如在進行“望遠鏡和顯微鏡”課堂教學之后,可以布置閱讀調查的任務:現階段世界上最先進的望遠鏡有哪些?他們能觀察到宇宙空間的哪些范圍?學生在收集資料,進行閱讀調查之后,有學生會進一步了解到我們所熟知的哈勃空間望遠鏡,在1990年升空時,這個當時觀測項目中規格最大(1萬人參與制作,耗時10年),投資最多(最初是30億美元),最受公眾矚目的空間設備,它的安裝和制作充滿波折．當時在人們期待它向地面發送清晰圖像時,卻發現成像效果很不盡人意．通過圖樣缺陷分析顯示,問題來源于主鏡的形狀被磨錯了,鏡面和需要的位置只差了微不足道的2μm,但這個差異卻造成了災難性的球面誤差．對這一段歷史的回顧,學生們會意識到:科學的發展,技術的進步是永無止境的,科學家也會犯錯,在探索未知世界的進程中,人類總是在不斷發現問題,不斷犯錯,不斷改進,可見,科技的發展進步從來不是一帆風順的,而是在波折中曲折前進的．還有學生會注意到:我國建成世界上最大口徑射電望遠鏡(FAST), 該望遠鏡口徑為500m、占地約30個足球場大小．2016年9月,在貴州省平塘縣的喀斯特洼坑中落成啟用,開始接收來自宇宙深處的電磁波,成為世界上最大“天眼”．除了閱讀相關資料以外,也可以組織實地考察:如參觀集成電路工程設計院,到國家超級計算中心開展尋訪活動,參觀了世界上首臺峰值運算性能超過每秒十億億次浮點運算能力的超級計算機——“神威·太湖之光”．了解現階段國家科技發展的水平,有益于學生社會責任意識的形成.

(2) 關注人與自然的和諧發展．在蘇科版“能源和可持續發展”一章中,介紹了各種能源及其優缺點之后,提出了3個思考問題: ① 能源與社會發展有什么關系?② 人類應該怎樣和自然界共處?③ 你能為節約能源做些什么?學生們利用所學的知識,聯系實際作出生動回答,答案豐富多彩,讓教師感動．假期組織物理興趣小組的學生開展小隊活動,比如,參觀污水處理廠,了解城市污水的處理方法,去城市環境監控中心開展了“一滴水,一生命”主題活動,培養學生珍惜水資源,愛護環境的意識,在這樣的研究性學習中潛移默化中培養學生的科學態度和責任．

(3) 關注全人類的發展．人利用科學和技術可以改造自然,造福人類,也可以憑借科學技術的力量,破壞自然,危害世界．可以讓學生查閱資料后,分享自己了解到的與物理相關的歷史故事．如當愛因斯坦獲知匈牙利科學家根據質能轉換的關系發現核聚變以后,主動寫信給美國總統羅斯福,要求制止此項技術用于戰爭．信件雖未能起作用(此事成為愛因斯坦的終身遺憾),但他作為一個科學家的良知一直為世人所稱頌．

人類創造的文化,包括科技文化和人文文化,它們分別發揮著工具理性和價值理性的作用,但是到了現代社會,由于科學技術成為第一生產力,創造了巨大財富,于是,使得人們對它的作用過分“高估”,以為人類社會的所有問題,都可以由它來解決,而人文文化卻被忽視,其實科技決非萬能,因為人類的情感,意志,審美等意識層面的問題需要通過感受,體驗乃至直覺,頓悟等發揮作用加以解決,科學技術是“價值中立”的,技術具有兩面性,行善和威懾,所以它必須依賴人文精神的指引．教育的目的是培養人的核心素養,在物理課程設計中,教師更加需要對人的價值和人生意義給予關注,對人類命運的給予關注．

綜上,在“單元設計”的視域下,以“學科+”的形式進行指向核心素養的初中物理課程的設計,進而促進學生逐步形成適應個人終身發展與社會發展的人格品質與關鍵能力,這是作為物理教師理想與目標．