高中物理教學中培養學生物理學科核心素養的探索與實踐

摘要：如何將物理學科核心素養融入物理教學中，是高中物理教師思考的課題.教師要實現高中物理核心素養的培養目標，必須將學生物理核心素養的培養轉化成高中物理教師的教學理念，融于高中物理課堂教學、實驗課教學、習題處理、學生課外興趣小組活動等整個教育教學的全過程.

關鍵詞：物理核心素養；課堂教學；實驗教學；習題疑難點；課外活動

基金項目：撫順市教育科學“十三五”規劃2018年度立項課題“高中物理實驗教學中落實核心素養的實踐研究”課題編號：2018064.

作者簡介：晉文梅（1963-），女，遼寧撫順人，碩士，中學高級教師，研究方向：物理教學與核心素養培養.

物理學科核心素養是物理學科育人價值的集中體現，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發展需要的關鍵能力和必備品格，是學生科學素養的重要組成部分.物理核心素養主要由“物理概念”“科學思維”“科學探究”“科學態度與責任”四個方面的要素構成[1].

多年來高中物理課堂教學是學科取向的學科教育，即以教育為手段，圍繞學科知識技能的“教”、“學”和“考”作為最主要出發點和落腳點.課堂教學上，教師教的重心變成了直接建立物理概念，直接給出物理定律，盡快進入物理規律的應用.學生“學”的重心主要體現在用公式解習題上.這種只重結果而忽視了教學過程中對學生科學信念的建立、科學思維的培養和科學探究方法的掌握，很難承擔落實物理核心素養的重任.

教育活動是實踐活動，教育過程是“教”與“學”的雙邊活動過程.在教育活動的“雙主”作用發揮中，即教師在“教”中發揮主導作用、學生在“學”中發揮主體作用，毫無疑問，教師始終處于主導地位，對學生的學習發揮著指導者、組織者、激勵者的重要作用.從教師的角度而言，要實現高中物理核心素養的培養目標，除了將物理核心素養的內涵爛記于心之外，更重要的在于將高中物理學科的核心素養培養自覺地、科學地融入到整個高中物理教育教學實踐活動之中.

1將核心素養培養融入課堂教學，提高學生思考理解物理概念和物理規律的能力

在課堂教學的實踐中，教師通過創設真實有效的教學情境來建立物理概念，讓學生通過體驗得出相關知識，達到領悟物理知識的目的.

以《高中物理》必修2第五章第一節曲線運動為例，教師對曲線運動概念，及曲線運動的速度方向和物體做曲線運動的條件的教學，進行了如下的設計.

1.1探究曲線運動的速度方向、領悟速度方向與運動軌跡的關系

將鋁合金絲做成圖1和圖2形狀的軌道，其中圖1由AB、BC、CD三部分組成，圖2也是由AB、BC、CD三部分組成，用雙面膠帶把軌道粘在白紙上并放在水平桌面上.

步驟1：與直線運動對比理解曲線運動概念.先將小鋼球浸沒在黑墨水中，用鑷子取出小球并將其先后放在圖1和圖2軌道入口A處，用彈射系統或斜面給小球初速度使其通過出口D，取下軌道即可看出小球運動軌跡，從而得出曲線運動概念，領悟直線運動和曲線運動是按物體運動軌跡劃分的.

步驟2：探究曲線運動的速度方向，找出曲線運動和直線運動中速度方向與運動軌跡關系的共性.先將小鋼球浸沒在紅墨水中，用鑷子取出小球放在圖1入口A處，給小球初速度使其通過軌道出口D，取下CD軌道部分，在A處給小球初速度使其通過軌道出口C，再取下BC軌道部分，在A處給小球初速度使其通過軌道出口B，最后取下AB軌道部分，觀察小球在B、C、D三個位置的速度與軌跡的關系，如圖3，學生感悟出曲線運動的速度方向與軌跡相切.同樣在圖2中分別取下CD軌道部分和BC軌道部分，可獲得小球經過B、C兩點的速度方向，雖然速度方向與軌跡重合，但速度方向可看成是直線軌跡的切線方向，這樣學生對曲線運動和直線運動的速度方向都與軌跡相切的關系得到了統一認識.

1.2探究物體做曲線運動的條件，感悟軌跡的彎曲方向與受力方向的關系

如圖4，給小鋼球適當初速度，小鋼球在水平面上做直線運動，小鋼球經過位置1處磁鐵附近時軌跡偏離直線，做曲線運動.學生容易感悟出物體做曲線運動的條件是：物體所受合力的方向與它的速度方向不在同一直線上.將磁鐵分別放在位置2和位置3，重復上面的實驗，如圖5所示，通過比較小球受力圖和運動軌跡得出小球運動軌跡偏向受力方向，且軌跡在運動方向和受力方向之間.教師再升華到小球做曲線運動一定是受到指向軌跡凹面的力的作用的結果.

1.3探究物體做減速、加速曲線運動的條件

由于磁鐵對小球有明顯作用力的范圍大約在2—3cm左右，要想明顯看出小球做減速或加速曲線運動，磁鐵必須是動態的，實驗中最好用強磁鐵，小球直徑約1.5cm左右即可.

先讓小鋼球在水平面上做直線運動，后放入磁鐵且移動磁鐵，先后保持磁鐵與小球的相對位置如圖6和圖7，觀察小鋼球速率變化情況.通過小組討論能總結出當力的方向與速度方向成鈍角時物體速度減小，當力的方向與速度方向成銳角時物體速度增大.

實踐表明，通過設計上述這種真實有效的教學情境，學生很容易形成物理概念，領會物理規律，同時，有利于增強學生分析問題、解決問題的能力，有利于提高學生物理學科核心素養培養的效果.

2將核心素養培養融入實驗教學，增強學生科學探究和交流的能力

實驗教學是物理課程的重要內容之一， 更是培養學生核心素養的重要途徑之一.《普通高中物理課程標準》強調：要把“物理課程應致力于學生物理素養的形成與發展”放到物理實驗教學的重要位置上[2].但是傳統的物理實驗課堂教學過程太機械，學生被動地按老師制定好的方案和步驟做實驗，忽視了學生的主體作用，無法滿足培養學生核心素養的需要.因此，在實驗課教學中，就要求教師要立足于新課程改革目標，積極踐行實驗教學改革措施，通過完善學生分組實驗教學等，確保在實驗教學中學生核心素養培養目標的實現.

2.1可以采用多種方法完成同一個實驗，培養學生的科學思維能力

實驗課前，教師讓學生以小組為單位，設計實驗方案.如在《測定電池的電動勢和內阻》的實驗中，教師給學生設計這樣一道題：給出電流表、電壓表、滑動變阻器、電阻箱、開關各一個和若干導線，要求學生設計測定電池的電動勢和內阻的多種實驗方案，并畫出實驗電路圖和寫出相應的閉合電路歐姆定律方程表達式.問題給出后，教師引導各小組同學充分發揮想象力，認真思考、交流、討論甚至爭論，最后統一思想形成小組多種設計方案，并展示各小組的多種設計方案.這一過程，有效地將學生的興趣一下就調動了起來，每個小組都拿出2-3個實驗方案.在此基礎上，教師組織學生相互點評，分析每一個設計方案的優缺點，最后確定采用伏安法、伏阻法和安阻法三種方案展開實驗測量、數據處理及誤差分析.

這種實驗課教學過程的實施，無疑使學生合作交流、科學探討和科學思維的能力得到了良好培養.

2.2可以采用一種實驗方法完成多種測量，培養學生愛科學用科學的素養

以《描繪小燈泡的伏安特性曲線》的實驗為例，學生掌握了用安培表的內接、滑動變阻器的分壓式連接方式描繪了小燈泡的伏安特性曲線后，教師再給出二極管、太陽能電池等電學元件，讓學生描繪出它們的伏安特性曲線.學生很快就完成了實驗電路的連接、測出了二極管、太陽能電池等電學元件兩端電壓和流過它們的電流，再應用所學的信息技術相關知識在Excel中畫出其伏安特性曲線.

上述這種實驗課教學方法，不僅鞏固了學生所學知識，而且又能使學生及時應用所學的科學知識解決問題，比較好地將培養學生核心素養融入物理實驗課教學之中.只要教師長期堅持深入研究高中物理實驗，對實驗教學不斷摸索和改進教學方法，就能不斷激發學生探究物理規律的熱情，增強學生動手實驗的能力，不僅為學生營造一個創新和實踐的廣闊天地，也為物理學科核心素養的培養找到了一個最佳途徑.

3將核心素養培養融入解決習題疑點難點之中，增強學生的嚴謹科學態度和責任意識

在教學中經常難免遇到不好解決的問題，教師疑難問題的態度和表現對學生有重要的影響作用.教師只有與同學們一起，抓住疑點難點不放，知難而上，勇于探究，分析問題，直至解決問題，最后給出負責任的答案，才能給學生樹立表率，影響和教育學生.例如，以教學中遇到的一道題為例：

如圖8，將A B兩球從右端同一高度的平直軌道和凹槽軌道同時釋放，不計摩擦，則下列敘述正確的是

A.沿平直軌道滾動的A球先到另一端

B.沿凹槽軌道滾動的B球先到另一端

C.AB兩球同時到達

D.無法判斷時間長短

學生對這個題目產生了濃厚的興趣，大家在一起討論，有的學生說應該是沿平直軌道滾動的A球先到達另一端，原因是根據機械能守恒定律兩球運動到左端的速率相等，又因為直軌道路程短，所以A球先到.有的學生不同意這個觀點，原因是凹槽軌道的最低點低于直軌道的左端，B球是先加速后減速最后與A球的勻加速的速率相等，所以B球的平均速率大于A球的平均速率，應該是B球先到另一端，可是有學生又提出B球運動的路程也長，討論進行不下去了.

人們通常把這一類問題叫做競速軌道問題.對這一問題，很多教輔資料的答案都是B球先到達，而沒有論證分析過程或分析過程很含糊，不足以說明問題.在網上也發現全國各地針對競速軌道問題求助的高中生很多，網上給出的答案與教輔資料上的是一樣的.

這個答案是否正確，真實的情況是，由于高中階段受學生數學學習內容的限制，理論上無法推出結論.但是在現實的習題中卻出現這道題.怎么辦？針對這種情況，教師要引導學生進一步思考：當一個問題在理論上無法得出答案時，還有沒有另外的途徑找到答案呢？有，這就是用實驗的辦法尋找答案.從而讓學生充分認識物理學科是實驗科學，實踐出真知，實驗可以回答一切.

如何用實驗加以驗證？為了培養學生的學習興趣，使學生始終保持較高的學習熱情，教師要引導學生參與實驗模型的設計與制作，并將他們劃分為若干探究小組，根據每個同學的特點和長處進行分工，指導他們設計實驗、繪制圖紙、加工零件，解決實驗過程中遇到的問題等.

教師在這一過程中要充分發揮主導作用，通過排除各種干擾因素，反復試驗和修改后，將模型做成有四個單軌組成的兩組軌道，長70厘米、下寬30厘米、高65厘米、左右高度差17厘米的上窄下寬的器材（如圖9），獲得了穩定的實驗結論.當學生清楚地看到每一次小球都是沿凹軌道運動先到達另一端時，興奮極了.至此，教師的引導工作不要就此結束，而是為了提高實驗的精度和穩定性，進一步引導學生對實驗方案進行完善設計.通過在軌道的起始端設計添加了雙球發射器，在軌道的兩端添置了光電毫秒計時器，并在專業工廠進行加工制作，使之成為了一部比較完善的競速軌道驗證儀.在師生的共同努力獲得成功之后，按照大家的意見，一致決定將制作完成的競速軌道教學儀器用師生共同的名字命名——“梅海林競速軌道”（如圖10）.

教師通過對疑難問題的解答，學生給教師的是信任和崇拜，學生經歷了科學探究，培養的是嚴謹的科學態度和責任意識，同時，對物理實驗、儀器制作和物理學科學習進一步增加了興趣.不久，“梅海林競速軌道”教學儀器參加了第25屆遼寧省青少年科技創新大賽，榮獲了科技輔導員科技發明一等獎.

4將學生核心素養培養融入課外興趣活動，增強學生科學研究和創新能力

梅海林競速軌道的成功設計和制作，對教師培養學生核心素養的方法和渠道產生新的啟迪.受此啟示，教師進一步因勢利導指導學生組建了物理學科課外興趣小組，要求學生在日常生活中注意觀察和發現問題，培養學生樹立強烈的創新、創造意識.實踐證明，學生物理學科課外興趣小組組建后獲得了更加明顯的成效，學生們不僅產生了強烈的應用物理學知識設計并制作科技作品的愿望，而且創新、創造思維得到了引爆.

另一個成功的案例是教師在完成機械能一章的教學后，給學生物理學科課外興趣小組留下了一道作業題，要求學生在日常生活中觀察、發現應用機械能轉化與守恒定律的實例，并嘗試應用該定律設計一個科技作品.作業布置后，學生們興趣高漲，不僅物理學科課外活動興趣小組的所有同學都積極參與，原來沒有參加興趣小組活動的同學也行動起來了，一個個躍躍欲試，同學們的思維就像被引爆了的火藥，各種思路、思想、想象不斷迸發.教師通過引導同學們獨立思考，組織大家相互討論交流，

最后確定了一個大家普遍贊賞的設計思路——硬幣分離技術（如圖11）.其基本原理是從一個斜坡的頂端釋放硬幣，在滑道上不同的位置有三個孔，孔分別略大于1角、5角和1元硬幣直徑，在三個孔的上方有三個彈簧片1、2、3與其對應.1元硬幣獲得動能最大，能順利撞開1、2兩個彈簧片后，運動到彈簧片3時因其動能不足被擋住落入C槽， 5角硬幣獲得的動能只能撞開彈簧片1，被彈簧片2擋住落入B槽， 1角硬幣動能最小，其動能不足以撞開彈簧片1，只能落入槽A中，實現硬幣分離目的.

在基本設計思路確定之后，教師再進一步指導學生完善設計方案，如將斜坡改為斜槽軌道免得硬幣脫軌，在三個硬幣槽的上方安裝計數器，具體算出斜槽軌道的傾斜角度等.在師生們共同評價設計方案已經完美后，再設法加工成作品.在實際的加工制作過程中，肯定會遇到一些意想不到的問題，特別是選材、機械能因摩擦有損耗導致計算結果與實際情況有偏差、一枚硬幣質量還是小，不易推動計數器計數等等，對這些問題的解決，教師不是采取大包攬的辦法，而是采取研究討論的態度，和同學們充分討論，直到將所有問題都全部解決，最終制作出科技設計成品.包括設計制作的作品名字——《硬幣計數分理器》，都是同學們共同討論研究確定的.這個《硬幣計數分理器》制作完成后，由市教育主管部門推薦，參加了第27屆遼寧省青少年科技創新大賽，獲得了科技創新項目一等獎.

這一成功案例表明，在物理學科課外興趣小組活動中，啟發學生應用所學的物理知識，創新設計并制作科技作品，對培養學生的創新思維和創新意識具有十分重要的作用，不僅能夠激發學生的創新潛能和學生興趣，使學生學會思考、學會動手，而且促進了學生個性的和諧發展，極大地提高培養學生核心素養的效果.幾年來，教師繼續組織學生利用物理學科課外興趣小組平臺開展創新實踐活動，又先后完成了《勢能轉化運輸機構》和《最佳黑板擦黑板槽吸塵器》等的設計與制作.物理學科學生課外興趣小組活動異常活躍，取得的突出成果得到了學校和上級部門的重視，學校被撫順市命名為“培養青少年科技創新基地”，教師培養學生核心素養的教學理念在指導課外興趣小組活動中也得到了充分體現，學生們拓展了科學知識，學到了科學研究的方法，增強了科學創新創造能力，養成了正確的科學情感、態度和價值觀，樹立了正確的世界觀，同時，還產生了強烈的將科學應用于社會、服務于人類的使命感和責任感.

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）：1-3.

[2]教育部基礎教育課程教材專家工作委員會，普通高中課程標準修訂組.普通高中物理課程標準（征求意見稿）[M].北京：人民教育出版社，2016.