淺談基于核心素養的科學探究教學設計

于 瑩 孫 寧

(1. 濟南育英中學,山東 濟南 250000; 2. 濟南育秀中學,山東 濟南 250002)

義務教育物理課程是一門以實驗為依托的自然科學基礎課程.作為基礎科學教育的重要組成部分,物理課程應不止注重科學知識的傳授和技能的訓練,更應注重對學生學習興趣、探究能力、創新意識、科學態度與責任等方面的培養.學生在學校接受物理文化的熏陶,最終目標不是讓他們各個都成為物理學家,而在于他們畢業后作為一個公民,學過物理與沒學過物理的差異、物理能留給他們終身受用的東西——核心素養.

當學生將具體的物理知識逐漸淡忘時,他頭腦中“留下的東西”是通過物理課程的學習,形成的從物理視角認識事物與看待問題的意識——這就是核心素養中物理觀念的養成.在物理課程的學習中,學生經歷與科學家相似的探究過程,能學著像科學家一樣思考問題,從而領悟科學方法、體驗科學探究的樂趣、養成科學創新的意識,進而能運用科學的手段解決問題——這就是核心素養中科學探究的養成.學生在對物理課程的學習與思索過程中,形成對客觀事物的本質屬性、內在規律以及相互關系的認識方式,將物理中蘊含的大量科學思維方法內化為自身的思維方式——這就是核心素養中科學思維的培養.物理教學不是“為知識而知識”,而是以知識為育人載體,充分挖掘知識建構過程中蘊含的情感因素和內在價值.通過相應活動培養學生強烈的家國情懷、積極的人生態度、事實求是的科學精神——這就是核心素養中科學態度與責任的培養.

1 以科學探究課型為根基,核心素養高效滲透的課程設計理念

物理課程中,以實驗探究為基礎的概念課、規律課,是能夠向學生較為完整的滲透核心素養的課型.基于這一類課型的重要性,這部分內容通常也是學業水平考察的重點,導致教師往往更偏向于這類課程內容的雙基落實,從而忽視了更核心、更本質的課程本原.因此,學生只有切身經歷科學探究的過程,并最終內化為基礎科學素養,才會從真正意義上解決自身學習、生活、工作和社會決策中遇到的問題,為學生的終身發展奠定基礎,為社會的可持續發展提供支撐.筆者從日常的教學工作切入,通過對大量實驗探究類課例深入的研究,歸納出3條易于推廣且對核心素養的滲透效果顯著的課程設計理念.

1.1 “驗證性實驗”不等同于“實驗操作課”

義務教育階段的學生所經歷的實驗探究,都是在已知結果的基礎上進行的驗證性實驗,但這并不等同于實驗操作課.教師應該通過情景的設置來營造探究的氛圍,引領學生經歷與科學家相似的探究過程,逐步培養學生的科學探究能力.從小學科學到初中物理,學生的知識儲備與探究能力是遵循階梯式螺旋上升式的發展規律的,國家課程標準中的實驗探究目標是初中學生經過2年物理學習后能達到的終極目標,如何讓更多的學生,乃至每一個學生都能達到課標規定的要求?遵循學生的身心發展規律,將終極目標分解為若干階段性目標.這樣的課堂才會避免義務教育階段興趣減弱、過早分化的現狀,讓所有學生都參與進來,真正成為學習的主動探索者,而學習的成效與學生的主動探索、體驗、組織、感悟、練習等具有密切的聯系.[1]

1.2 7個探究要素,交錯中碰撞出新火花

國家課程標準對學生科學探究能力的基本要求主要體現在7個要素,而這些要素往往是交織在一起的,沒有一成不變的順序,在探究過程中往往會反復呈現出“有問題出現→解決問題→新問題出現→解決新問題”這樣的正向循環,學生的物理核心素養也正是在這樣的思想與技能不斷碰撞的火花中慢慢養成的.每一個學生都是獨一無二的個體,他們在不同的領域或許都是天生的發明家、創造者,教師應當以課程標準為終極目標為前提,尊重每一個個體的宗旨下,將科學探究細分與整合,設計出適合更多學生的課堂形式,讓每一個學生都能各得其所.科學探究課中的操作環節,不僅可以使學生熟悉實驗操作的基本技能,更重要的是可以引導學生在解決實際問題的過程中,進一步感受、理解基本物理原理,激發學生探索日常生活常見現象中涉及到的物理原理的興趣,體會物理與生產、生活的密切聯系.科學探究中的思維環節,可以使學生經歷與科學家、工程師相似的研究過程,體驗他們實事求是、永不放棄、追求真理的科學精神,培養團隊合作意識,樂于交流信息,善于進行分析總結及自我反思的科學素質.

1.3 突出重點要素,培養探究能力有側重

教師應根據探究目的、課時安排、教學條件以及學生的認知水平、心理特點、探究能力等諸多因素,挖掘并突出每一個實驗探究中最適宜滲透核心素養的一到兩個要素,有側重的培養學生某一方面的能力.學生在這樣不斷的鍛煉中、思索中、反復中逐漸清晰、強化,最終內化為學生的基礎科學素養.如果日常的課堂教學能夠堅持這樣的培養理念,學生經過兩年物理文化的熏陶,不僅能達到國家課程標準中對探究能力的基本要求,其科學基本素養也會得到極大的提升.

基于以上的思考,筆者以義務教育階段幾個典型的教學片段為例,淺談科學探究中核心素養的培養.

2 結合課例談科學探究中核心素養的培養

2.1 “科學探究:聲音的產生與傳播”——突出“提出問題”的培養以滲透物理觀念

愛因斯坦曾說:“提出一個問題往往比解決一個問題更為重要,因為解決一個問題也許只是一個數學上或實驗上的技巧問題.而提出新的問題、新的可能性,從新的角度看舊問題,卻需要具有創造性的想象力,而且標志著科學的真正進步”.學生對聲現象已然非常熟悉,而且在小學科學課已經學過聲音是由物體振動產生的.但是小學階段對聲音產生的認知,也僅僅是停留在被動的記憶層面上,其實對于什么是振動,學生并沒有直觀的形象認知.只處于針對生活現象提出“為什么”的淺層認知,不能透過現象提出科學問題,缺乏探究問題的能力和方法.教師要做的應該是將“明知故問”式的提問變為真正能調動學生積極性的設疑.

教師通常采取的做法是通過聽各種聲音或看各種有關聲音的視頻后,再順勢提出“聲音是怎么產生的”進而引出學生的探究活動.這種讓學生們假裝不知道而進行的探究,筆者認為其實是一種偽探究,這種設計顯然是教師對學情分析的欠缺導致低估了學生的已有知識儲備和能力,就很難真正調動學生探究的積極性.

筆者在日常教學中采用如下的設計:讓學生觀察對比發聲的琴弦和鑼面,學生可以較為容易地看到發聲的琴弦在振動,卻很難看出發聲的鑼面在振動.這種強烈地對比會使學生對已有的認知發生矛盾,甚至產生懷疑,從而提出一個真正激發學生濃厚興趣的真問題“聲音到底是怎么產生的?”

筆者這樣設計是基于對現階段科學探究課的調研時發現:“沒有問題”才是現在學生最大的問題.本節內容是初中學生學習物理以來所經歷的第二個實驗探究,意在通過簡單的生活現象向學生逐步滲透研究物理問題的方法和思想,所以如何讓學生覺得這個問題有探究的價值就顯得尤為重要.因此,筆者設置的情景讓學生與已有的認知產生沖突,重新激發學生探究的興趣,學生初步認識到什么是好的、有價值的問題,為本節課的后續探究以及以后的實驗探究起到了很好的啟蒙作用.學生在物理課堂時常受到“提出有價值問題”的物理文化熏陶之后,看待問題的視角會慢慢從單純的形象思考向理性的物理思考轉變,學會從物理的視角發現事物的本質,這也就是物理觀念的慢慢養成.

2.2 “科學探究:歐姆定律”——突出“分析數據”的培養以強化科學探究的體驗

物理課程中的實驗探究,其對于物理學科的根基作用不言而喻,但在日常教學中有時往往受制于課時或進度限制會被教師隨意壓縮.筆者認為與其“囫圇吞棗”只知其然,不如“融會貫通”知其所以然.講授“科學探究:歐姆定律”這節課,很多教師都有相同的感受:一課時要完成整節內容非常緊張.究其原因是教學內容多?課標要求高?還是探究難度大?筆者通過對大量課例的研究,發現教師通常會采取兩種解決方案:一種是分兩大組,分別進行兩個實驗,優點是在能在有限的時間內得到結論所需的數據,缺點是每個學生只經歷了其中的一個探究;另一種是每個小組將兩個實驗都進行探究,不足之處是每一個實驗得到的數據不充分,導致兩個實驗都探究的不夠徹底.筆者從分析這些課例的過程中受到了很大的啟發,逐漸意識到:“研究電流與電壓的關系”、“研究電流與電阻的關系”這兩個實驗在很多方面有類似之處,如:實驗電路圖、運用的科學探究的思想、分析數據的方法等.如果課上兩個實驗都讓學生充分經歷探究的話,就會出現前面分析的結果:要么會有一個完成不了,要么兩個分析的都不透徹.基于充分的調研和思考,筆者在課堂教學內容上做出了大膽的設計:學生在課堂上只需完成“電流與電壓的關系”這一個實驗.

最終呈現在課堂上的就只有“通過改變電池節數,從而改變燈泡亮度”這樣一個情景,引發學生猜想“電流與電壓有關”,進而探究“電流與電壓的關系”.從探究目的的確定、實驗器材的選取、實驗方法的選擇到數據的記錄與分析等諸多角度,完整地、充分地去探究.很多小組在實際操作過程中,就發現并意識到了還存在別的影響因素,當學生有了初步的疑惑或者猜想時,教師再順勢引發學生思考:“電流只與電壓有關嗎”.此時的學生根據已有電學知識會自然的聯系到:可能還與電阻有關.教師進一步引導學生思索科學探究的重要一環:能不能利用現有的數據,短時間內找出電流與電阻之間的關系呢?小組之間的數據交流與合作,通過觀察、對比不同小組間的數據后,學生會發現并整理出電壓相同、電阻不同的多組數據,進而分析并達成探究目的.“電流與電阻的關系”這一實驗探究,則創造性將其放置在課下,以課后作業的方式,由學生根據各自實際情況采用與家長或同學合作的形式,在家中利用電學箱中的器材完成.將家中實驗的操作過程拍成視頻上傳到班級QQ群,既是將課上的有限的探究無限延伸到課下,又起到了紙面作業無法達到的效果:學生將科學方法的使用貫穿家校、與家長共同體驗科學探究的樂趣,學會運用科學手段認識事物、解決問題的基本科學素質,逐步具有了科學探究的物理素養.了解一些基本原則,特別是一些基本科學原理,可以使我們在不熟悉的領域有一盞指路明燈,為我們沒有經歷過的問題提供解決方案,避免可能出現的困境.[2]

2.3 “光的反射”——以科學探究為主線,物理觀念、科學思維與科學態度的集中體現

廖伯琴教授曾提出兩個“更有效”的觀點,即“看到”比“聽說”更有效,“做”比“看”更有效.這里的“更有效”,指的就是在有限的課堂教學時間、空間中,使物理的核心素養滲透得更豐富、更透徹.筆者設計了“用眼睛尋找光”這一環節,體現能夠讓學生近距離的切身感受光在傳播過程中各種現象的設計宗旨.創造性的使用煙霧機所噴出的無害白霧,使各種光的傳播路徑真實地呈現在學生身邊的空間.學生親眼所“看”的這種感受,不是傳統的、平面的,而是立體的、出現在身邊的,這樣的效果帶給學生的不僅是感官上的震撼,更為重要的是其對光的直線傳播、反射以及反射現象中的“共面”、“對稱”等特征有了深刻的形象基礎,為后續的抽象思維奠定了具體的表象基礎.與此同時,學生對身邊普通又熟悉的各種光現象從物理的視角又有了重新的認識,當學生們走出學校再看到玻璃幕墻那刺眼的陽光、古墻舊瓦夕陽下柔和的暖色,一定會聯系到本節課研究的兩種光的反射現象.這就是會用物理觀念去看待生活問題了.這樣的教學設計真正體現了“從生活走向物理,從物理走向生活”的教育理念,既是物理觀念養成的良好情景,又是科學思維的良好誘因.

中國學生在知識的學習和掌握方面較系統、扎實,學風嚴謹,解決問題易遵守固有的邏輯程式,但在新的情景中,面對錯綜復雜的局面,提出新觀點、新思路,并動手解決的創新精神品質和能力顯得不足.[3]正因如此,國家才將科學探究與科學精神提到中學物理核心素養的高度.基于此,筆者在本節課中設計了“用筆去記錄光”和“用物理定位光”兩個環節.對于8年級的學生來說,剛接觸物理,探究能力還在不斷地積累階段,不具備獨立、自主探究的水平,所以筆者在“記錄光”的環節以“問題鏈”的形式引導學生不斷的層層深入的思考,學生在教師的引導下與小組同伴一起探究.經歷“看到光的反射路徑→形成初步的直觀表象→對兩線的位置關系能夠形成自己的猜想→小組討論后想到用筆畫下來→小組合作記錄、分析討論→用數學方法‘對稱’初步發現光的反射規律”這樣一個較為完整的科學探究過程,熟悉了科學研究的諸多要素.

在“定位光”的環節,利用泡沫板模擬鏡面,用紅色木條模擬光線,黑白相間的木條模擬法線,運用光的反射規律確定反射光的位置.在找反射光線的過程中,學生切身體會到反射定律中的邏輯關系:利用法線確定所在平面(兩條相交直線確定一個平面)→根據法線與入射光線確定平面內的區域→利用夾角相等確定準確位置.這樣的設計既是上一探究環節結論的應用,又將探究內容進行了完美整合.在這樣的課堂教學中,有物理方法建立物理模型法的運用,有數學方法“對稱”、“共面”的應用,還有“前因后果”式結論的邏輯關系的描述以及空間想象思維.這些被教師充分挖掘的素材都將極大地刺激并鍛煉了學生的科學思維,最終內化為學生基本的科學探究素養.

各個版本的新教材,普遍將“光的直線傳播”在新授課中的比重明顯降低,是因為學生在小學科學課上已經學過這些內容.但是,初中物理理性的層面與小學科學感性的層面畢竟是屬于知識螺旋上升階段的不同側重.因此,在學生“熟知”的光沿直線傳播這一環節,通過“光穿過糖水變彎曲”這一現象到“用攪棒攪拌均勻后糖水中的光又變回直線傳播”,視覺上極大的反差將會使學生在試錯中糾正腦中“已有的概念”,不斷修正自我認知,不唯書、不唯師、只唯實.他們會慢慢地養成在觀察事物和推導結論時,能夠不帶個人色彩、不帶地域性及氣質性偏見,這對他們從事任何活動都大有助益.[4]課堂上的學生,都陶醉在光的世界里,有些學生還不時地用手去抓它,想留住這美妙的瞬間,而此時的我也不在忍心去打擾他們,最好讓他們始終都能自由的、快樂地探尋著、思考著……這也許就是教師和學生們夢想的課堂吧.既那么美又那么真(真理、科學),剛好體現了科學態度與責任這一核心素養的有效滲透.

核心素養是彼岸,課程是渡船,物理教育工作者都是撐渡人.教育者的責任是站在時代的高度、以嶄新的觀念、活躍的思維、創新的能力去引導、鼓勵學生主動探求知識、創造性的解決問題.[5]如何將物理課程中的科學探究做到“去偽存真”,能留給學生將來走向社會后真正有用的東西,是我們物理人永恒的追求.不管怎樣,相信只要是符合學生認知需求、心理特點、能促進學生可持續發展的科學探究都將被傳承下去.物理課程的育人價值,其定位應該是以知識為載體,在文化層面、國家層面對物理課程的要求.它不僅影響著學生個體將來的健康發展,更關乎國家的未來.教育是一門慢的藝術,以物理為核心的科學教育則決定著社會的理性、關系著民族的未來,最好的科學探究課程,物理人一直在路上.