基于核心素養的高中物理課堂探究式教學模式

何保民

【摘要】在核心素養視野下，為了深化教學實踐，使教學模式更適合學生的需求與核心素養的培育，文章結合“太陽與行星間的引力”教學案例，闡述了如何在核心素養視野下實施高中物理探究式教學，發展學生的物理學科核心素養，如何建構以學生為主體、教師為主導的探究式教學模式。

【關鍵詞】高中物理;核心素養;探究式教學;五階循環教學模式

【基金項目】本文是2019年度河南省基礎教育教學研究項目“基于核心素養的探究式教學實施研究”（JCJYC19063201）的研究成果。

一、引言

在物理教學實踐中有效落實物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任等主要核心素養;在物理教育過程中培養學生應具備的、能夠適應學生終身發展需要的必備品格和關鍵能力，滲透物理觀念、物理方法、物理思想和物理精神，則建構以學生為主體、教師為主導的科學探究教學模式勢在必行。

新課程理念上的主要變化是將原來的“知識與技能”“過程與方法”“情感態度與價值觀”三維目標要求變為“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態度與責任”四個核心素養的要求。

二、高中物理探究式“五階循環教學模式”的內涵

1.什么是探究式“五階循環教學模式 ”

“五階循環教學模式”是基于物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任四大核心素養，結合學生的學情而創設的“自主型”物理課堂的探究式五環節教學模型的簡約表達。五個主要環節是自主學習環節、探究合作環節、互動互評環節、精講答疑環節和學成展示環節。“五階循環教學模式”是相互影響、相互制約、彼此循環的動態系統，不是不可調變的，不是機械固定靜態的，而是學習進階而上的、螺旋式上升的探究式教學模型。

2.探究式“五階循環教學模式”物理課堂的課程價值

物理核心素養的四個方面是物理教育的有機整體，不能割裂開來。物理觀念教學中肯定會涉及科學思維的訓練、科學態度的培養及科學探究的運用。在這四個核心素養中，物理觀念是基礎，科學思維是核心，科學探究是方式，科學態度與責任是必備品格、育人的最終目標。教學中要注意四位一體的全面設計。

探究式教學是通過“探究—創新”式教學，在具體問題情景中研究問題，解決問題，從而主動獲取知識、應用知識的學習活動。運用多樣化的教學方式，通過問題、證據、解釋、交流與模型建構、科學推理、科學論證和質疑創新等探究活動而獲得知識，發展情感和態度，培養應用和創新的意識與能力的過程，是學生自主地發現問題、分析問題和解決問題的過程。探究式教學帶給學生的不再是被動接受，而是主動探索的科學精神和勇于創新的科學理念。

3.探究式“五階循環教學模式”的實踐構建

構建課題教學模型的根本原則是以學生為中心，學中有讀，學中有練，學中有問，學中有思，以學定教，先學后教，是自主學習型的教學模型。以“學”為主的教學設計流程：分析核心素養的教學目標，確定學習主題;情景創設，信息資源設計與提供，自主學習策略設計;學習效果設計，強化練習設計;學習拓展設計，能力提升與綜合應用設計等。將四大核心素養與自主學習型的五個教學環節融合一體，構建如圖1所示的“五階循環教學模式”。

4.通過“五階循環教學模式”發展學生核心素養的策略

將高中物理核心素養與探究式五環節教學融合，如圖2所示，在教學中不斷向學生滲透核心素養，構建探究性五環節學習模式，發揮學生的主體作用。教師精心鋪設臺階，調控引導，把學生指向“設疑—探究—形成—深化”的主動學習過程中去，讓他們動腦、動手、動口、動筆，以發現者的姿態進行角色活動，充分領略到學習主人的充實感，體驗獲得知識、邁向成功的歡樂，進而激發學生學習物理的興趣，增強學習物理的信心，培養學生獨立思考、發現問題和解決問題的科學思維和科學精神。

三、探究式“五階循環教學模式”在概念規律課教學中的應用

高中物理教科書中增設了較多的探究課，例如概念探究課“摩擦力”、規律探究課“自由落體運動”、關系式探究課“探究彈性勢能的表達式”、理論探究與實驗探究相結合的課型如“平拋運動”等。概念規律課、實驗課、問題解決課和復習課等課型都可以采用探究式“五階循環教學模式” 。

下面通過“太陽與行星間的引力”案例進行分析，闡述如何在核心素養視野下構建高中物理探究式“五階循環教學模式 ”。這是物理必修2“萬有引力與航天”一章的第二節。本章以科學探究為主線，從第谷一生觀測的數千個數據，到凝結成開普勒的三句話，再到牛頓的一個簡潔公式，探究過程不斷創新。萬有引力定律的發現過程為我們展示了物理規律課的探究過程：模型建構（行星的運動）、科學推理（太陽與行星間的引力）、科學論證（萬有引力定律）、質疑創新（萬有引力定律的成就）。沿著科學家的足跡，經歷探究過程，揭開天體運動規律的神秘面紗，重塑物理觀念，凝聚物理思想，開啟物理方法，激發物理精神。

1.物理觀念與應用

分析核心素養教學內容，確定學習目標。了解行星繞太陽運動的不同觀點和引力思想產生的歷程，形成物質觀和宇宙物質觀。知道行星繞太陽運動的原因，行星繞太陽做勻速圓周運動的向心力的來源，樹立運動與相互作用的觀念和能量觀念。

〖教學環節一：自主學習〗

在課前或課堂預留時間，讓學生自主學習課堂內容，歸納自探提綱。給學生提供學案，先獨立自學。

探究1：探究行星運動學特征，分析行星運動定律的物理意義。

探究2：探究簡化模型下的行星運動定律的內容，建構物理模型。

探究3：探究行星有規律運動的原因，猜想向心力的來源。

探究4：科學探究向心加速度與軌道半徑的關系，提供行星運動的半徑、周期的觀測數據。

探究5：科學思維探究引力與軌道半徑、質量的關系式。

探究6：探究科學精神、科學本質和規律應用。

〖教學環節二：探究合作〗

行星是怎樣運動的？從運動學角度思考開普勒行星運動定律的物理意義。從動力學思考運動的原因是什么？學生探究、闡述行星運動定律的內容和物理意義。

行星的實際運動是橢圓運動，但我們還不知道求橢圓運動加速度的運動學公式，我們現在怎么辦？把它簡化為什么運動呢？學生根據觀測數據分析行星的軌道半長軸與半短軸的差 別，簡化物理模型，得出結論：行星繞太陽的運動可以看作是勻速圓周運動。

2.科學探究與交流

（1）提出問題，學生猜想。解決了描述行星運動的問題，還要解決為什么的問題。仰天叩問：是什么力量支配著行星繞著太陽做如此和諧而有規律的運動呢？

啟發學生用牛頓第一運動定律解釋開普勒行星運動定律。分組討論，猜想行星做橢圓運動的原因，行星的橢圓運動是什么力產生的？大小跟太陽與行星間的距離有什么關系嗎？

探究伽利略、開普勒、笛卡爾、胡克、哈雷等科學家的觀點，建構引力物理思想，培養運動觀及相互作用觀。

第一大組進行科學探究，根據觀測有效提出問題，收集并處理證據得出科學探究結論，對結論的科學性進行質疑，根據證據進行科學解釋。學生在科學探究過程中不斷記錄、計算、討論、合作等，提升了自身的科學探究能力。

（2）收集證據。根據牛頓第一定律我們知道，改變速度都需要力，使行星沿圓或橢圓運動，需要指向圓心或焦點的力，即太陽對它的引力。由牛頓第二定律可知，找到加速度與軌道半徑的關系就能推導出引力與距離之間的關系。根據表1所示，太陽系的行星運動的一些數據，分析數據，尋找加速度與距離之間的關系。

根據加速度和距離的數據，猜測它們之間存在怎樣的關系，思考如何驗證我們的猜測，引導學生設計探究方案。

（3）合理解釋。如果加速度與距離成反比，我們做出a-1/r圖像，應是一條直線。通過EXCEL軟件輸入數據產生圖像如圖3所示。繼續猜測，它們之間存在怎樣的關系呢？如果加速度與距離平方成反比，a-1/r2圖像應該是一條直線。

（4）交流合作。通過猜測、圖像驗證、再假設再驗證等一系列科學探究過程，得出小組探究結論：行星的加速度a與行星到太陽的距離r的二次方成反比。

3.科學思維與創新

第二大組進行科學思維探究。通過分組探究，學生的模型建構、科學推理、科學論證和質疑創新等科學思維能力得到了提升。

（1）模型建構。太陽與行星間的引力F跟行星到太陽的距離有關，然而它們之間有什么定量關系呢？將行星的運動簡化為勻速圓周運動。太陽對行星的引力等于行星做勻速圓周運動的向心力。如果設行星的質量為m，速度為v，運行周期為T，行星到太陽的距離為r，則行星繞太陽做勻速圓周運動的向心力可以怎樣表示？

（2）科學推理。已知行星的運動情況，求它的受力情況，向心力的表達式有哪幾個？學生討論交流自主推導由①，②，可得太陽對行星的引力。引力與哪些因素有關？小組討論形成：不同行星中的為常量，、不同，與成正比，與的平方成反比：。培養學生的抽象思維及推理能力。

行星對太陽的引力。同理，可設太陽的質量為，再進行類比的推導。小組討論交流得出結論：。

（3）科學論證。兩種力是同性質的相互作用力，遵循同一規律，可以把它們用同一公式表達出來。引力與行星和太陽的質量成正比，與兩者距離的平方成反比，所以可寫成公式： 。

（4）質疑創新。通過類比推理、演繹推理得到的結論，推廣到一般意義上的規律，在科學上是十分嚴謹的事情，需要經過實踐的檢驗。科學家們在引力表達式中使用了G 這個比例系數，G是多大？太陽與行星間的引力規律是否適用于行星與它們的衛星？保持學生好奇心，激發新的探究。

4.科學態度與責任

領略自然界的奇妙與和諧，蘊含其中的規律之簡潔，發展學生對科學的好奇心與探究欲，使其樂于探究自然界的奧秘，體驗探索自然規律的艱辛與喜悅。培養學生勇于探究的科學精神，認真嚴謹的科學態度和創新精神，培養學生關注環境，具有社會責任感。

〖教學環節三：互動互評〗

小組之間對科學探究的問題、方法、過程、結果進行點評、補充，使探究方向正確，探究結果更完善，形成新的結論：引力與行星和太陽的質量成正比，與兩者距離的平方成反比，所以可寫成以下比例式：。

學生之間對科學思維與創新的推理、論證和解釋進行交流、評論和完善，使思維嚴謹，推理合理，使行星對太陽的引力與太陽對行星的引力的對稱性、平等性的類比思想得到學生的接受。

對科學態度、拓展應用等進行評論與展示，必要時教師可給予精講答疑。

〖教學環節四：精講答疑〗

對學生探究過程中存在的問題或解決不了的問題進行精講答疑。

根據牛頓第二定律，即太陽對不同行星的引力與行星的質量成正比，與行星和太陽間距離的二次方成反比 ，行星對太陽的引力，太陽與行星之間的引力與行星和太陽的質量成正比，與兩者距離的平方成反比，所以可寫成以下比例式：。經后續學習牛頓的月地檢驗、卡文迪許測定引力常量，使論證嚴謹，在此可產生新的質疑。

〖教學環節五：學成展示〗

將各小組科學探究成果和科學思維探究成果展示出來，進行分析點評，并把本節課的學習成果展示出來。把探究成果拓展應用到具體問題中，在課堂展示出來讓學生評論。

拓展應用：已知火星繞太陽運動的周期為T，火星到太陽的距離為r，引力常量為G。

求：（1）太陽的質量M;

（2）若M已知，找出開普勒第三定律中的k與中心天體質量M的關系式。

四、結語

物理觀念分為物質觀、運動與相互作用觀以及能量觀念。落實物理觀念教學要注意把握概念和規律的主體，要注意在概念、規律的基礎上適時加以總結、提升，使得學生對概念和規律有深刻的理解，同時形成統領這些概念和規律的大概念——物理觀念。

物理教育中概念和規律的建立是基礎，科學思維的培養是核心。科學思維分為模型建構、科學推理、科學論證和質疑創新這四個要素。科學探究分為問題、證據、解釋和交流與合作。科學態度與責任分為科學本質、科學態度、科學倫理及STSE等。基于核心素養構建高中物理探究式“五階循環教學模式 ”，使之適用不同物理課型，從而提升課堂效率。

【參考文獻】

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