深度情境及其在物理教學(xué)中的應(yīng)用

徐成華

(上海市長(zhǎng)寧區(qū)教育學(xué)院 上海 200050)

1 引言

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》(2017年版)指出，核心素養(yǎng)是學(xué)生通過(guò)學(xué)科學(xué)習(xí)而逐步形成的正確價(jià)值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力．物理學(xué)科核心素養(yǎng)主要包括“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”4個(gè)方面．為了培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng)，普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)在教學(xué)“實(shí)施建議”部分提出，教師要“在教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)實(shí)施過(guò)程中重視情境的創(chuàng)設(shè)”．那么，如何落實(shí)這一實(shí)施建議呢？這里介紹筆者的一些想法與做法．

2 情境的層次性與深度情境的概念

情境在《現(xiàn)代漢語(yǔ)詞典》中被定義為：具體場(chǎng)合的情形、景象、境地．情境與物理教學(xué)歷來(lái)都是緊密相連的．在當(dāng)今的課程改革中，課程專(zhuān)家們十分重視情境在物理教學(xué)中的應(yīng)用．上海市二期課改倡導(dǎo)高中物理教學(xué)要以“情景-探究-應(yīng)用”為學(xué)習(xí)主線(xiàn)；2017年版的全國(guó)普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)也指出，“創(chuàng)設(shè)情境進(jìn)行教學(xué)，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)具有關(guān)鍵作用.”在中學(xué)物理教學(xué)中，我們可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)、任務(wù)、案例、故事、問(wèn)題等多種方式，利用語(yǔ)言、圖片、視頻、實(shí)物等媒介進(jìn)行創(chuàng)設(shè)情境．

根據(jù)情境與教學(xué)內(nèi)容在學(xué)習(xí)過(guò)程中所具有相關(guān)性的高低程度，我們可以將情境分為4個(gè)層次：第一，情境作為引入學(xué)習(xí)內(nèi)容的一個(gè)起點(diǎn)，通常起激發(fā)興趣的作用；第二，情境以問(wèn)題的形式出現(xiàn)，在學(xué)習(xí)有關(guān)內(nèi)容后，再回應(yīng)或解決情境中的問(wèn)題，給人以首尾呼應(yīng)之感；第三，情境導(dǎo)致產(chǎn)生困惑，致使引入新概念或新規(guī)律成為必要，進(jìn)而由此建構(gòu)概念或得到規(guī)律；第四，情境能夠延伸出一系列問(wèn)題驅(qū)動(dòng)下學(xué)習(xí)活動(dòng)，它貫穿于整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程的始終．

上述關(guān)于情境的4個(gè)層次中，第三、第四層次的情境與教學(xué)內(nèi)容在整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程中的相關(guān)性較高．我們可以將與教學(xué)內(nèi)容在學(xué)習(xí)過(guò)程中具有較高相關(guān)性的情境稱(chēng)之為“深度情境”．深度情境一般具有過(guò)程性、問(wèn)題性、思維性和創(chuàng)新性等特征．學(xué)生借助深度情境能夠積極主動(dòng)地發(fā)現(xiàn)和提出科學(xué)問(wèn)題，并引發(fā)思考、探究，最終創(chuàng)造性地解決問(wèn)題．

3 深度情境在物理教學(xué)中的應(yīng)用

深度情境不僅能夠幫助學(xué)生進(jìn)入到所學(xué)的內(nèi)容，而且能夠在建構(gòu)物理概念的過(guò)程中知道建構(gòu)這個(gè)概念的緣由，在探究物理規(guī)律的過(guò)程中經(jīng)歷物理規(guī)律的建立過(guò)程，在發(fā)現(xiàn)問(wèn)題之后能夠提出科學(xué)問(wèn)題并加以解決問(wèn)題．

下面列舉幾例深度情境在物理教學(xué)中的應(yīng)用．

(1)創(chuàng)設(shè)深度情境，建構(gòu)物理概念

物理概念是反映物理現(xiàn)象、物理過(guò)程本質(zhì)屬性的思維形式，是物理規(guī)律和理論的基礎(chǔ)，是整個(gè)物理學(xué)科體系的基石．創(chuàng)設(shè)深度情境不僅能夠有效地幫助學(xué)生建構(gòu)物理概念，使學(xué)生懂得為什么要引入以及如何引入這個(gè)概念，實(shí)現(xiàn)前概念向科學(xué)概念的轉(zhuǎn)變，而且有利于學(xué)生對(duì)物理概念的學(xué)習(xí)和理解，有助于學(xué)生對(duì)物理規(guī)律與科學(xué)思維方法的學(xué)習(xí)和掌握，對(duì)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的提升有著及其重要的作用．

例如，在電源內(nèi)電阻的引入過(guò)程中，人民教育出版社出版的普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)《物理·選修3-1》，在利用能量轉(zhuǎn)化與守恒定律推導(dǎo)閉合電路歐姆定律時(shí)，使用了“內(nèi)電路與外電路一樣，也存在著恒定電場(chǎng)，正電荷是在靜電力作用下運(yùn)動(dòng)的，這一區(qū)域的電阻是內(nèi)電阻”這樣的描述，引入內(nèi)電阻概念．華東師范大學(xué)出版社出版的高級(jí)中學(xué)課本《物理拓展型課程(試用本)》在引入電源內(nèi)電阻概念時(shí)，先引入內(nèi)電路和外電路概念，然后指出“外電路對(duì)電流的阻礙作用叫做外電阻，內(nèi)電路對(duì)電流也有阻礙作用，叫做內(nèi)電阻，簡(jiǎn)稱(chēng)內(nèi)阻”．

可以看出，上述兩種教材在引入電源內(nèi)電阻概念時(shí)，都采用了直接給出的方法．怎樣讓學(xué)生體驗(yàn)電源有內(nèi)電阻，通過(guò)怎樣的情境讓學(xué)生經(jīng)歷電源內(nèi)電阻概念的建立過(guò)程呢？下面的課堂實(shí)錄片段記錄了我們通過(guò)創(chuàng)設(shè)一個(gè)真實(shí)的懸疑情境建立內(nèi)電阻概念的過(guò)程．

“請(qǐng)展示一下你們的自制電池”，筆者讓學(xué)生們展示上節(jié)課布置的利用銅絲和鋅絲自制電池的課后作業(yè)情況．學(xué)生們展示著他們的電池：有青菜電池、香蕉電池、果汁電池、牛肉電池、硫酸電池等等，并用電壓表測(cè)量出各自電池的電壓，電壓高的學(xué)生還要炫耀一番．

“現(xiàn)在我給你們每人一個(gè)小燈泡，晚上你們就可以用自制的電池看書(shū)了”，筆者說(shuō)道．這時(shí)學(xué)生們又一次活躍起來(lái)，立即動(dòng)手將小燈泡與自己的電源連成一個(gè)電路，但都“驚呆”了，沒(méi)有一個(gè)燈是亮的．有學(xué)生懷疑小燈泡是壞的，針對(duì)這樣的懷疑，筆者提供了一節(jié)電壓僅為1.1 V的舊干電池，讓?xiě)岩尚襞菔菈牡膶W(xué)生試一試，發(fā)現(xiàn)這些燈都是好的．

“為什么1.1 V的干電池能使燈泡發(fā)光，而我的香蕉電池的電壓有1.3 V卻不亮呢？”針對(duì)學(xué)生的疑惑，筆者讓學(xué)生自己思考這個(gè)“為什么”．學(xué)生通過(guò)討論終于想通了，原來(lái)是電路中的電流太小，而電流太小的原因是自制電池有電阻，至此，引入內(nèi)電阻的概念已是水到渠成之事了．

本案例創(chuàng)設(shè)學(xué)生自制電源以及有電壓但不能讓小燈泡亮起來(lái)的情境，讓學(xué)生經(jīng)歷成功(有電壓)、失敗(燈不亮)、困惑(為什么)、探究(分析)、解惑(電源有電阻)的過(guò)程．通過(guò)這樣的深度情境，學(xué)生不僅經(jīng)歷了內(nèi)電阻概念建立的過(guò)程，很好地理解了內(nèi)電阻這個(gè)抽象的概念，而且能將物理概念與生活實(shí)際聯(lián)系起來(lái)，培養(yǎng)了學(xué)生的物理觀念．

(2)借助深度情境，探究物理規(guī)律

物理規(guī)律是物理現(xiàn)象及其物理過(guò)程本質(zhì)的、內(nèi)在的聯(lián)系在人們頭腦中的反映，是物理概念之間的聯(lián)系．在物理規(guī)律教學(xué)過(guò)程中，可以借助實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)的深度情境，引導(dǎo)學(xué)生觀察、分析和研究實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，進(jìn)而提出問(wèn)題，作出假設(shè)，收集證據(jù)，最后通過(guò)科學(xué)推理和論證，得出物理規(guī)律．

例如，在“電磁感應(yīng)現(xiàn)象”的教學(xué)中，通常的做法是將條形磁鐵插入或拔出閉合線(xiàn)圈，通過(guò)觀察串聯(lián)在閉合線(xiàn)圈中的靈敏電流計(jì)指針的偏轉(zhuǎn)情況，得到產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件：閉合回路的磁通量變化時(shí)，閉合回路將產(chǎn)生感應(yīng)電流．

這樣得出物理規(guī)律的方法，學(xué)生只是利用了課本或教師提供的方案，經(jīng)歷了一個(gè)簡(jiǎn)單的動(dòng)手過(guò)程，然后就是記住得到的結(jié)論．整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程對(duì)學(xué)生思維能力的培養(yǎng)不夠，對(duì)提升學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)幫助不大．

在“電磁感應(yīng)現(xiàn)象”的教學(xué)過(guò)程中，我們借助實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)的深度情境，提出讓學(xué)生思考的問(wèn)題，在對(duì)學(xué)生科學(xué)思維能力和科學(xué)探究能力的培養(yǎng)方面起到了很好的效果．

展示情境：在一個(gè)銅質(zhì)圓筒上，挖一組觀察窗口，先后將一只磁性鐵球和一只大小相同的塑料球從筒口自由下落，如圖1所示．

圖1 電磁感應(yīng)現(xiàn)象演示實(shí)驗(yàn)

提出問(wèn)題：觀察兩球下落情況，并解釋所看到的現(xiàn)象．

借助上述實(shí)驗(yàn)情境，再通過(guò)下列一組問(wèn)題鏈，啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行思考.

1)磁性鐵球?yàn)槭裁磿?huì)緩慢下落呢？

答：磁性鐵球受到向上的阻力．

2)磁性鐵球受到向上的力是什么性質(zhì)的力？

答：屬于磁場(chǎng)力．

3)磁性鐵球所處的磁場(chǎng)來(lái)源于什么地方呢？

答：只能來(lái)自銅質(zhì)圓筒．

4)銅質(zhì)圓筒為什么會(huì)有磁場(chǎng)呢？

答：根據(jù)磁場(chǎng)產(chǎn)生的條件，應(yīng)該是銅質(zhì)圓筒存在電流．

通過(guò)分析推理，經(jīng)過(guò)層層抽絲剝繭，學(xué)生提出了假設(shè)：磁性鐵球通過(guò)銅質(zhì)圓筒時(shí)，銅質(zhì)圓筒產(chǎn)生了電流．假設(shè)是否正確呢？再讓學(xué)生們?cè)O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證．借助實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)的深度情境，學(xué)生不僅得出了產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件，而且在科學(xué)探究能力的培養(yǎng)和科學(xué)思維能力的提升方面大有裨益．

(3)利用深度情境，解決實(shí)際問(wèn)題

習(xí)題是檢查、鞏固學(xué)生學(xué)習(xí)物理概念和物理規(guī)律情況的重要途徑，是培養(yǎng)學(xué)生解決問(wèn)題的重要手段．由于習(xí)題是在實(shí)際問(wèn)題的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)專(zhuān)家或教師們的精心設(shè)計(jì)，通過(guò)物理量的引入和賦值而形成的結(jié)構(gòu)良好的理想化問(wèn)題，從而導(dǎo)致學(xué)生即使經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的題海訓(xùn)練，在遇到實(shí)際問(wèn)題時(shí)仍然束手無(wú)策．如果在教學(xué)過(guò)程中，多創(chuàng)設(shè)一些以實(shí)際問(wèn)題為背景的深度情境題，讓學(xué)生經(jīng)歷一次把問(wèn)題的實(shí)際情境轉(zhuǎn)化為解決問(wèn)題的物理?xiàng)l件的過(guò)程，必將有利于提高學(xué)生解決具體問(wèn)題的能力．

例如，在“牛頓第二定律的應(yīng)用”的教學(xué)中，上海市延安中學(xué)一位老師以一種蹦極運(yùn)動(dòng)的視頻為情境，并提出問(wèn)題：為了保證蹦極運(yùn)動(dòng)員的安全，應(yīng)選用鐵鏈還是橡皮繩系住運(yùn)動(dòng)員？請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證你的想法．

為了解決問(wèn)題，教師引導(dǎo)學(xué)生建立了兩個(gè)模型：用長(zhǎng)度相同的細(xì)繩和橡皮筋分別系著一個(gè)相同質(zhì)量的小鐵球，并懸掛于力傳感器的下方，再將小球從同一高度由靜止釋放．用這兩個(gè)模型分別模仿鐵鏈和橡皮繩系住運(yùn)動(dòng)員情況下的蹦極運(yùn)動(dòng)．

通過(guò)DIS實(shí)驗(yàn)裝置，得到小球受到細(xì)線(xiàn)和橡皮筋的拉力和時(shí)間關(guān)系的F-t圖像．如圖2所示．從圖像可以發(fā)現(xiàn)，小球受到細(xì)線(xiàn)的最大拉力大約是橡皮筋受到的最大拉力的6倍．可見(jiàn)，在蹦極運(yùn)動(dòng)中，選用橡皮繩比使用鐵鏈系住運(yùn)動(dòng)員對(duì)運(yùn)動(dòng)員的傷害要小．

圖2 細(xì)線(xiàn)和橡皮筋的F-t圖像

上述通過(guò)問(wèn)題設(shè)計(jì)的深度情境，使學(xué)生運(yùn)用了牛頓第二定律解決了一個(gè)真實(shí)的問(wèn)題，經(jīng)歷了基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)建構(gòu)理想模型的抽象概括過(guò)程，有利于培養(yǎng)學(xué)生從物理學(xué)的視角解決實(shí)際問(wèn)題的能力．

4 結(jié)束語(yǔ)

在長(zhǎng)期的中學(xué)物理教學(xué)教研過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)很多教師對(duì)情境在物理教學(xué)中的功能還認(rèn)識(shí)不清，創(chuàng)設(shè)的情境質(zhì)量不高，把情境當(dāng)成課堂中的一種點(diǎn)綴，甚至為了情境而情境，導(dǎo)致情境要么多此一舉，要么牽強(qiáng)附會(huì)；有時(shí)就是創(chuàng)設(shè)了很好的情境，但卻虎頭蛇尾，不能有效地加以利用．

本文提出“深度情境”概念的意義旨在提醒教師們要提升創(chuàng)設(shè)情境的質(zhì)量，提高情境的有效性，使情境在提升學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)中真正起到關(guān)鍵作用．