開發課程資源 培養核心素養

張峰

【摘 要】本文以《伽利略對自由落體運動的研究》一課為例，探討從多角度開發文字、數據、實驗、信息技術等多種課程資源，培養學生物理學科素養，落實物理課程立德樹人教學目標的具體措施。

【關鍵詞】課程資源 核心素養 育人功能

【中圖分類號】G? 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2020）26-0083-03

教材是實施新課程的直接課程資源，但單一的課程資源難以承擔全面落實培養學科核心素養的重任，需要教師在教學中開發多種課程資源。人教版教材《物理》（必修1）的《伽利略對自由落體運動的研究》是依據科學家研究落體運動的物理史實編寫的，教材利用文字和圖片資源介紹伽利略對自由落體運動的研究過程，讓學生領略伽利略所創造的科學研究方法—— 實驗和邏輯推理（包括數學演算）相結合的方法。教師依據教材這一課程資源，通常采用講授或學生閱讀教材后討論交流等方式進行教學。這樣的教學過程對物理觀念（運動觀念）等核心素養的培養有效果，但在培養學生科學思維（質疑創新）、科學探究（證據、解釋）、科學態度與責任等物理素養上較難取得好效果。

下面以《伽利略對自由落體運動的研究》教學為例，探討如何從開發文字、數據、實驗、信息技術等多種課程資源入手，創造性開展教學工作，全面培養學生物理核心素養，落實物理課程的育人功能。

一、文字課程資源的開發與應用

教材是重要的文字課程資源，但教材通常受篇幅限制，在介紹科學家做科學研究的史實時對研究的過程做一些刪減，會造成研究問題的思路在前后邏輯上不清晰。教師在這些地方增加必要的文字資源，可以幫助學生了解科學家思考問題時的前因后果。如在教材的“邏輯的力量”這個內容的后面增加下面的文字資源：

伽利略注意到在實際的下落實驗中，輕物體確實落后于重物體，但這是由于空氣的阻力造成的。他是怎樣確信在真空里所有物體都下落同樣快呢？他設想了一個實驗，用鉛、金和木做三個球。他在思想中讓這三個球在水銀、水里和空氣里下落。在水銀里，只有金球往下落。在水里金球和鉛球往下落，而金球下落的比鉛球更快。在空氣里三個球都下落。這時金球與鉛球下落速度沒有差別，只有木球下落得稍慢一些。

接著，他做了如下巧妙的論證：如果我們事實上發現重量不同的物體在媒質中下落時，它們的速度的差別隨媒質的密度減小而減小，那么媒質非常稀薄時這一差別會非常小而不能被覺察，于是就得出了物體在真空里下落情況的重要結論。他在《兩門新科學》中寫道：“鑒于這點，我認為如果人們完全排除空氣的阻力，那么，所有物體將下落得同樣快。”

【學習活動設計】學生在閱讀完這些文字材料后，討論、交流下面的問題：

1.上面補充的這部分內容跟教材中“邏輯的力量”中的邏輯推理有什么關聯？

2.通過對補充的內容和教材中“邏輯的力量”這兩部分內容的學習，總結伽利略的研究方法。

3.如果你想讓權威接受你的觀點或者你想反駁權威的觀點，那么需要怎樣做才能更有說服力？

結合以上問題的討論，談談你的看法。

【設計意圖】教材在“邏輯的力量”中介紹了伽利略用歸謬法駁斥亞里士多德的錯誤觀點這一邏輯推理過程，學生體會到論證過程的嚴謹、巧妙，但如果僅僅據此推出“重物與輕物應該下落得同樣快”的結論，那么總感到論據不是那么充分可信。補充了上面的文字資源后，學生能領略到伽利略的推理過程邏輯嚴密，證據充分可信。學生經歷這樣的學習過程后，能充分領略伽利略“運用邏輯得出推論→通過理想實驗對推論進行檢驗”的科學研究方法;領悟“基于證據和邏輯發表自己的見解，不迷信權威”是產生創新思維的先決條件，從而培養學生的科學論證、質疑創新、科學態度與責任等素養。

二、數據課程資源的開發與應用

科學探究需要基于證據得出結論并作出解釋，如果在介紹科學家做科學探究的實驗史實時，能夠再現科學家研究的真實手稿和實驗數據，那么科學家的這種精神會起到潛移默化的作用，幫助學生形成嚴謹認真、實事求是的科學態度。如在教材“實驗驗證”這一內容中介紹伽利略做斜面實驗時，向學生展示伽利略的數據手稿。

【學習活動設計】向學生展示伽利略的數據手稿后，讓學生認真觀察手稿和數據，討論、交流下面的問題：

1.你能從手稿中的數據上發現什么規律嗎？除了數字和規律外，手稿上還能有其他的發現嗎？

2.從伽利略手稿的字跡情況我們可以推測：第一列的數據“1，4，9，16，…，64”是后來加上去的，第三列數據是伽利略根據測量數據計算所得，有幾個地方涂改，似乎是伽利略在實驗后對數據作了修正。假設以上推測正確，那么請猜想，伽利略在研究過程中做過哪些思考？（說明：由于數據手稿年代太久，拍出的照片印刷后看不清楚，故未在此處印刷出來。但在課堂上可以借助多媒體設備將數據手稿圖片展示給學生觀察，學生可以發現手稿上數據有涂改的痕跡）

3.結合以上的討論，對通過分析證據的疏漏來反駁他人的觀點的做法談談你的看法。

【設計意圖】引導學生分析伽利略的數據手稿中透露出的信息，判斷伽利略猜想的位移與平方關系并不是從實驗得到，而是先有了猜想，再用實驗加以驗證而得到的，使學生領悟“實驗和邏輯推理（包括數學演算）和諧地結合起來”的科學研究方法，培養學生的批判性思維意識、能基于證據大膽質疑等素養。

三、實驗課程資源的開發與應用

物理學是以實驗為基礎的學科，學生在學習物理學史上的重要實驗時，教師如果能夠開發出相應的實驗課程資源，讓學生親自動手實驗或者觀看演示實驗，那么對提升學生的物理核心素養是大有幫助的。如在教材《實驗驗證》中，利用文字和圖片資源介紹了伽利略做銅球沿斜面運動的實驗過程，學生沒有動手實驗的經歷和體驗，很難體會伽利略當時實驗的困難和采用的實驗方案之巧妙。

【學習活動設計】教師可以買一段長約 3 米的鋁合金窗簾導軌作為斜面軌道，拿物理實驗室的鋼球代替銅球，讓學生動手重現伽利略當時的實驗情景，如圖 1 所示。

1.把長約 3 米的鋁合金導軌放在水平桌面上，將一端墊高（斜面傾角在 5°左右），一個學生負責從軌道頂端靜止釋放鋼球，另外幾個學生分坐在軌道兩側，負責記錄鋼球滾下時的各個位置。

2.打開節拍器，剛好在某節拍時靜止釋放小球，軌道兩旁的學生負責在軌道上記錄小球在接下來的幾個節拍時到達的位置。

3.用米尺量出軌道頂端釋放點到各個記錄位置的距離 x，看看是否滿足 x∝t2 的關系。

4.改變軌道的傾角大小（斜面傾角在 5°左右），重復以上實驗步驟。

【設計意圖】讓學生在課堂上開展合作學習、探究學習，通過動手實驗體會伽利略當年想精確做好斜面實驗的困難，認識到在當時的條件下僅僅依靠實驗或僅僅依靠推理都是不能得出落體運動規律的，從而深刻領悟“必須把實驗和邏輯推理（包括數學演算）和諧結合起來”才能得出落體運動規律的研究方法。培養學生的合作意識、團隊精神及科學探究等素養。

四、信息技術課程資源的開發與應用

物理學是以實驗為基礎的學科，但有些實驗現象在常規條件下難以觀察清楚，隨著信息技術的發展和應用，可以借助信息技術來突破這一難題，觀察到以往看不到的現象。

【學習活動設計】學生在學習完本節的內容后，討論交流下列問題。

1.在學習本節課之前，你對“一個物體下落的快慢跟什么因素有關”是怎樣認識的？

2.在學習完本節課之后，你對“一個物體下落的快慢跟什么因素有關”是怎樣認識的？

3.設想你現在教學樓二樓，兩手在同一高度上分別握住一輕一重兩個鐵球，當你同時由靜止釋放這兩個鐵球時，預測兩球在空中下落的快慢情況是什么樣的？

4.播放教師在教學樓二樓同時釋放一輕一重兩個鐵球下落的視頻（也可以帶領學生現場做，考慮到安全問題，建議教師提前錄好視頻），讓學生觀察兩個鐵球的下落快慢情況。教師再利用軟件來慢放視頻，讓學生再次觀察兩個鐵球下落的快慢情況。

5.觀察結果。在開始階段是輕的鐵球走在重的鐵球的前面。介紹伽利略的記錄：“如果從塔上落下兩個同體積的球，其中一個比另一個重一倍，我們會發現重的到達地面并不比輕的快一倍。其實，在運動開始時，輕物會走在重物的前面，在一段距離內要比重物快。”（解釋原因：由于人在握住重的鐵球時手會握得更緊，釋放的時候會略為延緩，導致輕球走在重球前面的情況）

【設計意圖】此實驗說明伽利略確實是做過兩個鐵球同時下落的實驗，并且實事求是地記錄了實驗結果，讓學生學習科學家實事求是的科學態度。伽利略在研究落體運動的過程不是一帆風順的，經歷了曲折的摸索過程，從開始是亞里士多德的維護者逐漸轉變為反對者。學生從這些物理史實中體會科學知識的本質—— 科學知識是長期積累的結果，做科學研究需要有持之以恒的毅力。學習和領悟“基于證據和邏輯發表自己的見解，不迷信權威”是產生創新思維的先決條件。培養學生的科學探究、科學態度與責任等素養。

《普通高中物理課程標準（2017 年版）》在實施建議中指出：“物理教師應根據普通高中物理課程標準的基本理念、課程目標和物理學科核心素養的要求，結合教學的實際情況，創造性地開展教學工作，將物理學科核心素養的培養貫穿于物理教學活動的全過程。”本節課通過開發多種教學資源來創造性地開展教學工作，讓學生在一系列的學習活動中體驗和感悟科學方法及其本質，發展學生的物理核心素養，實現物理課程的育人功能和立德樹人的根本任務。

【參考文獻】

[1]向義和.大學物理導論：物理學的理論與方法、歷史與前沿（上冊）[M].北京：清華大學出版社，1999.

[2]郭奕玲，沈慧君.物理學史（第2版）[M].北京：清華大學出版社，2005.

【基金項目】本文系東莞市名師工作室專項課題“基于學科素養培養的高中物理課堂教學研究”（課題編號：mskt2019073）階段性研究成果之一。

【作者簡介】張 峰（1972— ），男，湖北省丹江口市人，教育碩士，中學高級教師，廣東省東莞市第一中學物理教師，廣東教育學會物理教學專業委員會理事，東莞市名師工作室主持人。

（責編 盧建龍）