基于科學(xué)思維能力培養(yǎng)的高中物理教材解讀與教學(xué)設(shè)計(jì)
——以“重力與彈力”教學(xué)為例

郭 穎

(江蘇省南京市中華中學(xué)，江蘇 南京 210019)

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》是我國新一輪高中物理教學(xué)改革的指導(dǎo)性文件，它凝練了物理學(xué)科核心素養(yǎng)，為教材編寫、考試評價(jià)和教學(xué)實(shí)施指明了方向。物理學(xué)科核心素養(yǎng)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)任四個(gè)方面。

培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力是物理課堂教學(xué)設(shè)計(jì)的核心目標(biāo)，面對新教材，我們應(yīng)充分挖掘其內(nèi)在價(jià)值，尋找其在內(nèi)容、結(jié)構(gòu)、方法等方面的變化，弄清教材的編寫意圖。筆者以“重力與彈力”為例，通過解讀教材、教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)實(shí)施，切實(shí)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力。

1 基于科學(xué)思維能力培養(yǎng)的教材解讀

1.1 人教版教材的變化

人教版新教材的每一節(jié)的結(jié)構(gòu)大致相同，都是由問題引入，創(chuàng)設(shè)情境進(jìn)行理論(或?qū)嶒?yàn))探究，得出結(jié)論，再應(yīng)用結(jié)論去解決問題。關(guān)于“重力與彈力”的內(nèi)容，新舊教材的變化如表1所示。

表1

1.2 新教材的編寫意圖

(1) 在順序上作了調(diào)整。新教材編寫者根據(jù)學(xué)情，突出以學(xué)生為學(xué)習(xí)主體的理念。學(xué)生在初中已學(xué)過力的概念以及重力、彈力等內(nèi)容，課題引入采用問題串形式，既回顧了舊知識，又為新知識的學(xué)習(xí)作了鋪墊。而力的圖示是新知識，對畫圖要求較高，放在后面較妥。

(2) 在內(nèi)容上作了增刪。四種相互作用概念太大，不適合放在此處，新教材果斷做了取舍，干凈利落。舊教材中重力這節(jié)內(nèi)容太少，又要自然過渡到彈力，所以新教材就把重力和彈力放在一節(jié)。胡克定律實(shí)驗(yàn)雖難度不大，但探究性較強(qiáng)，所以新教材根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)的要求增加了這個(gè)學(xué)生實(shí)驗(yàn)。

(3) 在習(xí)題上作了優(yōu)化。新教材增加了開放性習(xí)題，以培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維。如書后練習(xí)第5題：你還能想到什么方法來觀察微小形變？畫圖說明；新教材還增加了設(shè)計(jì)類習(xí)題，以培養(yǎng)學(xué)生的知識應(yīng)用和創(chuàng)新能力，如書后練習(xí)第7題：設(shè)計(jì)自動沖水裝置。

2 基于科學(xué)思維能力培養(yǎng)的教學(xué)設(shè)計(jì)

2.1 玩具引入，思考與“重心”有關(guān)的概念

演示“飲水鳥”玩具(圖1)，把鳥的頭部用水浸濕，觀察它的運(yùn)動。

圖1

師：鳥為什么能夠不停地低頭飲水、又抬起頭呢？通過這節(jié)課的學(xué)習(xí)，我們來解密。

設(shè)計(jì)意圖：讓“重心”成為貫穿本節(jié)課始終的主線，“重心”這個(gè)概念是本課的難點(diǎn)。化解難點(diǎn)的辦法之一，是通過創(chuàng)設(shè)情境激發(fā)學(xué)生的興趣，從感性的觀察引發(fā)理性的思考。接著引導(dǎo)學(xué)生解密，呼應(yīng)開頭，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。最后讓學(xué)生設(shè)計(jì)自動沖水裝置，培養(yǎng)其知識應(yīng)用和創(chuàng)新能力。

2.2 回顧舊知，復(fù)習(xí)力和重力的概念

師：在初中學(xué)習(xí)過力的概念，咱們來回顧一下，什么叫力？

生：物體對物體的作用。

師：上述兩個(gè)物體分別叫什么物體？

生：一個(gè)是施力物體，另一個(gè)是受力物體。

師：力的作用效果有哪些？

生：使物體發(fā)生形變，改變物體的運(yùn)動狀態(tài)。

師：你們學(xué)過哪些力？

生：重力、彈力、摩擦力…

師：對力需要分類，可從力的性質(zhì)、作用效果角度進(jìn)行。我們從性質(zhì)上按順序逐一進(jìn)行探討。先看重力，它是怎么定義的？它的大小、方向如何確定？

學(xué)生回答問題，教師用PPT同步展示。

設(shè)計(jì)意圖：以問題串形式，層層深入，開拓學(xué)生的思維。復(fù)習(xí)的雖是“舊知識”，但只要有“新視角”，就可以激起學(xué)生學(xué)習(xí)的欲望，加深思維的深刻性。同時(shí)，學(xué)生覺得初中學(xué)的知識很有用，了解其在整個(gè)知識板塊中的關(guān)聯(lián)，由此產(chǎn)生的“掌控感”可以激發(fā)其內(nèi)在學(xué)習(xí)動力。

2.3 實(shí)驗(yàn)探究：用懸掛法等尋找物體的重心

師：重力的作用點(diǎn)叫什么？

生：重心。

教材以長桿為例，利用示意圖進(jìn)行講授。長桿的各部分均受重力作用，運(yùn)用等效方法，可認(rèn)為長桿所受重力集中于一點(diǎn)。

教師出示質(zhì)量分布均勻、形狀規(guī)則的物體。

師：如何確定它的重心位置？

生：在幾何中心。

教師出示圓環(huán)。

師：如何確定它的重心位置？

生：在圓心處。

師：重心一定在物體上嗎？

生：不一定。

教師出示形狀不規(guī)則的薄木板。

師：如何確定它的重心位置？

生：可用懸掛法。

師：該方法運(yùn)用的原理是什么？

生：二力平衡。

教師出示圖片：手托椅子靜止。

師：如何確定椅子的重心位置？

生：用支撐法。

師：其原理是什么？

生：二力平衡。

師：重心在過支撐點(diǎn)的豎直線上。如果重心偏離這個(gè)豎直線，結(jié)果會怎樣？

生：椅子會發(fā)生轉(zhuǎn)動、翻倒。

設(shè)計(jì)意圖：物理概念的建構(gòu)是循序漸進(jìn)的，必須經(jīng)過多次循環(huán)，才能實(shí)現(xiàn)最終的同化。在尋找形狀不規(guī)則物體重心位置的過程中，基于科學(xué)思維培養(yǎng)的要求，以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，通過二次懸掛，學(xué)生逐步印證自己的猜想。既加深了對物理概念的理解，又提升了科學(xué)思維能力。

2.4 構(gòu)建模型，科學(xué)推理

師：如何解釋飲水鳥低頭飲水、抬頭的原理？

生：開始時(shí)飲水鳥內(nèi)乙醚沿玻璃管上升，重心升高到一定高度時(shí)飲水鳥發(fā)生傾倒而低頭飲水，此后玻璃管內(nèi)乙醚又流回尾部，飲水鳥抬起頭，產(chǎn)生連續(xù)動作，其原理是重心位置發(fā)生變化和杠桿平衡條件。

師生總結(jié)：重心位置一般會隨著形狀或質(zhì)量分布的變化而變化。

教師出示書后練習(xí)第7題：設(shè)計(jì)一個(gè)自動沖水裝置。

讓學(xué)生分組討論，交流設(shè)計(jì)思路。學(xué)生積極上臺展示，結(jié)合示意圖說明自動沖水裝置的結(jié)構(gòu)和原理，富有創(chuàng)意。

設(shè)計(jì)意圖：呼應(yīng)開頭，解密飲水鳥飲水原理；學(xué)以致用，設(shè)計(jì)自動沖水裝置。模型建構(gòu)是在對客觀事物進(jìn)行抽象和概括的基礎(chǔ)上，抓住關(guān)鍵因素、構(gòu)建能反映其本質(zhì)特征的理想模型的科學(xué)抽象過程。科學(xué)推理是基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)建構(gòu)物理概念、發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律的過程，是發(fā)展科學(xué)思維的重要途經(jīng)。在真實(shí)情境下，學(xué)生經(jīng)過科學(xué)推理，他們運(yùn)用恰當(dāng)?shù)奈锢砟Ｐ徒鉀Q實(shí)際問題的能力會有所提升。

2.5 運(yùn)用科學(xué)思維方法，引出彈力概念

教師展示常見的形變圖片，引導(dǎo)學(xué)生觀察，歸納總結(jié)形變的種類，提出將微小形變放大的方法，進(jìn)而引出彈力概念的定義、產(chǎn)生條件和方向。

設(shè)計(jì)意圖：從觀察現(xiàn)象、提出問題到分析問題再到解決問題，科學(xué)思維是靈魂，在彈力概念的構(gòu)建過程中，學(xué)生運(yùn)用了分析、歸納等思維方法。

3 基于科學(xué)思維能力培養(yǎng)的教學(xué)反思

3.1 教學(xué)設(shè)計(jì)要基于教材解讀指向教學(xué)達(dá)成

好的教學(xué)設(shè)計(jì)依賴于準(zhǔn)確的教材解讀，教師把握了教材編寫意圖，就可以選擇高效的策略實(shí)施教學(xué)。教材編寫者用心良苦，一線教師應(yīng)認(rèn)真鉆研、用好新教材。因?yàn)橛虚_課任務(wù)，筆者仔細(xì)研讀新課標(biāo)和新教材，經(jīng)反復(fù)推敲，最終從書后習(xí)題中找到了靈感，頓悟了新教材的意圖，才有了本節(jié)課的教學(xué)設(shè)計(jì)。

3.2 課堂教學(xué)要基于真實(shí)問題，提升學(xué)生的科學(xué)思維能力

物理教學(xué)的目的是要增長學(xué)生的智慧，集中體現(xiàn)在對科學(xué)思維方法的領(lǐng)悟和運(yùn)用上。筆者將學(xué)生思維上的經(jīng)歷和體驗(yàn)貫穿教學(xué)始終，在設(shè)計(jì)中花心思、做調(diào)整。開頭的科學(xué)玩具一下子吸引了學(xué)生的注意力，在接下來的知識回顧環(huán)節(jié)學(xué)生非常專注，在創(chuàng)新設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)更是創(chuàng)意連連，在上完課的第二天，還有學(xué)生匯報(bào)新想法。筆者對學(xué)生的積極表現(xiàn)予以肯定，他們也明白了科技創(chuàng)新需要借助團(tuán)隊(duì)的力量。