參與實(shí)驗(yàn) 體會過程 淺析如何培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)

四川 寇大武 李 梁

學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)科育人價(jià)值的集中體現(xiàn)，是學(xué)生通過學(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”四個(gè)方面。如何在教學(xué)中落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，成為了一線教師必須要思考的問題。物理是一門實(shí)驗(yàn)學(xué)科，筆者認(rèn)為通過有創(chuàng)意的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，可以讓學(xué)生得到深度的體驗(yàn)，并可以以此作為教學(xué)中一個(gè)很好的突破口。筆者接下來就教學(xué)中的一些案例和大家一起分享如何在教學(xué)中幫助學(xué)生形成物理觀念和科學(xué)思維。

一、強(qiáng)化物理知識與實(shí)踐情境的關(guān)聯(lián)，在體驗(yàn)中形成物理觀念

“形成物質(zhì)觀念、運(yùn)動與相互作用觀念、能量觀念等，能用其解釋自然現(xiàn)象和解決實(shí)際問題”這是高中物理《課程標(biāo)準(zhǔn)》的一項(xiàng)重要目標(biāo)，為達(dá)成此目標(biāo)，教學(xué)時(shí)應(yīng)特別重視強(qiáng)化物理知識與實(shí)踐情境的關(guān)聯(lián) ，可以增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐意識。當(dāng)學(xué)生面對物理語言、文字和符號時(shí)，能自覺地聯(lián)想到相應(yīng)的物理情境；當(dāng)學(xué)生面對實(shí)踐情境時(shí)，也自然會聯(lián)想到與此相關(guān)的物理概念和規(guī)律。這就是物理概念和規(guī)律的升華。接下來筆者就用實(shí)際教學(xué)中的一些例子來說明如何在教學(xué)中讓學(xué)生形成物理觀念。

案例一通過人拉動汽車的實(shí)驗(yàn)強(qiáng)化分力可以大于合力

【實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)】

第一次讓一名同學(xué)直接通過繩子拉一輛汽車，實(shí)驗(yàn)結(jié)果是無法拉動。第二次將汽車和籃球架用繩子連接，一名女生在中間拉繩子，汽車居然被拉動了。

【設(shè)計(jì)意圖】

學(xué)生在學(xué)習(xí)共點(diǎn)力平衡時(shí)，對于分力大于合力一直很難理解，他們一直覺得兩個(gè)力的合力一定會大于其中的任意一個(gè)分力，雖然通過作圖可以讓學(xué)生有初步的認(rèn)識，但學(xué)生還是會心生懷疑。通過現(xiàn)場的演示實(shí)驗(yàn)，可以讓學(xué)生直觀地感受到這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果，加強(qiáng)學(xué)生對物理概念的理解，落實(shí)物理觀念、核心素養(yǎng)。

案例二讓學(xué)生組成“機(jī)械波”，體驗(yàn)機(jī)械波形成的過程，并強(qiáng)化質(zhì)點(diǎn)不隨波向前遷移

【實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)】

讓19名學(xué)生并排站立，相鄰兩名學(xué)生手臂環(huán)環(huán)相扣，教師在一端指揮，從最右邊學(xué)生開始做起立和下蹲的動作，其余學(xué)生依次跟隨前一名同學(xué)做相應(yīng)的動作，最終由19名學(xué)生模擬出機(jī)械波的形成過程。

【設(shè)計(jì)意圖】

以學(xué)生模擬質(zhì)點(diǎn)，以手臂間的作用力模擬質(zhì)點(diǎn)間的相互作用力，通過前一名學(xué)生的上下運(yùn)動，帶動后一名學(xué)生運(yùn)動，真實(shí)地重現(xiàn)了機(jī)械波形成的過程。學(xué)生親身感受到了前一個(gè)質(zhì)點(diǎn)對后一個(gè)質(zhì)點(diǎn)的帶動，后一個(gè)質(zhì)點(diǎn)在做受迫振動，重復(fù)前一個(gè)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動。很好地觀察到質(zhì)點(diǎn)并不會隨波向前遷移。通過這一深度的體驗(yàn)，讓學(xué)生很好地形成機(jī)械波這一物理觀念，加深了學(xué)生對這一物理規(guī)律的理解。

案例三通過跑步機(jī)還原小船過河模型

【實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)】

利用跑步機(jī)模擬流動的河水，用帶動力的小汽車模擬過河的小船，再現(xiàn)小船過河的真實(shí)情景，可以完成小船最短時(shí)間過河和最短距離過河兩種重要模型的探究。

【設(shè)計(jì)意圖】

小船過河是一個(gè)很抽象的情境，學(xué)生沒有相關(guān)生活體驗(yàn)，同時(shí)它也是一個(gè)理想化模型，生活沒有與之完全相同的場景，因此，這一物理觀念的建立非常困難。利用跑步機(jī)和小汽車，可以真實(shí)地重現(xiàn)小船過河的情境，幫助學(xué)生將物理知識與實(shí)踐情境關(guān)聯(lián)，升華了小船過河這一物理概念和規(guī)律。

二、重視對理想模型的建構(gòu)和應(yīng)用，在體驗(yàn)、質(zhì)疑和探究中形成科學(xué)思維

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》中的“科學(xué)思維”素養(yǎng)，主要包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素。“科學(xué)思維”是從物理學(xué)視角對客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識方式；是基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)建構(gòu)物理模型的抽象概括過程；是分析綜合、推理論證等方法在科學(xué)領(lǐng)域的具體應(yīng)用；是基于事實(shí)證據(jù)和科學(xué)推理對不同觀點(diǎn)和結(jié)論提出質(zhì)疑和批判，通過檢驗(yàn)和修正進(jìn)而提出創(chuàng)造性見解的能力與品質(zhì)。接下來筆者用實(shí)際教學(xué)中的一些例子來說明在教學(xué)中如何讓學(xué)生在體驗(yàn)、質(zhì)疑和探究中形成物理科學(xué)思維。

案例四通過單手?jǐn)噤摻z的實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生完成力的分解與合成模型的建立

制作實(shí)驗(yàn)儀器

學(xué)生親自體驗(yàn)1(大角度)

學(xué)生親自體驗(yàn)2(小角度)

學(xué)生自主建立模型

【實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)】

利用兩塊木板，一個(gè)合頁，一根可以調(diào)節(jié)長度的鋼絲自制力的合成和分解的教具。通過改變合頁張開的角度，讓男同學(xué)無法完成小角度時(shí)撐斷鋼絲的實(shí)驗(yàn)，而讓女同學(xué)完成大角度時(shí)單手撐斷鋼絲的實(shí)驗(yàn)，形成反差。

【設(shè)計(jì)意圖】

通過男同學(xué)小角度時(shí)無法撐斷鋼絲，而女同學(xué)大角度時(shí)可以單手撐斷鋼絲形成強(qiáng)烈的反差，讓學(xué)生形成想解決問題的強(qiáng)烈驅(qū)動。將實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行模型構(gòu)建，通過學(xué)生自主的科學(xué)推理、科學(xué)論證，利用共點(diǎn)力平衡的知識解決這一問題，真正地幫助學(xué)生在體驗(yàn)中形成物理科學(xué)思維。

案例五通過觀察臺秤的示數(shù)變化，讓學(xué)生在質(zhì)疑、創(chuàng)新過程中發(fā)展思維能力

質(zhì)疑的行為大致可以分為兩個(gè)層次：一是對知識了解不夠，沒有弄懂，無法解決具體問題，提出疑問，這是低層次的質(zhì)疑；二是發(fā)現(xiàn)所觀察到的現(xiàn)象與已有認(rèn)知不吻合，或者發(fā)現(xiàn)已有認(rèn)知之間不能自恰，從而對現(xiàn)有認(rèn)知的科學(xué)性和合理性提出疑問，以至于萌發(fā)出新的猜想，這是高層次的質(zhì)疑。教學(xué)中應(yīng)倡導(dǎo)高層次的質(zhì)疑行為，物理學(xué)發(fā)展中的重大發(fā)現(xiàn)都是由高層次的質(zhì)疑行為引發(fā)的。發(fā)現(xiàn)、質(zhì)疑、猜想、分析、設(shè)計(jì)，都是創(chuàng)造的基本要素，課堂上讓學(xué)生經(jīng)歷這些行為，就是在培養(yǎng)創(chuàng)造能力。

【實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)】

將一玻璃缸裝水后放在臺秤上，將一綁有小鐵塊的塑料小球放入水底，外部用一個(gè)電磁鐵吸住。記錄斷電后小球上浮過程中，臺秤示數(shù)與斷電前的變化，并進(jìn)行理論分析。

【設(shè)計(jì)意圖】

在完成實(shí)驗(yàn)前，絕大多數(shù)學(xué)生認(rèn)為加速上升的小球處在了超重的狀態(tài)，因此他們會認(rèn)為臺秤示數(shù)會增大。但是實(shí)際的實(shí)驗(yàn)結(jié)果確與他們的分析完全相反。正是利用了這種完全相反的答案來形成強(qiáng)烈的反差，讓學(xué)生產(chǎn)生質(zhì)疑，在問題的驅(qū)動下，進(jìn)行猜想和分析，最終了解到是加速上升的塑料小球與加速下降的水球共同作用后使臺秤示數(shù)變小。學(xué)生通過對現(xiàn)有認(rèn)知的科學(xué)性和合理性提出疑問，萌發(fā)出新的猜想，真正地讓學(xué)生在質(zhì)疑和探究中形成科學(xué)思維。

案例六通過光盤下的吊墜，讓學(xué)生在猜測、探索中發(fā)展體會物理建模過程

【實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)】

如圖3甲所示，在光盤下掛上“寶”，如圖3乙所示，在水槽中裝滿水，四周用紙板遮住(防止從側(cè)面看到水下“寶”)，將光盤置于水中，光盤面積小于水槽口面積，從水面上觀察，能否看到“寶”，改變“寶”距離光盤中心的距離，能否看到“寶”。建立模型如圖3丙所示：

甲

計(jì)算過程如下：

若在光盤邊緣剛好發(fā)生全反射，根據(jù)全反射的條件

由幾何關(guān)系可知

【設(shè)計(jì)意圖】

通過實(shí)驗(yàn)步驟①在圓形水槽中裝滿水，四周用紙板遮住，放入“藏寶光盤”；②用攝像頭代替“眼睛”，可以發(fā)現(xiàn)從水面上任何位置都看不到“寶”。提出問題：看不見能否代表沒有呢？請同學(xué)們猜一猜到底有什么樣的“寶”，猜對的可以得到寶物；③取下四周紙板，用“攝像頭”代替“眼睛”，發(fā)現(xiàn)光盤有“寶”，提出問題：為什么有“寶”，剛剛從水面上看不到，從側(cè)面卻能看到?④改變“寶”距離光盤中心的距離，用攝像頭代替“眼睛”，可以發(fā)現(xiàn)從水面能夠看到“寶”，提出問題：改變“寶”距離光盤中心的距離，我們實(shí)現(xiàn)了從“光盤藏寶”到不能“藏寶”的華麗轉(zhuǎn)身，請問這個(gè)距離的臨界值是多少？學(xué)生通過對模型的轉(zhuǎn)換，建立光的全反射模型，提升學(xué)生的科學(xué)建模能力。

總之，教師在教學(xué)中一定要注意立足課堂，以學(xué)生為本，深度教學(xué)，讓學(xué)生親身體驗(yàn)，通過合理地建模、科學(xué)質(zhì)疑、科學(xué)論證及科學(xué)探究落實(shí)物理核心素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任，讓物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)真正落地。

課題名稱：《中學(xué)課程中以實(shí)驗(yàn)教學(xué)情景為載體 培養(yǎng)學(xué)科核心素養(yǎng)的研究》四川省教育學(xué)會教育科研課題，一般課題。