指向物理觀念建構的高中物理教學設計

謝金哲 戴瑞 賈艷

摘 要：物理觀念是物理學的核心，然后才是概念、方法、理論.宏觀的物理觀念建構，僅僅靠滲透是不夠的，需要適度的顯性化.觀察、操作、思考、研究、實踐等是物理觀念培養內化的重要方式.為了幫助學生建構物理觀念，培養學生物理學科核心素養，以“光的偏振”為例進行教學設計，以液晶顯示屏中光的偏振現象“魔法式”在課堂的呈現為切入點，探尋亮暗變換的現象為核心活動，借助靈活追問指向學生物理觀念的建構.引導學生以知識為基礎，在思維、情感和價值體驗的協同參與下建構物理觀念.

關鍵詞：物理觀念;光的偏振;物理教學;教學設計

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）03-0042-04

基金項目： 2018年度吉林省本科高等教育教學改革立項課題;2020高等學校教學研究項目（DJZW202004db）;2020年度東北師范大學物理學院教學改革培育項目.

作者簡介：謝金哲（1996-），女，黑龍江七臺河人，碩士研究生，研究方向：課程與教學論（物理）;

戴瑞（1976-），女，吉林松原人，博士，副教授，研究方向：物理教育;

賈艷（1974-），女，遼寧本溪人，博士，副教授，研究方向：物理實驗教學研究.

我國頒布的2017年版《普通高中物理課程標準》（以下簡稱新課標）提出物理學科核心素養的構成要素，具體包括物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任.對于“物理觀念”的界定是：物理觀念是從物理學視角形成的關于物質、運動與相互作用、能量等的基本認識;是物理概念和規律等在頭腦中的提煉和升華;是從物理學視角解釋自然現象和解決實際問題的基礎.物理觀念主要包括物質觀念、運動與相互作用觀念、能量觀念及其應用等要素[1].據此，教師的教學能力以及觀念等均需隨之改變，如何架構一個有密度、有梯度、有深度的教學設計，以建構學生物理觀念，培養學生從物理學的視角正確描述和解釋自然現象，運用物理知識解決實際問題，有效指導工作和生活實踐，便成了現今物理教師的首要現實問題.

“光的偏振”一節的教學，學生在異于日常現象的視覺沖擊下，便會萌生出強烈的求知欲望，進而問題驅動思考，提出合理猜想與假設，同時在教師的引導下通過不同的方法和手段來分析處理已知信息，分析顯示結果和變化趨勢，最終在主動學習的前提下學生能夠準確地評估和反思結果.

1 教學目標的確定

結合新課標中對物理核心素養的描述，教學目標的確定要從實際生活出發，遵循科學性、階段性和靈活性等原則，同時需具有較強的可操作性.教師要依據物理課程標準，在理解物理學科知識和教學知識及具體學生學情的基礎上，結合外部實際教學環境，針對學生學習和自身發展需求，施加引導，以設計問題為途徑、以培養學生物理學科核心素養為指向，確定教學目標.

1.1 課標分析

按照新課標對物理觀念的界定，我們可以看出形成物理觀念的基礎是物理概念和規律，因而“物理觀念”的建構，要對物理概念、規律進行深度理解和確切把持，并適時加以提升.

“光的偏振”是新課標選擇性必修1模塊第三主題“光及其應用”的內容，其基本內容要求是：“觀察光的偏振現象，了解偏振現象產生的條件，知道光的偏振在生產生活中的應用，知道光是橫波”.活動建議是：“通過調查研究，收集光的偏振現象應用的實例.觀看3D電影，查閱資料，了解3D電影的原理[1]”.

1.2 教材分析

“光的偏振”的教學內容選自人教版普通高中物理課程標準實驗教科書《物理（選擇性必修1）》第四章第六節.光的偏振位于“光及其應用”這一章的最后一節，在學習這節知識之前，學生已學習了光的折射、全反射、干涉及衍射等光學知識.光的偏振現象與科學發展、技術手段以及現代社會的緊密聯系，體現了新課程內容的時代性和選擇性.

1.3 學情分析

通過前面的學習，在知識層面學生已對“光”有了較為充分的認識.在科學探究層面，學生對光現象具備了一定的觀察、類比和分析推理能力.除此之外，學生在日常生活中接觸過光的偏振現象，具有豐富的實踐感性認識，有利于在原有認知基礎上建構物理觀念.但對于光的偏振知識仍是比較陌生的，缺少系統的科學認知.例如，液晶顯示屏在學生的實踐生活中隨處可見，致使去掉偏振片的液晶顯示屏呈現出的差異現象會極大地激起學生對本節課物理知識的學習興趣，新奇于物理學習與生活現象的緊密結合，更有益于引導學生以“物理觀念”審視萬物，以“科學思維”明辨原理，以“科學探究”挖掘真知，以“科學態度與責任”豐富認知，進而借助嵌入式教學培養學生的物理學科核心素養.

1.4 教學目標

確定基于核心素養的教學目標與確定知識教學目標有一定差異，知識教學目標往往是明確的，核心素養的其他部分教學目標往往與學習資源、學生學習活動形式等相關，教學目標的確定與教學活動的設計之間應存在“互動”[2].在涉及物理概念、規律的教學時，教學目標的設定應在符合學生“認知過程”的同時具有超距性，以更好地建構物理觀念，培養物理學科的核心素養.

（1）能清晰系統地認識自然光、偏振光，能夠抽象概括出兩者的物理概念（物理觀念、科學思維）.

（2）能在光的偏振的實驗探究中合理利用實驗儀器，并能根據現象進行分析，能用專業術語總結結論（物理觀念、科學思維、科學探究）.

（3）對變換的物理現象提出質疑，采用多種角度分析物理問題（物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任）.

（4）能根據生活中與光的偏振有關的現象提出可探究的物理問題，并能加以解決（物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任）.

（5）能將物理知識與實際聯系，初步認識科學技術對人類生活的影響，具有創造人類美好明天的責任感（物理觀念、科學態度與責任）.

（6）在光的偏振實驗中，培養探究科學知識的興趣和實事求是的科學態度，養成良好的與他人合作的習慣（科學態度與責任）.

2 教學過程的設計

就如同物理思維一樣，物理觀念是遷移性最強的心理品質，教師應當根據具體的教學目標，從學生已有的認知水平出發，結合學生生活實踐經驗，按照學生認知發展規律，層層遞進式教學，引導學生掌握有意義的知識，在指向具體問題解決的過程中體現其價值.在具有相應的意識和能力情況下，才能夠精準地以物理觀念來指導實踐.

2.1 呈現日常事物之異常，激發學生求知的欲望

教學環節1：首先教師打開“特殊的電腦液晶顯示器”，顯示器屏幕呈現為亮白色（如圖1a），而后將顯示器前方的偏振片還原，呈現出“豬小屁”動畫畫面（如圖1b）.讓學生在有無偏振片比較情況下觀察現象，體會物理在生活中的奇妙應用.而后教師提出問題：“這張薄片是什么呢？為什么薄片放在液晶顯示屏前豬小屁就會出現呢？這其中的秘密究竟是什么？”從而引出本節課的題目——光的偏振.

設計意圖：倘若學生對運用物理知識指導實踐產生了興趣，自然逐漸就會產生相應的意識和能力.教師通過“魔法式”的呈現方式，動態地向學生展示了電腦液晶顯示屏有無偏振片的差異——有偏振片可以看到圖像，沒有偏振片看不到圖像，“魔法式”的變換效果激發了學生的學習興趣，充分調動了學生學習的內在驅動力，在學生了解液晶顯示屏與光的偏振相關聯的過程中親身體驗，打破原有認知.每個學生在認知過程中都會構成千差萬別的認知結構，物理觀念的培養正是打破原有認知狀態，加強學生從物理思維的角度思考生活實踐問題[3].形成具有科學性和邏輯性的思維體系，有利于促進學生物理觀念的建構，進一步推動了科學思維的培育.

2.2 聚焦學生深度學習，詳細講解物理概念

教學環節2：學生利用教師分發的偏振片，根據教師引導，自主觀察現象，同時結合學生的觀察現象，教師給出偏振片及其透振方向的定義，同時指出偏振片是由特殊材質制成的，引導學生總結普通光源發出的光及通過偏振片的光的特點，隨后根據實例為學生呈現自然光及偏振光的物理概念（如圖2）.

設計意圖：通過學生獨立觀察得到的實驗現象，引起同學們思考薄片的特殊之處，培養學生善于發現、敢于提問的好習慣.同時學生在這一階段經歷了“觀察—抽象—比較—概括”的過程，在原有知識的基礎上習得新知識.對物理觀念的培養有著疊加性的效果，在滲透的基礎上逐步顯性化，強調在理解和掌握物理概念和規律的過程中，關注問題的學習歷程，了解物理學在研究自然現象的過程中形成了什么觀念，又是如何演進成為今天的物理觀念.

2.3 巧用“問題串”，誘發學生思考

教學環節3：光的偏振現象及其產生原因是本節的一個重點，教師利用自制實驗器材進行演示實驗，并根據實驗的難度梯度，設計了具有遞進性的引導式問題串，利用問題串引導學生思考和分組討論，結合PPT課件學習光的偏振現象產生的原因.進一步巧改演示用具，升級成帶有“物理”字樣的偏振片，并開展基于項目的學習，引導學生以小組合作方式完成制作，從光的偏振產生原因的角度分析“物理”字樣亮暗變換的原因，再結合機械波的學習得出光是一種橫波.

問題1：教師詢問：想不想知道偏振光通過偏振片后會產生怎樣的現象？

問題2：旋轉第二個偏振片，觀察透射光亮暗的變化.

問題3：再次旋轉第二個偏振片，觀察第二個偏振片旋轉到哪個角度時透射光最亮或最暗？

問題4：更換“物理”字樣偏振片后，觀察現象，布置任務：分析原理，利用手中材料進行制作.

問題5：利用完成的作品，展示現象并解釋兩者產生明顯對比性反差的原因.

設計意圖：教學活動應具有矢量性，課堂問題設計可視為教學設計的靈魂，教師根據學生的認知發展規律，圍繞固定主題設計具有邏輯性、推動型、逐步深入的“問題串”，能夠督促學生深入思考，由表及里地分析光的偏振現象.問題1抓住了學生“好奇”的心理特征，能夠達成學生認真觀察顯現這一顯著效果;問題2和3逐步深入，借助教具學生不難得出“在轉動檢偏器過程中光強發生了明暗變化，當兩偏振片透振方向平行時光強最強、垂直時完全沒有光透過（如圖3）”這一結論，此時正確結論的得出也為學生增添了繼續探究的動力;升級實驗后，問題4和5以科學探究的形式，能夠讓學生基于項目自主動手探究，在操作中發現、討論、解決問題，同時分組合作的形式有助于培養學生的協作意識.通過遞進式的問題層層深入，逐漸攻克學生的學習難點，引導學生的思維深度延伸，培養了學生的科學思維、科學探究及科學態度與責任等物理學科核心素養.

2.4 揭秘“魔法”之源，科學知識與實踐鑲嵌

教學環節4：教師利用生活中常見事物：手上的電子表，介紹電子表等物品中液晶顯示屏的工作原理，結合PPT演示光在顯示屏中的傳播過程，簡要介紹液晶的特性，幫助學生理解光的偏振在顯示屏中的應用：“在電荷的作用下，晶體分子整齊排列，于是光能夠在通過第一個偏振片后毫無變化地通過液晶盒，直到被第二個透振方向垂直的偏振片所擋住，于是我們看到屏幕上呈現出的黑色圖案（圖4a）.如果沒有電荷作用，晶體便處于自然放松狀態，會使通過液晶盒的光發生旋轉，這樣光線便能夠順利地通過第二個透振方向垂直的偏振片了，在屏幕上呈現白色（圖4b）.”由簡單的電子表顯示屏亮暗的講解過渡到揭示上課之初的“魔法”：“因為上次老師的電腦發生了些小故障，在修電腦屏幕時老師忘記把顯示屏前方的偏振片放回去了，因此將顯示器打開時，背光總是亮著的，光通過顯示屏后的第一個偏振片進入液晶盒后呈現在屏幕上，也就是同學們觀察到的顯示屏全白現象，就看

不到可愛的豬小屁了，當我們將顯示屏上的偏振片還原回去時，前后兩偏振片垂直，我們便看到了可愛的豬小屁.”

設計意圖：教師根據這個環節的學習，指導學生利用物理知識解決新課導入的實際問題，既首尾呼應，有始有終，又鍛煉了學生將生活情境與知識相關聯的能力.進而培養學生以物理觀念審視生活實際，巧借科學思維辨析生活問題，善用科學探究解決實踐疑惑等的物理學科核心素養.

2.5 布置課后實踐任務，驅動學生科學探究

教學環節5：在課堂教學最后，帶3D眼鏡觀看3D電影片斷.布置作業，引導學生在課后合作探究3D電影的觀看與播放原理.

設計意圖：布置開放性作業，能夠增加學生完成的欲望，同時在課堂知識學習的基礎上安排與生活實際密切相關聯的實踐作業，學生能夠切身體驗物理學與我們的生活實際并不遙遠，增強學生在生活實際中以物理學視角正確描述和解釋自然現象的意識，培養學生運用物理知識解決實際問題的能力，最終能夠有效地促進物理觀念的建構，以指導工作和生活實踐.

3 總結與反思

要想使核心素養理念真正落地，就要從課程、教材、教學、評價等多方面進行實踐探索[4].綜合以上實踐教學探索，通過設定教學目標，利用日常之物“電腦液晶顯示屏”之異常激趣啟疑，強調科學、技術、社會三者的相互關聯，根據環環相扣且具有矢量性的教學活動遞進式教學，依據教學內容開放性的特點，總結科學認知，借助物理情景，升華學生認知，整體非線性的教學過程使得教學效果疊加式呈現，輔助學生構建物理觀念，嵌入式地培養了學生的物理學科核心素養.

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[2]梁旭.基于核心素養的教學設計需要關注的幾個問題[J].中學物理，2018，36（09）：2-8.

[3]邊媛，趙振宇，馮立峰.芻議在教學設計中如何培養學生的物理觀念[J].中學物理，2020，38（19）：35-37.

[4]彭前程.物理學科核心素養的理解與踐行——以人教版高中物理教材為例 [J].物理教學，2020，42（02）：6-12.

（收稿日期：2020-12-05）