合理重構 有效促成物理核心素養的培育

王金鐸 沈計春

摘 要：核心素養是指學生應具備的必備品格和關鍵能力，是中學教學的最高目標，這些目標需要在以知識為載體的課堂教學中達成.物理學科教學中的“單元”，是以同一主題或任務串聯起來的教學內容，具有內在的邏輯性和認知的規律性.以單元教學設計與實施為抓手，合理統整單元內知識、方法、能力進行教學，對于核心素養的培育是大有裨益的.以滬科版（基礎型）及華師大教材（拓展型課程）中的電場大單元為例進行單元設計.

關鍵詞：高中物理;單元教學設計;核心素養;電場

中圖分類號：G633.7 ? ? 文獻標識碼：B ? ? 文章編號：1008-4134（2021）15-0029-06

作者簡介：王金鐸（1963-），男，江蘇南通人，本科，中學高級教師，研究方向：高中物理課堂教學;

沈計春（1978-），男，上海人，本科，中學高級教師，研究方向：高中物理課堂教學.

《普通高中課程標準（2017年版）》（簡稱“新課標”）在“地方和學校實施本課程的建議”中指出：“重視課程開發與建設，完善物理學科的課程體系…，有計劃地開展有關的課程實施研究，促進國家課程建設更適合于學校，更貼近學生的實際.”按照新課標對教學的實施要求，結合教材的特點，開展單元教學設計是落實新課標精神，使物理核心素養的培育得以落實的重要舉措.

1 章節教學與單元設計

1.1 章節教學

在傳統的教學設計過程中，教師是根據教材規定的課時（節）教學內容，制定課時教學目標，在分析了課時教學的重、難點后，通過觀察與體驗、分析與討論、實踐與探究等教學手段，利用動畫視頻等現代媒體手段，使課堂教學的效益得到提升，教學質量也得到提高.然而，透過這種以課時教學為基調的教學設計不難發現，這樣的教學更多的是關注課時內學生的知識、技能與情感習得，學生得到的知識是零碎的，技能是分散的，思維方式也是割裂的，難以實現物理觀念、科學思維、科學態度與責任的整體形成.因此，只強調章節的課時教學存在一定的局限性與不足.

1.2 單元設計

隨著新課標與新教材的實施，課程改革的意識不斷彰顯，特別是培育核心素養教學目標的現代教學要求，迫切需要通過“單元教學設計”促成上述目標的實現.所謂“單元”，從知識角度理解是一組相互關聯、先后有序的教學內容的組合，每一個單元又具有相對的獨立性;從認知規律上看，單元又是基于學科核心素養，以相關主題與任務為線索串聯起來的教學內容單位，有關內容的組成符合學科知識發展的邏輯順序和學生的認知規律，有明顯的結構化.“學科單元教學設計”是為實施學科課程而以一個單元為整體進行的一種系統化、科學化的教學設計.通過學科單元教學設計，可以凸顯教學過程的整體性、遞進性、關聯性等系統教學的特征，以解決“教什么”“何時教”“如何教”等實際問題，有利于教學中時間、資源、順序等教學變量的統籌，更利于物理核心素養的培育.一般而言，一個完整的單元教學設計應包含教學安排、教學策略、教學評價等三部分構成，具體如圖1所示.在教學實施過程中，這三個部分應做到有機銜接、前后呼應、詳略得當，從而把教學預設轉化為教學行為，達成教學目標.

本文以滬科版高中物理教材（基礎型）及華師大版教材（拓展型課程）中的“電場”大單元為例，介紹單元教學設計與實施的具體過程.

2 單元分析與教學安排

2.1 內容分析

電場是高中物理教學中全面、系統研究“場”知識的重要單元，其知識內容與研究方法，既是重力場的拓展與延伸，也是學習磁場及電磁感應的基礎.因此，本單元在高中物理教學中具有極其重要的意義.

電場單元的重要特點是概念多而抽象，且各概念間的內在邏輯關聯性強.概念的屬性也不盡相同，有的是反映電荷與電場本身的，也有的是由電荷與電場共同決定的，具體見表1.在教學過程中，搞清這些概念的形成過程，正確界定其內涵與外延，不斷進行有意義的辨析，是單元教學成敗的關鍵.

物理規律多也是本單元的特點.這些規律有的是實驗定律，有的是在定律的基礎上經過理論推導得出的物理結論.在利用規律解決實際問題時，又要注意物理量的矢量性，如電場力、電場強度等，在使用時不要帶正負號運算，方向按照矢量的合成法則處理;標量性規律如電勢、電勢差、電場力功、電勢能及變化等，運算時需要帶入正負號運算，且注意正負號的物理意義;有些物理規律還要注意特定的適用條件.歸結起來，本章的物理規律有：一個基本定律即庫侖定律F=kQ1Q2r2; 兩個基本定義：電場強度E=Fq和電勢φ=Epq;三個基本關系：電場力做功WAB=qUAB ，電勢差與電場強度UAB=Ed ，電場力與場強F=Eq.

2.2 教學目標

根據單元的教學內容，可以確立單元教學目標及學習水平（見表2）.

在教學設計過程中，努力挖掘各知識點與核心素養的關聯，也是應著力思考并在課堂教學中體現的方面.本單元知識點與物理核心素養各要素的關聯分析見表3.

表3所列的是本單元知識點與核心素養各要素關聯的程度（其中H表示強關聯、M表示中關聯、L表示弱關聯），這些要素的達成，需要在實際教學過程中，通過合理的教學手段及統籌各種教學資源實現.

2.3 課時劃分

根據單元各知識點的特點及內在的邏輯關系，可以分為電場力的性質、能的性質、實際應用及檢查評價四個知識塊，具體見表4.同時注意穿插作業的講評與教學情況的反饋.在單元教學內容完成以后，利用單元檢測的方法，測評同學對單元教學內容的把握，并且通過對結果的歸因，及時矯正學生存在的學習問題，提出補救方法.當然，實際教學課時還可以根據評價反饋的結果適當調整.

3 教學策略與結果評價

3.1 難點突破

突出教學重點、突破教學難點，是課堂教學順利開展的重要標準.根據本單元教學內容的特點，可以從以下幾方面展開教學過程.

3.1.1 厘清概念的內涵與外延

課堂教學中必須搞清概念的內涵與外延，并且不斷進行概念的深層次辨析，才能在此基礎上理解和把握概念的本質.首先要通過物理情境的設置，幫助學生形成對概念的表象認識，在此基礎上通過抽象與概括、分析與綜合等思維方式，建立物理概念;其次通過對概念的深層次剖析，在對概念表面特征和外部關系分析的基礎上，抓住概念的本質和內在聯系，從而在大腦中形成牢固而深刻的概念印象;再次是通過應用辨析，在大腦中升華概念，達到對概念內涵的確切認識.

3.1.2 理順規律的形成與條件

物理規律是物理量之間內在的本質聯系，是物理教學的主干和核心.

（1）創設情境，提出物理問題

情境認知理論認為，學習是學生基于特定的情境主動建構知識的過程，情境是一切認知活動的基礎，而知識則融合、貫穿于產生它的情境之中.物理情境創設的目的是為了導致學生的認知失衡，從而產生困惑并形成亟待探究的問題，提高思維熱情.例如，庫侖定律是本單元重要的物理規律，通過教學視頻讓同學觀察：兩電荷間距離增大時，電荷間庫侖力的變化;保持兩電荷間距離改變電量時庫侖力的變化.在這樣的控制變量的實驗過程中，讓學生提出影響庫侖力的大小因素，再進行理論歸納而得出結論，學生對規律的理解就會更加深刻.除了利用動畫、視頻以外，利用與重力場進行的類比遷移，也是本單元教學中最重要的情境設置方式.

（2）思維加工，建立物理規律

物理規律的形成過程是學生經過自己的大腦，對物理情境中物理量間關系加工的過程.因為只有通過這樣的思維加工，才會對物理規律形成更深刻的認識.例如，對于電場力做功與電勢差的關系，則可以在教師設置的情境下，由同學經過理論探究習得.

物理情境：如圖2所示，在勻強電場中沿電場線方向有A、B兩點，一個質量為m、電量為q的點電荷從A到B運動，則電荷在該運動過程中電場力做功多大？

理論分析：WAB=-（EPB-EPA）= EPA- EPB=qφA-qφB=q（φA-φB）=qUAB.

物理意義：電場中任意兩點電場力所做的功，等于移動電荷的電量與始末兩點電勢差的乘積.

這里的思維加工的過程，同學們經過對原有物理規律進行分析與推理，形成了新的物理規律.從而既能對已學物理規律加深理解與認識，又經歷了物理規律的形成過程，以利于形成穩固的物理知識體系，促進了物理規律教學過程中探究性思維的提升.

（3）理解規律，明確使用條件

物理規律一般都是有條件的，在學習過程中除了要對規律的范式文本熟悉以外，還要熟知其使用條件及應用注意事項，這樣才不至于在應用中張冠李戴.電場單元的規律教學突出以下兩點：

一是明晰使用條件.對于物理規律，不能僅以數學中對數的理解看待.例如，在理解庫侖定律時，同學們都知道兩電荷間的庫侖力當間距r→∞時，作用力F→0，但不能理解r→0時，作用力F不會趨于無窮的物理事實.這是因為當間距r→0時，再小的帶電體也不能看作點電荷，庫侖定律已不再成立;再如對于電場強度E有三個公式，分別是F/q、kQ/r2和U/d.它們的使用場合也是不同的.可見，使用條件與使用范圍是理解物理規律的必要前提.

二是規范化使用：電場單元的公式字母大部分都有下標，這些下標有其獨特的物理意義，只有規范書寫并理解其物理意義，才能正確使用.例如，WAB表示電荷從A到B移動過程中電場力所做的功，顯然同一電荷WAB=-WBA;再有UAB=φA-φB=-UBA，而電勢能變化ΔEAB=EB-EA;電荷在電場中某點的電勢能EPA=WA∞，表示把電荷從該點移到無窮遠電場力所做的功.對于這些規律的范式書寫與使用，是解決電場單元教學不可忽視的重要方面.

3.1.3 把握原理的本質與用法

物理規律與原理都有其本質的內在屬性，搞清物理原理的內涵，才能在解決實際問題時得心應手，避免盲目套用現象的發生.例如，電勢的概念及電勢的變化是本單元的學習難點，對其認識的深入與否也會直接影響整個電場能的性質的學習.就本質而言，電勢是由電場本身的性質決定的，反映電場能的性質的物理量，類似于重力場中的位置;電場中某點的電勢，是用檢驗電荷在該點具有的電勢能與電荷所帶電量的比值定義的，即電勢φ=EP/q，但電勢與電勢能及電量無關，反映了電場的固有屬性;電勢的大小表征了單位正電荷在該點的電勢能;電勢是具有正、負的標量，正、負值代表了與零電勢相比的高低，具有相對性;在正電荷形成的電場中，離正電荷越近電勢越高，距負電荷越近電勢越低，由此得出沿電場線各點電勢逐點降低，逆電場線各點電勢逐點升高;電勢與電場強度分別是反映電場力與能的性質的物理量，它們間無必然關系.

3.2 活動設計

學生活動是教學過程中突出重點和突破難點的重要手段，是教學的重要組成部分.單元設計中，學生活動的設計也是其中的重要環節.一般學生活動由目的意義、內容方式、時間安排、組織管理等構成.例如，靜電復印是帶電粒子在電場中運動的實際應用，它綜合了靜電的應用與防范、電場力與電荷的運動等相關知識，可以把研究復印機的工作原理作為教學活動，活動設計見表5.

3.3 配套練習

作業作為物理課堂教學的組成部分，歷來受到教師的重視，它為教學質量的提升所發揮的作用是有目共睹的.單元作業的設計一般應注意以下幾個方面.

3.3.1 體現教學基本要求

在設計作業時，只有按照教學基本要求所規定的學習內容，逐條對應并編擬相應的試題，才能達到鞏固提升課堂學習的效果.當然，按照學習水平的要求，還應注意試題的難度與綜合程度，契合學生的能力水平，使他們在作業完成時，既需要思考，又能夠思考，通過作業體會和形成物理學習的成就感.

3.3.2 符合學生知能狀況

符合學生的知能狀況，是作業設計科學與否的重要標志.由于不同學生的學業基礎與思維狀況的不同，在物理作業設計時，必須增加作業的可選擇性.可以將作業設計成A、B、C三組.其中A是普遍完成（過關）類，是所有的同學都必須完成的基礎練習，這類作業的指向是學生基礎知識和技能，是與合格考試的學習水平匹配的;B為選擇完成（提高）類，這類作業的指向是知識與技能的應用，是與等級考試的學習要求相對應的.在完成A組練習的基礎上，鼓勵更多的同學能完成B類，以形成更加穩固的知識體系;C是綜合應用（競賽）類，是以參加自主招生或競賽為目標，供學有余力的同學練習.這樣的作業設計，讓每一個能力層次的學生都能得到學習上的滿足，充分體現現代學習的分層和可選擇的要求.

3.3.3 適應新政考試模式

物理新政高考，選擇題為單項選擇，主要考核學生對主干與核心知識的理解，且難度不高于教學基本要求規定的學習水平;填空題則突出對基本物理規律、原理的理解與應用，反映學生基本的運算能力;綜合題由實驗題與計算、推理題構成，其中實驗題主要考查實驗目的、實驗器材的選擇與使用、實驗操作、數據的記錄與處理、誤差的分析與實驗改進等方面.而計算題則突出對物理原理、規律的綜合應用，以及物理過程陳述的完整性、解題思維的邏輯性等方面.在設計作業時，必須體現新政高考對試題的要求，采用相應的試題形式，以形成有的放矢的課外練習.

3.3.4 凸顯培養核心素養

核心素養是在具體的教學行為中培養與形成的.設計作業時，可增加試題的開放性、可觀察性、可制作性，多設計具有探究性、研究性的試題，創設待解決的真實的問題情境等.具體可做到以下幾點：

（1）=1＼*GB3結合實際的物理情境（物理觀念）.

物理雖然具有抽象思維的特點，它是在大量感性材料的基礎上形成的，因此離不開具體的物理情境.在設計物理問題時，多點結合實際的問題情境，多些物體間的相互關聯，多點豐富多彩的運動方式.讓同學在處理時，將實際問題抽象為熟悉的物理模型，再選擇相應的物理規律得出結果.這樣既符合人類思維由形象到抽象的特征，也體現了核心素養中關于物理觀念的要求.

（2）=2＼*GB3極具思維的處理過程（物理思維）.

物理問題的處理過程，是一個由已知求解未知的過程;從信息論觀點看，是一個獲取問題信息，經過大腦的加工與處理，表征為自己的信息，并得出未知信息的過程，思維是這個過程的關鍵.在設計作業時，少一點死記硬背、單憑記憶、特殊的技巧、熟悉的套路可解決的問題;多一點需要思考、能夠思考的問題.讓學生在讀題后，可以演繹與歸納、必須發散與收斂、既可定性也可定量等，使他們在有序的思維狀態下處理問題.

（3）=3＼*GB3需要探究的問題設計（科學探究）.

在作業設計時，多點開發性與多可能性的問題，讓同學在處理時，需要通過提出問題、進行猜想與假設、設計實驗搜集證據、進行論證最后才能得出結論.這樣的過程，符合科學家發現物理規律的軌跡.經過這樣的問題處理的經歷與過程，對他們處理更加復雜的社會問題，乃至做出科學的發現或發明都是有益的.

（4）=4＼*GB3體現情感的價值取向（科學責任）.

處理物理問題的過程，既是物理思維的過程，也是科學態度、情感、倫理等人文情感的形成過程.在習題設計時，注意蘊含這些元素，讓學生在練習中，潛移默化地形成熱愛科學、崇尚科學、投身科學的情操及嚴謹、踏實的科學態度與責任.

3.4 小結評價

3.4.1 單元小結

在單元教學完成以后，通過單元教學小結可以使學生學習的內容“由厚變薄”，使“樹木森林化”.這樣的小結可以是問題處理方法方面的，也可以是知識網絡的構建方面的.基于本單元的知識特點，可以布置學生自行梳理、歸納本章知識網絡，圖3是某同學整理的知識網絡圖.這種對學習內容的立體式表達，也是學生抽象思維能力的表現.

3.4.2 教學評價

評價是與教學相伴而行的過程，它是依據教學目標對教學過程及結果進行價值判斷并為教學決策服務的活動，是對教學活動現實的或潛在的價值作出判斷的過程.這樣的評價，既可以是恰如其分的課堂及時評價，也可以是客觀全面的作業過程評價，更是可量化的考核綜合評價，通過評價實時矯正教學行為，確保教學過程達成預設的教學目標.

4 結束語

實施單元教學，讓學生在每堂課知識學習“量”的積累中，內化形成了具有“質”意義的單元知識體系，使他們對物理問題能夠由表及里、由點到面更加立體化、系統化.在利用物理知識解決實際問題時，建模、推理、歸納、演繹等思維能力得到不斷增強，為創造性思維能力的形成奠定了基礎.

參考文獻：

[1]陸伯鴻.學科單元教學設計的研究和應用[J].上海課程教學研究，2018（04）：8-15.

[2]上海市教育委員會教學研究室.中學物理單元設計指南[M].北京：人民教育出版社，2018.

[3]中華人民共和國教育部.中學物理課程標準（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[4]廖伯琴.普通高中物理課程標準（2017年版）解讀[M].北京：高等教育出版社，2020.

（收稿日期：2021-03-26）