基于物理核心素養的教學案例研究
——以“固體”教學為例

許衛國

(江蘇省錫山高級中學，江蘇 無錫 214174)

《普通高中物理課程標準(2017年版)》基于中學物理的本質特征,凝練并明確提出了物理學科核心素養．它不僅集中體現了物理學科獨特的育人價值,而且明確了通過物理學習后學生應達成的正確價值觀念、必備品格和關鍵能力．物理學科核心素養是對知識與技能、過程與方法、情感態度價值觀三維目標進行整合與凝煉而形成的,因此,教學過程中落實培養學生物理學科核心素養的任務,就必須基于具體的教學內容,充分挖掘教學內容中蘊含的核心素養要素及培育的生長點,創設物理學習情境,引導學生經歷科學探究、科學思維等真正的學習過程．本文以“固體”一節的教學為例,結合自己的教學實踐,就關注物理觀念、引導科學探究和驅動科學思維等進行探討．

1 深化知識理解,關注物理觀念

2017版新課標把物理觀念置于物理學科核心素養之首,足以表明物理觀念對學生終生發展的重要性．從《標準》對物理觀念的界定中我們可以看到,物理概念、規律是物理觀念的基礎,把握住了概念和規律,就把握住了物理觀念的主體．這就要求我們在教學過程中明確目標,重視知識的形成過程,幫助學生內化知識、深化理解,形成正確觀念．

在“固體”一節中關于物理觀念、教學目標和教學策略可以設計如表1所示.

表1

續表

2 創設問題情境,引導科學探究

“科學探究”是指基于觀察和實驗提出物理問題、形成猜想和假設、設計實驗與制訂方案、獲取和處理信息、基于證據得出結論并作出解釋,以及對科學探究過程和結果進行交流、評估、反思的能力．實驗與探究奠定了物理學的實證基礎,也是形成學生“用實驗驗證假設,用數據表達結論”的良好科學探究素養的實踐基礎．教師在教學設計時應根據教學內容考慮落實科學探究,使其潤物無聲般進入到學生的物理學習中去．

在“固體”的教學中,晶體的各向異性和非晶體的各向同性是教學重點也是教學難點．2003版課標人教版教材和2017版課標人教版教材在內容上都安排了實驗,這部分內容適合培養學生實驗探究素養,因此把教學目標設計為:通過實驗,學生能看到晶體在物理性質上具體各向異性．如何安排才能更有利于學生實驗探究素養的提升呢?

按照培養學生科學探究素養的要求,從“實驗目的、操作過程、觀察記錄處理實驗數據得出結論、實驗評價”等科學實驗要素用問題情景引導學生進行實驗設計:

(1) 實驗目的是什么?

(2) 如何設計實驗方案才能外顯玻璃和云母的導熱性能?

(3) 能根據什么現象得出怎樣的結論?

(4) 影響實驗現象的因素有哪些?

問題(2)和問題(4)比較有挑戰性,培養的是學生設計、制訂實驗方案和對科學探究反思的能力．教學實踐證明:在特定的教學情境里,學生的思維是發散的,甚至是教師始料未及的．對于問題(2)有的學生提出了用溫度傳感器來感測不同方向的傳導熱量;有的學生說能否找到一種物質,熱量傳導所到之處其顏色發生變化?多數學生提出的是用石蠟熔化的方法.這也許學生有這方面的生活經驗,也許是看了課本才有的想法．對于問題(4)多數學生意識到石蠟涂抹得一定要均勻,但在實驗操作中如何才能將石蠟均勻地涂在玻璃片和云母片上呢?由于學生沒有實踐經驗而回答不出來,根據筆者在實驗室的反復摸索得出的竅門是:把融化到冒煙的石蠟倒在用石棉網預熱的玻璃片或云母片上,并迅速抖動即可獲得．有的學生問道:如何才能獲得單晶體的云母片?這確實是實驗成敗的關鍵問題,在網上購得的云母片多是多晶體,筆者向學生介紹了獲取石墨烯方法,學生用封箱的寬膠帶把多層云母片粘成單晶云母片．也有學生問:對電烙鐵有要求嗎?經過討論學生們認為:為了使石蠟迅速融化,其功率應該有一定的要求．另外,為了熱源均勻,本實驗使用的是尖形烙鐵頭,其尖端細小,可理想化為點熱源．為了避免電烙鐵非尖端熱量對石蠟的烘烤,可在薄木片上鉆一略大于尖形烙鐵頭的小孔,讓烙鐵頭通過小孔接觸玻璃片或云母片的背面(實驗裝置如圖1)．

圖1

經過以上問題的思考與討論,學生對此實驗理解得比較透徹,大多數小組觀察到了明顯的實驗現象(如圖2),得到了云母晶體在導熱性能上的各向異性和非晶體玻璃在導熱性能上的各向同性的正確結論．

圖2

3 巧設疑難問題,驅動科學思維

“科學思維”是從物理學視角對客觀事物的本質屬性、內在規律及相互關系的認識方式；是基于經驗事實建構理想模型的抽象概括過程;是分析綜合、推理論證等方法在科學領域得具體運用;是基于事實證據和科學推理對不同觀點和結論提出質疑和批判,進行檢驗和修正,進而提出創造性見解的能力與品格．“科學思維”主要包括模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新等要素．科學思維是從認知方式和過程的維度對學生的物理核心素養提出的要求．

在固體性質的微觀解釋教學中,需要建構微觀模型、要運用到科學推理、科學論證、質疑創新等諸多科學思維要素.這是學生思維能力的體現所在,也是學生核心素養培養的必經過程．筆者設計了以下幾個問題來引導學生思維的進階.

(1) 宏觀與微觀結合是因果分析的基本方法,也是人們探索客觀世界常用方法,你能從學過的知識中列舉幾例嗎?

經過思考和小組討論,學生基本能舉出所學實例:電阻的微觀解釋、電流的微觀表達式、壓強的微觀解釋、安培力與洛倫茲力、渦旋電場等等．通過以上實例的回顧,學生在宏觀層面進行感性認識,在微觀層面進行理性認識,建立了宏觀與微觀的聯系,體悟了“宏微結合”在物理學習中的重要性,理解了“微觀結構決定宏觀性質”的思想,為后續問題的思考引導了方向．

(2) 如圖3表示一個平面上單晶體物質微粒排列的情況,請你觀察沿不同方向相同長度上的物質微粒的數目是否相同?思考晶體為什么具有物理性質的各向異性?你能據此解釋多晶體和非晶體的各向同性嗎？

圖3

(3) 如圖4表示巖鹽(鹽礦中開采的NaCl)晶體的平面結構:實心點為氯離子,空心點為鈉離子,如果把它們用直線連起來,將構成一系列大小相同的正方形,作分界線AA1,使它平行于正方形的對角線, 作分界線BB1,使它平行于正方形的一邊．在兩線的左側各取一個鈉離子M和N,分別以M、N為圓心,作兩個相同的扇形,不考慮扇形以外遠處離子的作用,用F表示兩個相鄰離子之間引力的大小,M、N所受扇形范圍內的正負離子對它作用力的合力是F的多少倍?(為使問題簡化,設所有離子都是質點,而且它們之間的相互作用遵從“平方反比”規律．)根據計算結果解釋:為什么敲碎的巖鹽總是呈立方形狀,而不會沿圖中AA1分界線斷開?[2]

圖4

(4) 食鹽晶體的結構可以用鈉離子和氯離子空間分布晶體結構圖表示(圖5),圖中相鄰離子的中心用線連起來了,組成了一個個大小相等的立方體．現在要估算相鄰兩個鈉離子中心的距離,除了知道食鹽的密度ρ外,還要知道哪些數據?請用字母表示這些已知數據,推導出相鄰兩個鈉離子中心距離的表達式．(提示:圖中最小立方體的個數與離子數目相等．)[2]

圖5

(5) 從石墨烯的六邊形的晶格結構(如圖6),你能推知它具有哪些物理性質?

圖6

力學特性:是目前人類已知的強度最高的物質之一．強度比世界上最好的鋼鐵還要高百倍之多．具有很好的韌性,可彎曲．

電學特性: 電子在石墨烯中“奔跑”的速率(即遷移率)比在硅材料中高出數十倍甚至上百倍,這有利于進一步提高計算機處理器的運算速率．

熱學、光學特性:薄,導熱系數高;透光性好,單層石墨烯透光率高達97.7%.[2]

以上通過“固體”一節的3個教學維度與物理核心素養的結合分析,例說了如何在物理學科教學中落實和踐行核心素養．站在新課標、新教材、新高考的起點,理性分析教材,創造適合的問題情境,尋找到與物理核心素養的結合點,努力探索在課堂教學中落實核心素養的方法和途徑．