基于核心素養的高中物理情境化教學設計
——以“高空拋物”情境教學片段為例

文∣譚海蘭 袁勇

新一輪課程改革強調通過學科核心素養的培養來突出學科的育人價值。《普通高中物理課程標準(2017年版)》提出了物理學科核心素養包含“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態度與責任”四個方面。其中科學思維又包括模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新四個要素。[1]課程標準在教學建議中指出，“創設情境進行物理教學，對培養學生的物理學科核心素養具有關鍵作用”。因為任何知識要具有生命力，都必須作為一個“過程”存在于一定的生活場景、問題情境或思想語境之中。[2]情境是學生認識的橋梁，是知識轉化為素養的橋梁。

一、情境化教學的內涵及作用

情境化教學是教師在教學過程中有意識地引入或創設一定的情境，把知識轉化為與知識產生或具體運用的情境具有相似性結構的組織形式，讓學生參與、體驗類似知識產生或運用過程的情境，從而直觀地、富有意義地、快樂地理解或發現問題乃至創造知識。[3]也就是說，在學習新知識和應用知識的過程中，要注意通過創設情境，促進學生的學習。

情境對教學活動的積極作用包括三個方面。第一，可以有效刺激學生，不僅使學習過程成為對知識本身的接受，更會使學生產生情感的共鳴；第二，可以使枯燥乏味的知識產生豐富的附著點和切實的生長點，讓教育具有深刻的意義；第三，增加了學習活動的生動性、趣味性、直觀性，讓學生在理論知識與應用實踐的交互碰撞中真正理解知識、提升能力。[4]教會學生將所學知識遷移到實際生活中是教學的重要目標，也是困難之一。教育心理學表明，學習遷移依賴于最初學習的情境與后來應用情境之間的相似程度，要使學生能將知識遷移到實踐情境中，我們就必須創造與真實生活中可能遇到的情境相類似的情境，教學生去運用技能。

二、情境化教學路徑

精心研究情境化的教學設計能夠幫助學生構建從真實情境中學習的認知路徑，是知識通往素養的必然要求。《普通高中物理課程標準(2017年版)》提出，對物理學科而言，學生在解決真實情境中的物理問題時，需要將情境中的經歷轉化為物理過程，將情境轉化為物理現象，將文字表述轉化為物理語言，將需要解決的問題轉化為物理問題，建立相應的物理模型，然后利用所學知識進行科學推理和論證，得出相應的物理結論，同時會質疑結論的合理性、可行性，甚至創造性地提出解決問題的方法，最終達到形成和深化物理觀念，同時潛移默化地轉化為進行科學態度與責任的教育。筆者基于對核心素養的理解及多年來進行情境化教學設計的實踐，總結出基于核心素養的情境化教學的一條可行路徑，如圖1所示。

圖1

三、情境化教學案例設計過程及分析

以“高空拋物”情境教學片段為例，具體說明情境教學與核心素養的結合點在哪里，以及如何在情境教學中體現核心素養。

在學生學完動量定理后，利用高空墜物新聞這個情境，根據上面的路徑，進行了基于核心素養的情境化教學設計思路如圖2所示。

圖2

(一)創設情境，提出問題

【教師播放新聞視頻】高空拋物致人死傷的新聞屢見不鮮。2018年3月，東莞三個月大嬰兒被24樓掉下的蘋果砸中導致十級傷殘。2019年6月13日，深圳福田區發生了小孩被一扇從20樓墜落的窗戶砸中的慘劇。2019年6月，無錫江陰的一名小學生在上學途中被一根高處落下的鋼管擊中頭部。高空墜物真的如此危險嗎？一顆小小的蘋果威力如此之大嗎？

【教師播放視頻】實驗者拿著雞蛋、蘋果、塑料花盆分別從不同高度釋放，當高度為25米(約8層樓高)時，蘋果就可以將玻璃砸碎，其他重物或者更高的樓層就更危險了。

學生在觀看視頻后，非常震撼；教師適時提出問題：“高空拋物如此危險，背后的物理原理是什么？一個小小的蘋果為何能產生如此大的作用力？影響作用力大小的因素有哪些呢？”

真實情境的問題有利于激發學生探究的興趣，與實際生活相關，容易產生共鳴。觀看實驗或者參與實驗，喚起學生內心的感受，除了引起學生的興趣，還能引導學生將真實情境的問題“高空拋物的危險性”轉化為物理問題“高空拋物的作用力大小”。

(二)情境轉化，確立模型

在確定了研究問題之后，接下來就是要引導學生將真實情境轉化為熟悉的物理情境、物理模型。教師提出問題：重物從高空墜下，如果簡化條件，可以看成什么運動？視頻實驗中，為什么高度相同時，越重的物體墜落，殺傷力越大呢？

引導學生思考：不考慮空氣阻力作用，高空拋物可看成拋體運動(故意拋物)或者自由落體運動(無意墜落)，重物拋出的速度不同，遵循的運動學規律也不同。如果以視頻中演示實驗為例，雞蛋、蘋果、塑料花盆等重物墜下過程可以看成自由落體運動。重物傷人的危害過程是在重物與人作用的極短時間內，即碰撞的短暫過程，因此將重物傷人過程轉化為物理問題“碰撞”。由此高空拋物傷人過程分為兩個物理過程：重物自由下落和重物與人的碰撞過程。

解決真實情境問題的關鍵是將其轉化為物理問題，建構物理模型。通過引導學生適當忽略次要因素，抓住主要因素，簡化條件，使學生將高空拋物傷人情境與熟悉的拋體運動(自由落體)、碰撞模型建立起對應聯系，從而確立解決問題的模型。一方面，在情境轉化為物理問題、物理過程的過程中，需要學生掌握一定的物理方法，熟悉已有的一些模型。另一方面，這個過程對于培養學生的能力是最為顯著的。因此，在平時的教學中，讓學生多經歷真實情境問題解決的訓練是非常必要的。

(三)推理論證，解釋問題

推理和論證過程往往是聯系在一起的。學生以學過的物理概念、規律為證據，通過一系列的演繹分析，得出可靠的結論。推理過程可從定性和定量兩方面進行。

（2）在沒有維修標準的情況下，對關鍵數據進行計算、認證。如，在沒有活塞環閉口間隙標準值的情況下，不能將活塞環作為“標準件”直接安裝；

1.定性分析

分析拋物的質量和下落高度對人的作用力大小的影響。

根據動量定理FΔt=mΔv，作用時間一定時，物體的質量越大，速度變化越大，則作用力越大。因此拋物的高度越高，砸到人時速度就越快，殺傷力就越大；又由于作用時間極短，所以作用力極大，對人的傷害極大。通過此分析過程，學生對動量定理有了更深刻的理解，可以同時拓展，讓學生列舉和解釋生活中緩沖的原理。設置多樣化情境促進學生對規律的理解和應用。

2.定量計算

從定性分析到定量計算，推理分析更具有邏輯性，更加嚴密。學生需要根據學過的知識和規律，對前面確立的物理模型和過程進行分析，再通過計算比較，獲得可靠證據來解釋自己的結論，同時養成估計生活中有關物理量大小的習慣。在這個過程中，學生的證據意識、推理能力、科學論證能力都能得到相應提升。

(四)質疑釋疑，交流評估

【學生討論】重物下落過程中的阻力與物體質量和形狀(密度)、下落速度均有關系，是個比較復雜的過程，前面我們討論蘋果、鋼管等物體的下落，考慮到其密度不是太小，下落高度(速度)相對不大，忽略其阻力的影響是合理的。實際的拋物傷害還應考慮物體的形狀(尖銳程度)、材質、拋出速度等。

實際上，子彈的殺傷力不僅在于它對目標的作用力大小，還在于它攜帶的能量。教師可引導學生從能量角度去探究一下高空拋物的破壞力，試估算前面蘋果落地時所具有的動能。

通過模型研究顯然忽略了許多因素，在習題教學中學生是不需要考慮的;但聯系真實情境，學生肯定會質疑，所以要評估結論的合理性。在這個過程中，學生的質疑意識得到強化。核心素養中對于質疑創新的最高水平要求就是能考慮證據本身的科學性，恰當使用證據，從多個視角審視檢驗結論。這里通過從力和能量兩個角度來解釋高空拋物的危害，來檢驗結論的可靠性，使學生的思維達到較高的學業水平。同時讓學生從不同角度看待解釋問題，認識科學問題的本質。

(五)問題延伸，情感升華

通過上述教學，學生對高空拋物的物理原理已經清楚了，深刻了解到高空拋物的危害，單純的知識教學已經完成，教師還可以進行以下升華，讓學生思考如何避免高空拋物的傷害。利用小組合作的方式，引導學生從個人、社會等各方面進行思考，探討如何成為合格有素養的公民，以及為營造安全社會環境個人應承擔哪些責任等。

物理教學不能以單純地傳遞知識或者訓練思維為目標，而應時刻牢記“立德樹人”才是根本任務。培養學生的社會責任感，提高國民素質，使學生形成正確的價值觀，讓學生在解決真實情境問題的過程中提升核心素養。

四、情境化教學的啟示

情境化的課堂教學不僅能夠提升學生的科學思維能力，還能加深他們對相應的概念和規律的理解，更有助于他們形成物理觀念。同時，解決問題的過程也是科學探究的過程，學生能夠進一步提升科學探究能力，增強實踐意識，養成科學態度，促進物理核心素養的形成。因此，情境化課堂教學在促進核心素養在課堂中的落地上是非常有效的。情境化教學設計可以依據以下三個方面進行。

(一)創設教學情境的方式多樣化

物理學科的教學情境來源主要有生活經驗和現象、實驗探究、物理學史、新聞公告等。其中生活經驗與現象和學生聯系緊密，學生可以親身體驗和感受，從而激起極大的興趣。實驗探究對于提升學生的科學探究能力、探尋科學的本質、理解物理概念和規律等起到不可替代的作用。帶領學生重溫物理學史，重走科學家的發現之路，不僅能使學生了解知識的來龍去脈，還能對學生的科學態度和情感進行無聲的熏陶。信息化時代，學生被信息包圍，明辨信息真偽的能力尤為重要，利用新聞報道創設情境進行教學，順應信息化教學的潮流。“如何獲取有價值的情境應用于物理課堂教學”需要教師具有學科意識和敏銳的學科嗅覺，平時有意識地收集相應材料，挖掘其中的教學價值。本文的教學情境就是來源于新聞。

(二)教學情境要為教學服務

教學情境的創設要以實現教學目標為目的，其隱含的問題要有啟發性，能夠引起學生的思考，難易程度要符合學生的實際水平，保證大多數學生在課堂上能夠處于積極思考的狀態。利用其生動、形象的特點，在激發學生興趣的同時，引起學生情感共鳴。教師在創設情境時，盡量從學科特點考慮，體現學科知識在生活中的意義和價值。

(三)教學情境與教學內容深度融合

在不少課堂上，有的教師只是將情境作為課堂的引入，目的是激發學生的學習興趣，后續的教學中便棄之不用。有的教師追求課堂的熱鬧，一節課設置的情境過多，相互之間沒有邏輯關系，學生眼花繚亂，沉浸于情境中無所適從，這樣的情境有喧賓奪主之嫌。這些都是在創設情境時，沒有考慮情境與教學內容的融合造成的。情境與教學內容的契合度越高，越有助于學生對教學內容的理解。本文所設置的高空拋物情境貫穿課堂教學始終，與動量、能量知識契合，學生的思維能夠比較集中。如果一節課需要設置多個教學情境，則需要進行必要的整合，突出主題情境，圍繞主題內容，切不可簡單堆砌了事。

把知識還原到情境中，把知識應用到解決真實情境問題中，摒棄枯燥、僵化的單純知識教學、習題教學，不僅能夠提高學生知識接受的效率，還能提升學生的核心素養和綜合能力。這就要求教師在教學中，以核心素養為目標，以學生的學習為導向，用情境搭建起知識通往素養的橋梁。