基于核心素養(yǎng)的物理概念建構(gòu)教學(xué)

林少顏

摘? ?要：針對物理概念教學(xué)效果不理想的問題，以“單擺”教學(xué)為例，通過創(chuàng)設(shè)情境、提出概念模型、滲透科學(xué)方法、得出模型特征、著力科學(xué)探究、總結(jié)物理規(guī)律、應(yīng)用生活實(shí)際、深化概念認(rèn)識，提出物理概念建構(gòu)教學(xué)策略，以期達(dá)到概念教學(xué)的完整性和有效性，進(jìn)而提高物理概念教學(xué)的效果。

關(guān)鍵詞：中學(xué)物理;物理概念;核心素養(yǎng);教學(xué)策略;單擺

中圖分類號：G633.7? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? 文章編號：1009-010X（2021）29-0034-04

一、物理概念教學(xué)的現(xiàn)狀

概念是反映事物本質(zhì)屬性的思維產(chǎn)物，也是人腦在感覺、知覺和表象的基礎(chǔ)上，對感性材料進(jìn)行去粗取精、去偽存真、由此及彼、由表及里的思維加工和改造的產(chǎn)物。物理概念抽象難懂，因此物理概念教學(xué)往往是物理教學(xué)中的難點(diǎn)。在常規(guī)的授課中，物理教師經(jīng)常直接拋出物理概念，并一帶而過，或者對概念的辨析只停留在表層，學(xué)生只能被動接受難懂的物理概念，所以概念教學(xué)的效果很不理想。究其原因，是因?yàn)槲锢斫處熀鲆曃锢砀拍畹闹匾裕虒W(xué)過程過于功利，輕視學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)導(dǎo)致的。

二、實(shí)施物理概念建構(gòu)教學(xué)的策略

實(shí)施物理概念教學(xué)是幫助學(xué)生形成正確的物理觀念，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維、科學(xué)探究精神、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任感的良好契機(jī)。物理概念建構(gòu)教學(xué)即將模型建構(gòu)的過程（抽象、表征、分析、認(rèn)識）運(yùn)用于物理概念的建立、特征分析和規(guī)律應(yīng)用中。物理概念建構(gòu)教學(xué)是實(shí)施核心素養(yǎng)教育的重要方式，筆者結(jié)合自身的教學(xué)實(shí)踐及聽評課交流活動，以“單擺”教學(xué)為例，就物理概念建構(gòu)教學(xué)，談?wù)勛约旱目捶ā?/p>

（一）創(chuàng)設(shè)真實(shí)的情境，親身體驗(yàn)，提出概念模型

真實(shí)的情境來源于生活場景、周邊素材、現(xiàn)成的實(shí)驗(yàn)裝置、教具等。體驗(yàn)即為親身經(jīng)歷。通過真實(shí)體驗(yàn)初步認(rèn)識周邊的事物，這種體驗(yàn)往往是淺層次的，與嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)事實(shí)可能有一定的偏差，甚至?xí)霈F(xiàn)情感沖突。雖然如此，但體驗(yàn)過程還是必不可少的。因?yàn)楦拍畹奶岢鲂杌谡鎸?shí)的情境，只有讓學(xué)生親自體驗(yàn)，獲取感性認(rèn)識，才能進(jìn)一步提出概念模型。

活動1 教師展示自制教具，即各種各樣的類似單擺的模型。有麻繩連接小鋼球、橡皮筋連接小鋼球、細(xì)繩連接乒乓球、細(xì)繩連接小鋼球等等。

師：當(dāng)我們研究物理問題時(shí)，往往從最簡單的問題入手，如果你要研究連著繩子的小球來回?cái)[動的情況，你會選擇哪個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置呢？為什么？

生：不選擇麻繩連接的小球，因?yàn)槁槔K的質(zhì)量大，對研究小球擺動情況的影響也很大;也不選擇橡皮筋連接的小球，因?yàn)樾∏蛟趤砘財(cái)[動的過程中，橡皮筋會伸長，這樣的研究過程過于復(fù)雜;也不選擇乒乓球，因?yàn)榭諝庾枇ζ古仪虻挠绊懞艽螅@樣一來乒乓球很快就會停止擺動。

經(jīng)師生互動可得出：要選擇連接細(xì)繩的小鋼球?yàn)檠芯繂螖[的模型，因?yàn)槠淇諝庾枇π。?xì)繩質(zhì)量輕，繩子不可伸縮，影響因素少。

評析：在日常單擺概念的教學(xué)過程中，我們往往忽視了上述引導(dǎo)過程，一般直截了當(dāng)?shù)氐贸鰡螖[模型——繩子要細(xì)繩，這樣質(zhì)量可忽略且不可伸縮，擺球的質(zhì)量要大密度也要大，這樣空氣阻力小。而上述教學(xué)過程體現(xiàn)了單擺概念的建構(gòu)過程，即教師不直接問單擺模型是什么樣的，而是從研究物理問題的便利性、簡易性出發(fā)，逐步引導(dǎo)學(xué)生得出單擺的概念。該過程充分體現(xiàn)出學(xué)生的主體地位，教師通過自制教具設(shè)置具有引導(dǎo)性的問題情境，學(xué)生甚至可以上臺擺弄一下實(shí)驗(yàn)裝置，有了充分的親身體驗(yàn)，學(xué)生自然就能夠輕松得出單擺模型，且不需要教師過度強(qiáng)調(diào)，單擺模型的建構(gòu)就能深入人心。

（二）滲透科學(xué)方法，培養(yǎng)科學(xué)思維，得出簡諧運(yùn)動的特征

在物理教學(xué)中靈活應(yīng)用科學(xué)方法，不僅可以有效促進(jìn)學(xué)生的知識遷移，還可以將抽象的概念形象化，進(jìn)而促進(jìn)學(xué)生深度理解相關(guān)知識。當(dāng)一個(gè)物理模型建立好后，接下來的任務(wù)就是研究該模型的特征，讓這個(gè)物理模型“有血有肉”。該過程往往包含著豐富的科學(xué)方法，因此教師在該教學(xué)環(huán)節(jié)應(yīng)重點(diǎn)滲透科學(xué)方法的教育，以培養(yǎng)并提升學(xué)生的科學(xué)思維品質(zhì)。常見的研究物理問題的科學(xué)方法有：控制變量法、等效替代法、理想模型法、轉(zhuǎn)化法、比值定義法、極限法、歸納法、類比法、近似法……

活動2 單擺做機(jī)械振動，同時(shí)也是圓周運(yùn)動。曲線運(yùn)動切向方向的力改變速度的大小，法向方向的力改變速度的方向。按照這個(gè)思路，如圖1所示，分析單擺的受力情況。

師：回顧簡諧運(yùn)動的概念及特征。

生：簡諧運(yùn)動的振動圖像是正弦圖像，動力學(xué)特征滿足回復(fù)力F=-kx.

師：我們可以從這兩個(gè)途徑，探究單擺運(yùn)動是否是簡諧運(yùn)動：1.我們從單擺的動力學(xué)特征分析;2.單擺運(yùn)動是機(jī)械振動，同時(shí)也是變速圓周運(yùn)動，變速圓周運(yùn)動應(yīng)如何分析？

生：受力分析，切向法向分解力。法向方向的合力即為向心力改變速度的方向，切向方向的力改變速度的大小。切向方向的力F=mgsinθ.

師：回復(fù)力、平衡位置的概念是什么？單擺振動過程中的平衡位置是哪個(gè)？回復(fù)力是什么？

生：平衡位置在最低點(diǎn)時(shí)，回復(fù)力為F=mgsinθ.（平衡位置確定無疑，但回復(fù)力有些遲疑，切向方向的力并不是嚴(yán)格地指向平衡位置，而是有點(diǎn)偏差。）

師：如何最大程度地減小這種偏差？

生：單擺的擺角越小，切向方向就越接近回復(fù)力的方向。

師：既然如此，我們就研究單擺模型的小角度擺動情況。當(dāng)角度θ很小時(shí)，切向方向上的力即為回復(fù)力，回復(fù)力F=mgsinθ。簡諧運(yùn)動的動力學(xué)公式與位移x有關(guān)，下面請同學(xué)們對其做進(jìn)一步的推導(dǎo)。

生：引導(dǎo)學(xué)生得出sinθ≈θ=s/L≈x/L，即F=mgx/L，考慮F與x的方向相反，所以F=-mgx/L。由此可得出結(jié)論：單擺小角度振動時(shí)做的是簡諧運(yùn)動。

評析：在以上分析過程中滲透著研究物理問題的科學(xué)方法——近似法。在該教學(xué)過程中，教師不是直接告知學(xué)生我要近似處理，而是通過回顧回復(fù)力、平衡位置等概念，讓學(xué)生分析單擺振動過程中的回復(fù)力、平衡位置是什么。在分析回復(fù)力時(shí)，學(xué)生產(chǎn)生了認(rèn)知沖突，需要進(jìn)行修正，由此得出了解決問題的辦法——擺角θ要很小。在該過程中教師不直接提近似法，而是將近似法滲透其中。

活動3 教師引導(dǎo)學(xué)生回顧簡諧運(yùn)動的x-T圖像是正弦函數(shù)的圖像，然后展示單擺簡諧運(yùn)動圖像演示儀，并介紹實(shí)驗(yàn)儀器。教師引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)真觀察實(shí)驗(yàn)裝置，并著重引導(dǎo)學(xué)生將時(shí)間軸與紙板的勻速直線運(yùn)動等效起來。然后演示實(shí)驗(yàn)儀器，并通過攝像頭將實(shí)驗(yàn)過程投影到電子屏幕上，然后將實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示給學(xué)生，如圖2所示，由此粗略得出單擺簡諧運(yùn)動的圖像。

評析：該教學(xué)環(huán)節(jié)滲透著類比、等效替代等物理思想，通過類比視頻播放的幀回放，學(xué)生很容易理解、接受時(shí)間軸與紙板的勻速直線運(yùn)動是等效替代關(guān)系。

（三）著力科學(xué)探究，培養(yǎng)探究精神，探索單擺運(yùn)動的周期規(guī)律

科學(xué)探究應(yīng)滲透于整個(gè)物理教學(xué)過程中。學(xué)生經(jīng)歷了單擺模型的建構(gòu)并分析了其運(yùn)動特征后，對單擺模型的特點(diǎn)有了更為清晰的認(rèn)識，再經(jīng)過探究過程，就更有利于學(xué)生形成正確的物理觀念，掌握正確的科學(xué)方法，形成科學(xué)思維，進(jìn)而可為學(xué)生的終身學(xué)習(xí)和發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

活動4教師出示單擺模型，并讓單擺小角度振動，然后提問單擺振動的快慢與什么因素有關(guān)。對此學(xué)生提出猜想并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，教師改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案。最后得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，并對實(shí)驗(yàn)結(jié)論進(jìn)行交流、評估。

師：出示單擺模型，提出問題——單擺的振動快慢可以用什么來描述，單擺的振動周期跟什么因素有關(guān)。

生：學(xué)生擺弄單擺模型，提出猜想——單擺的振動周期可能跟擺球的質(zhì)量m、擺繩的長度L、擺角θ等因素有關(guān)。

師：同學(xué)們根據(jù)自己提出的猜想，通過實(shí)驗(yàn)探究單擺周期與什么因素有關(guān)。為節(jié)約時(shí)間，可采取分組探究的方式。不同的小組，探究內(nèi)容不同。

生：利用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置（單擺、秒表等），分小組合作探究，并填寫表1～3，由此得出結(jié)論：單擺周期與擺球的質(zhì)量m、擺角θ無關(guān)，與擺長L有關(guān)。

活動5 師生配合，利用傳感器測量多組單擺周期T、擺長L，并填入表4，擬合T²-L圖像，定量探究單擺周期T與擺長L的關(guān)系，由此得出單擺周期公式。

評析：在該教學(xué)環(huán)節(jié)中，教師不直接給出結(jié)論，而是通過一步步地引導(dǎo)，讓學(xué)生提出猜想，并通過分組實(shí)驗(yàn)，小組內(nèi)交流討論，讓學(xué)生驗(yàn)證自己猜想的準(zhǔn)確性，由此得出小組結(jié)論。然后再通過小組間交流，互換小組信息。在此過程中，學(xué)生既經(jīng)歷了充分的探究過程，又高效完成了探究任務(wù)。而對于周期與擺長定量關(guān)系的探究，則可選用驗(yàn)證的方式，即教師與幾位學(xué)生配合演示，利用DIS傳感器等設(shè)備及信息技術(shù)手段，提高課堂效率，進(jìn)而得出定量關(guān)系。

（四）回歸生活實(shí)際，應(yīng)用概念規(guī)律，深化對概念的認(rèn)識

在教學(xué)中，教師要引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合具體情境構(gòu)建物理模型，尋求應(yīng)用物理知識解決實(shí)際問題的方案，并引導(dǎo)學(xué)生從“解題”轉(zhuǎn)變?yōu)椤敖鉀Q問題”。

師：出示鐘擺圖片、動畫或?qū)嵨镧姅[，引導(dǎo)學(xué)生觀察并提出問題：“鐘擺與我們今天所學(xué)的單擺有什么相同之處？鐘擺的擺動特征有哪些？如何制作鐘擺？”

生：課后交流討論，下節(jié)課匯報(bào)。

評析：通過單擺在生活中的應(yīng)用，物理模型的建構(gòu)又回歸到了生活實(shí)際中，形成了從真實(shí)情境（生活實(shí)際）到物理模型的建構(gòu)再到生活應(yīng)用的一個(gè)循環(huán)。該教學(xué)環(huán)節(jié)為本節(jié)課結(jié)束后的升華，教師不給出結(jié)論，而是拋出問題，由學(xué)生課后去探討、研究，待下節(jié)課再把問題拿出來討論，如此可讓學(xué)生養(yǎng)成利用物理知識主動解決生活實(shí)際問題的習(xí)慣。

三、結(jié)論與反思

（一）模型建構(gòu)的指向性

即在提出物理模型前，教師以問題為引領(lǐng)，創(chuàng)設(shè)與物理概念模型關(guān)聯(lián)性高的問題情境。關(guān)聯(lián)性越高、指向性就越強(qiáng)，指向性越強(qiáng)就越有利于學(xué)生在問題情境中潛移默化地完成物理概念的建構(gòu)。

（二）科學(xué)思維方法滲透的有效性

有效的科學(xué)方法滲透是指當(dāng)我們在處理物理問題時(shí)，因某種需要而需用到相應(yīng)的方法，以達(dá)到化繁為簡、解決問題或得出相應(yīng)概念、結(jié)論的目的。而不是介紹科學(xué)方法，或直接告知套入使用。

（三）實(shí)驗(yàn)探究的多樣性

完整的科學(xué)探究包含多個(gè)步驟，有時(shí)候探究內(nèi)容很多，但由于課堂上各種條件的限制，所以我們需要有選擇性、多樣性地開展實(shí)驗(yàn)探究。例如分小組探究不同的內(nèi)容，然后再進(jìn)行小組間的交流;分組探究與演示探究相結(jié)合;傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與DIS傳感器相結(jié)合;應(yīng)用現(xiàn)代教育的技術(shù)手段等等。靈活應(yīng)用多種探究方式，既能培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究精神，又能提高課堂教學(xué)效率。將實(shí)驗(yàn)探究應(yīng)用于概念教學(xué)，在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究核心素養(yǎng)等方面也有較大的教育功效。

（四）概念建構(gòu)的完整性

基于核心素養(yǎng)的物理概念建構(gòu)教學(xué)，應(yīng)以生活中的具體事物為依托，由此創(chuàng)設(shè)問題情境，讓學(xué)生親身體驗(yàn)，并在問題的引領(lǐng)下形成初步的概念模型，然后再恰當(dāng)應(yīng)用科學(xué)方法探究得出該模型的特征，以此深化物理概念，并將其最后應(yīng)用于生活實(shí)際中，由此可實(shí)現(xiàn)物理概念規(guī)律的應(yīng)用回歸到生活情境。基于核心素養(yǎng)的物理概念建構(gòu)教學(xué)策略的框架如圖3所示。

【責(zé)任編輯 韓梁彥】