增量提質：在物理常態課堂中落實科學探究素養

張惠作

摘? ? 要：落實科學探究素養需要“增量”和“提質”，但高中物理教材關于科學探究的滲透特點是明線少暗線多，因此教師必須對教材進行二度開發。教師可從課時數量上將科學探究的課堂樣態劃分為單課時樣態和單元樣態，以更精確地發現或挖掘教材暗線上的科學探究價值，開發更多的科學探究案例。然后，以此為基礎，從夯實科學探究教學過程出發，以科學思維為中心，以學生為主體，提供充分的時間，保障科學探究的深度開展。

關鍵詞：科學探究;課堂樣態;物理教學

當前，以科學探究形式開展的教學僅限于教材中明確標明“探究”的內容，而且往往是走形式，缺乏深度體驗。因此，落實科學探究素養需要“增量”和“提質”。“增量”就是增加科學探究的數量，讓學生經歷充分的科學探究過程;“提質”就是提高科學探究教學過程的實效，引領學生深度體驗，避免走形式。高中物理教材雖然整體上是以探究的思路展開的[1]，然而其關于科學探究的滲透具有明線少暗線多的特點，且明線上粗枝大葉，暗線上形散意不散，因此教師必須對教材進行二度開發。下面，筆者重點談兩個策略。第一個是“增量”，即認識科學探究的課堂樣態，從教材暗線上開發更多的科學探究案例。第二個是“提質”，即夯實科學探究教學過程，提升實效，避免走形式。

一、增量：認識科學探究的課堂樣態

從課時數量上，筆者將科學探究的課堂樣態劃分為單課時樣態和單元樣態。認識科學探究的課堂樣態，就能發現或挖掘教材暗線上的科學探究價值，開發更多的科學探究案例。

（一）單課時樣態

科學探究的單課時樣態就是在1個課時以內呈現完整的或主要的科學探究要素（問題、證據、解釋和交流），適合的教學內容有兩類：物理學史類和采集證據容易（耗時少）類。

1.物理學史類

不少物理學史教學內容，比較完整地介紹科學家的科學探究過程，使學生體驗科學探究的主要要素，了解科學探究的大致程序，習得科學探究的形式。例如，伽利略對自由落體運動的研究。伽利略首先通過邏輯推理對亞里士多德的觀點提出質疑并發現問題，再通過推理判斷輕重物體下落一樣快，然后通過比薩斜塔實驗驗證。在此基礎上進一步提出新問題：自由落體運動的性質及其規律是什么？最后設計實驗并結合邏輯推理，探究自由落體的規律。又如，伽利略對運動原因的研究，牛頓發現萬有引力定律的思路，原子結構模型的探究等，都可以在1個課時內呈現完整的探究要素及基本的探究流程。

2.采集證據容易類

哪些教學內容的科學探究采集證據容易呢？一是理論探究，證據是理論證據;二是簡單的實驗探究，證據主要通過教師演示實驗獲得。

【案例1】功的計算公式科學探究

運用具體情境，復習初中功的計算。在此基礎上，呈現新情境（圖略）。提出任務：請計算F的功。

任務導引：（1）完成此任務所面臨的困難是什么？把它描述成一個有待解決的問題;（2）回顧初中所學功的知識，聯系高中相關知識，找到解決問題的證據;（3）運用證據，通過推理得出結果，并作出解釋;（4）先獨立思考3分鐘，然后相互交流討論3分鐘，完成任務限時6分鐘。

學生由初中已經掌握的兩種特殊情形的功的計算，聯想并運用高中所學力的分解或位移分解這一理論證據，再通過推理解決問題，完成任務。

【案例2】彈力產生條件實驗探究

第一步：觀察和體驗三個明顯形變的彈力相互作用的實例，歸納出彈力產生條件。第二步：呈現微小形變的實例，生成問題“形變是否是必要條件”。第三步：假設此條件仍適用新實例，設計微小形變放大實驗驗證。這個實驗主要由教師設計并準備好，課堂上主要由教師演示。

以上兩個案例所用時間都小于1個課時，卻能將科學探究的主要要素都體現出來。

（二）單元樣態

采集證據耗時較長的教學內容，如以學生為主做實驗并收集證據，單課時就不能呈現完整的科學探究要素，需要從單元視角，以科學探究為主題，將多課時教學內容統整為一個單元，從整體上把握各個課時體現的要素。需要注意的是，多個課時必須各有側重且密切聯系，以形成完整的科學探究學習歷程。這就是科學探究的單元樣態，它一方面要避免無視科學探究，一方面要避免一節課只顧要素形式而忽視過程實質，其主旨在于既將科學探究要素各個擊破、深度落實，又從整體上體驗領會科學探究之形。

【案例3】勻變速運動規律探究

從單元視角看，人教版普通高中教科書《物理》（以下簡稱“新教材”）必修第一冊第二章把對勻變速運動規律的探究分成3節課。第1節是“實驗：探究小車速度隨時間變化的規律”，第2節是“勻變速直線運動的速度與時間的關系”，第3節是“勻變速直線運動的位移與時間的關系”，這3節合起來構成了對勻變速直線運動規律的完整的科學探究過程。第1節完成問題和證據要素，第2節和第3節完成解釋與交流要素。第1節的實驗，其實就是第2節和第3節的實踐情境，基于實驗數據所作的速度圖像就是第2節和第3節的教學情境。

二、提質：夯實科學探究的教學過程

筆者主要探討從以下三個方面呈現夯實科學探究的教學過程。

首先，科學探究過程要以科學思維為中心。科學探究的主要要素包括問題、證據、解釋和交流，無論哪一種要素，都離不開科學思維的支撐。科學思維缺席的科學探究，就是徒有其形而無其實，就是花拳繡腿。科學探究是人類認識事物的戰略性思維方法，科學思維是人類認識事物的戰術性思維方法，二者密切融合能夠匯聚為強大的思考力。夯實科學探究過程，要以科學探究要素流程布局，以科學思維為中心，按照科學思維的內在邏輯展開探究過程。

其次，科學探究過程要以學生為主體。教師要以學生的認知基礎和規律為出發點和線索，分解教學活動任務，把握教學節奏，推進教學過程，引導學生運用科學思維自主提出問題、尋找證據，自主運用證據進行解釋并積極交流。

再次，科學探究過程要有充分的時間保障。許多科學探究的內容往往很多，但在課堂教學實踐中由于時間不夠用，導致不少要素沒有讓學生展開。學生缺乏進行科學思維的時間，只能由教師領著快速完成探究程序。這種科學探究設計，只能使課堂實踐流于形式。好的科學探究過程設計必須：一要有充分的時間保障;二要找準重難點，把時間多配置于重難點上，非重難點則能舍則舍，要做到容量合理、重難點突出、教學關系處理適切，避免撿芝麻丟西瓜。

下面，筆者以新教材必修第二冊第八章第4節《機械能守恒定律》的教學為例說明。

（一）突出重點保障科學探究時間充分

新教材中該節的教學邏輯是：從伽利略斜面實驗討論開始，在實驗過程中分析變化量與不變量，在此基礎上討論動能和重力勢能的相互轉化，然后推理出機械能守恒定律，將推理過程和對機械能守恒條件的深入理解結合起來。

從該內容的部分公開課可見，有的執教者會把驗證機械能守恒的實驗也設計進來。

新教材的教學邏輯和公開課的教學邏輯存在教學重點不突出的問題，這會導致作為重點內容的科學探究教學，沒有充分的時間去落實。

1.從單元視角把握課型定準重點

第八章標題與第4節標題完全一樣，都是“機械能守恒定律”。第八章共包括5節內容，筆者認為可劃分為3個小單元，圍繞3個小主題。第1節“功與功率”為第一單元，主題是掌握定量認識能量的工具;第2節“重力勢能”和第3節“動能和動能定理”兩節為第二單元，主題是根據功定量認識重力勢能和動能及兩個重要的功能關系;第4節“機械能守恒定律”和第5節“實驗：驗證機械能守恒定律”兩節為第三單元，主題是運用邏輯和實驗結合的物理學方法，通過理論探究和實驗驗證相結合，從能量角度總體上把握機械運動的規律。

第三單元的教學建議用4個課時，第4、5節各2個課時。第4節定性為理論探究機械能守恒定律;第5節是通過實驗對前一節理論探究的結論進行驗證，定性為實驗探究。兩節聯袂，體現了邏輯推理與實驗相結合的物理方法。再把第4節的2個課時劃分為第1課時新授課和第2課時習題課。第1課時新授課定性為理性課，即通過理論探究的學習形式，以及分析綜合、推理論證等科學思維過程，建立機械能概念和守恒定律。重難點是理解機械能概念以及機械能守恒定律的守恒條件和內涵。第一課時新授課的教學，部分公開課還設計了驗證實驗，這是缺乏從單元視角進行整體把握的表現，所謂貪多嚼不爛，把第5節實驗課的內容前移，會使這節理性課的理性思考時間減少，難以保證理性思考的深度展開，讓學習流于淺層，無法突出重點、突破難點。

2.合情合理處置非重點內容以突出重點

“追尋守恒量”在普通高中課程標準實驗教科書《物理》（以下簡稱“舊教材”）中被單獨編寫為一節，安排在整章之首;新教材刪去這一節，把部分內容并入第4節，安排在節首。對此，教材編寫者作了下述解釋。

舊教材將“追尋守恒量”放到了具體的概念如重力勢能、彈性勢能、動能之前，即從追尋守恒量出發引出能量概念，把守恒思想的滲透貫穿于能量學習的全過程。通過調查發現，這種寫法盡管立意很高，得到了一些老師的認同，但也有很多老師由于課時等原因，并沒有單獨安排這節課的教學，因此并沒有達成預期的效果。從方便教師開展教學的角度，新教材沒有把“追尋守恒量”單獨編為一節，而是放在第 4 節“機械能守恒定律”當中。[2]

筆者認為，沒有達成預期效果的根本原因是不合情理。能量概念的建立和守恒思想的形成是人類歷史上眾多智者經歷了漫長的接力，于探索真理的過程中逐步形成的，欲使蕓蕓眾生在1個課時的時間內自主體悟、深度體驗，根本不可能。這部分內容屬于物理學史，旨在將物理學家的思想觀念顯性地傳授給學生，要么學生自己閱讀，要么教師介紹，而學生自己閱讀的效果并不比教師講授差。因此，“追尋守恒量”適宜安排在課外，讓學生閱讀。如此，我們就可把時間配置到引導學生自主探究機械能概念及其發現守恒的過程，確保有充分的時間保障重點知識的深度學習發生。

（二）以學生為主體、以科學思維為中心，設計科學探究過程

明確和突出重點之后，筆者先以科學探究要素流程布局，以科學思維為中心，按照科學思維的內在邏輯展開探究過程，然后以學生的認知基礎和認知規律為出發點和線索分解教學活動任務，把握教學節奏推進教學過程，以體現學生的主體作用。

【案例4】“機械能守恒定律”科學探究過程設計

1.導入設計

復習提問：重力勢能變化與什么力的功密切相關，有什么關系？動能變化與什么力的功密切相關，有什么關系？

導入主題：今天這節課的任務是運用這些規律，進一步從能量角度分析機械運動，探索出新規律。

2.新課教學

任務1：請同學們觀察擺球運動，分析動能和重力勢能如何變化。（教師演示球擺動，學生觀察思考問題）

任務2：請再分析球在自由下落過程中，動能和重力勢能如何變化。（學生分析）

任務3：請你用成語概括出球在擺動和自由下落兩種運動過程中，動能變化與重力勢能變化的共同特征。對此，你有何猜想？請從能量角度提出一個定量研究的問題。

[特征：“此消彼長”。猜想：是不是相互轉化了？問題：重力勢能減少（或增加）量是否等于動能增加（或減少）量？假設：重力勢能與動能相互轉化，重力勢能減少（或增加）量等于動能增加（或減少）量]

任務4：請同學們尋找證據，驗證假設。（提示學生：證據一般可分為理論證據和實驗證據，這節課要求大家回顧已學知識，從中尋找證據，至于設計實驗方案、采集實驗證據將放在后面的課時;先自主思考2分鐘，然后相互交流討論2分鐘）

任務5：接下來，請以理論證據“動能定理”和“重力做功與重力勢能變化的關系”，選擇下列情境之一，進行推理，給出結論并解釋。（教師呈現若干情境，學生選擇推導，嘗試給出結論并解釋）

任務6：交流、評價（統一認識）。[結論1：只有重力做功，物體的動能和重力勢能相互轉化，動能的增加（或減少）量等于重力勢能的減少（或增加）量。結論2：有阻力（其他力）做功，物體的動能和重力勢能沒有完全相互轉化，動能的增加（或減少）量不等于重力勢能的減少（或增加）量]

任務7：概念進階，轉換視角。請嘗試建立一個“更大”的能量概念，并轉換新的視角，換種說法把結論1描述出來。建構“機械能概念”，發現“守恒定律”。強調“條件”，點明“思想”。

新教材的教學邏輯是先滲透守恒思想，在這一思想支配下，建立機械能概念，然后再通過推理得出并理解機械能守恒定律。如此，學生對新知識的學習就建立在被動接受的觀念上，建構的新知識和原有知識之間的聯系不緊密。案例4根據意義建構學習理論，設計的探究起點是學生已學過的功能關系，由此引導學生運用已有知識對不同機械運動現象進行分析與綜合、比較與概括等科學思考，自主提出能想得到的問題，逐步將問題延伸到守恒的高度和深度。[□][◢]

參考文獻：

[1]張穎.以核心素養為統領的高中物理教材編寫——2019版普通高中物理（人教版）教材介紹[J].基礎教育課程，2020（11）：57-64.

[2]張穎.人教版《第八章? ?機械能守恒定律》編寫說明[J].中學物理，2019（12）：2-5.