核心素養導向下“一堂好的物理課”的探討

王素云 張 鵡

（1.福建師范大學物理與能源學院，福建 福州 350108；2.晉江市僑聲中學，福建 晉江 362271）

教育的核心使命是幫助人們學習。學習科學提出，教師是在學習過程中指導學生認知加工并促進學習者的知識建構。這一整個過程發生在學習者的認知系統中，其關鍵特征是認知加工的容量是有限的。美國當代著名教育心理學家梅耶博士（2009）在《應用學習科學》中提出，教學最大的挑戰是既要保證學習者進行適當的認知加工，又要避免這種加工不會使得認知負荷超載［1］。一堂好的物理課既要充分激發學生進行認知加工，又需要教師通過精心設計的科學方法與手段，幫助學生調節基礎認知加工，促進學生有更多的認知資源投入到高階認知演算，從而避免認知負荷超載。

本研究以《學科學習》和《全日制普通高中物理課程標準（2017 年版2020 修訂）》（以下簡稱“《課程標準》”）為科學依據，談談一堂好的物理課的基本特點。

一、核心素養導向下“一堂好的物理課”的內涵

《標準》明確提出，在學習活動中，學生是學習活動的主體，教師在教學中起主導的作用。本研究據此認為一堂好的物理課應該從學生和教師的雙邊視角出發進行研究。從學生的角度出發，一堂物理好課必然是學生學有所得，包括得思維、得方法、得能力。學科核心素養是學科育人價值的集中體現，是學生通過學科學習而逐步形成的正確價值觀念、必備品格和關鍵能力。物理學科核心素養主要包括物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任。得思維即對應于科學思維；得能力則包括了物理觀念以及科學探究；在物理學科知識的推演、研究、建構中，教師將內隱的研究方法、學科思想，以顯性化的手段，傳達給學生，并幫助學生主動遷移到不同學科中進行應用。該部分內容的挖掘往往植根于對物理知識體系的追根溯源、對科學史、物理史實的深度研究。因此，在科學態度與責任中，隱含了相關的重要科學研究能力，文章將其對標得方法。

從教師的角度出發，教師所做的一切教學行為，其目的是為了促進學生的認知加工。因此，教學過程中，教師依據學生的學情出發，在深度鉆研教材的基礎上，選擇合適的教學方法與策略，助力于學生養成科學的思維范式，獲得相關的科學知識與研究方法。例如，伽利略提出的探索物理規律的方法是“發現問題—大膽猜想—設計實驗方案—實驗探究—理論驗證”，是中學物理教學階段的典型研究方法。

由于教學活動是師與生雙邊互動的結果，因此，一堂好的物理課還應該從師生互動的關系和結果中去研究。師生的良好互動關系，一方面，其體現在師與生的思維是互助的，即課堂的生成是師生相互啟發、相互促進、共同思考的過程。另一方面，教學中需要引導學生養成專家型的科學思維范式。這需要借助于“思維可視化”工具。通過思維可視化手段，教師可以將大腦中看不見、摸不著的思考路徑，以顯性化和生動化的視覺表征形式，傳到給學生，從而做到師與生的思維路徑高度“同頻共振”。

基于以上論據，本研究提出核心觀點：“一堂好的物理課”是學生“學有所得”，教師“教學得法”，師生“互助有效”的課堂。

二、“一堂好的物理課”的教學主張與實施策略

在心理學中，根據思維任務的性質、內容和解決問題的方法不同，將思維分為實踐思維、形象思維和抽象思維。實踐思維是指以實際動作為支柱的思維；形象思維是指以事物的具體形象和表象為支柱的思維；抽象思維則是以概念、判斷、推理等形式進行的思維。

陳祖標老師在《中學物理之“難”：溯源、探微、建模與主張》一文中，根據物理學科的三階思維特性出發，提出了具物化、具象化、數形化教學主張。所謂具物化教學主張，即為學生構建出具體可感知的實物或實景，幫助學生在觀察和實驗中，真實感知“物”之運動變化過程及規律；具象化教學主張，即利用可視化表征手段，將物理概念、規律間的邏輯關聯與思維路徑，轉化為具象化的圖形表達的教學方法的總和；數形化教學主張，即巧用“以形助數”或“以數解形”的兩種方式，將原本需要通過抽象思維解決的問題，借助形象思維協同巧妙解決。［2］

基于具物化、具象化、數形化的教學主張，本研究進一步結合梅耶博士提出的學習科學的建議，依據物理學科獨特的思維特性，提出了具物化、具象化、數形化教學主張下的具體教學實施策略。在具物化教學主張下，提出了時間同步、空間互嵌、提前預告、情境浸入、指導發現、技術輔助、前置問題、后置練習、突出重點的教學策略；在具象化教學主張下，提出圖文并茂、切塊呈現、建立關聯、聚焦要義、繪圖表、聯系詞、分標題、總概括的教學策略；在數形化教學主張下，提出樣例引導、情感融入、分步練習、主動驗證、自我釋義、質疑反思、精細加工、類比學習、學以致用的教學策略。圖1 展示了“一堂好的物理課”的教學主張與實施策略。這為一堂物理好課的實施，提供了明確的指引。

圖1 教學實施的模型建構

三、“一堂好的物理課”的實踐

（一）“一堂好的物理課”是學生“學有所得”

1.得物理思維

《課程標準》明確提出，科學思維是學科核心素養的要素之一。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物理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的具體運用；是基于事實證據和科學推理對不同觀點提出質疑和批判，進行檢驗和修正，提出創造性見解的能力與品格。科學思維包括了模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新等要素。一線的物理教學，有時過于強調重視物理概念、物理規律、物理實驗的結論，而對于知識的形成過程。如物理概念的來源、物理概念引入的必要性、物理概念建立的思維過程等，重視程度不夠。

在愛因斯坦所著的《物理學的進化》一書中給出了物理教學良好的啟示，書中強調了要重視建立物理概念的緣由。以物體的運動為例：“有一個基本問題，幾千年來都因太復雜而含糊不清，那就是運動的問題。”以最簡單的勻速直線運動為例，在絕對平滑的道路上的小車，在理想實驗中，運動的均勻性是由于沒有任何外力。現在設想有人把這輛車朝它運動的方向推一下，很明顯，它的速率會增大；反之，小車的速率會減小，由此得出一個結論，就是外力的作用改變了速度。因此，速度本身不是推和拉的結果，而速度的改變才是其結果［3］。”——這里的敘述，明確地給出了加速度概念建立的科學背景和緣由。

2.得物理方法

我國的科學教育，長期以來一直存在著重科學知識、忽略科學方法教育的弊端。邢紅軍教授提出，科學方法具有重要的導源功能、突破功能、中介功能以及建構功能。他還指出，為了使學生掌握科學方法，在科學教育中，必須創設良好的認知情境，讓學生主動地觀察、討論、思考、實驗，并對學生的探索進行指導，使學生沿著科學的思路與方法去探索，從而在不知不覺之中掌握其中所運用的科學方法［4］。

伽利略在探索自然界中，所運用的科學思維方法在中學物理教育中具有重要的意義。愛因斯坦在《物理學的進化》一書中說到，“伽利略最大的貢獻就是在于毀滅直覺的觀點”。伽利略探索物理規律的方法是“發現問題—猜想—設計實驗方案—實驗探究—理論驗證”的系列過程。

例如，在勻變速直線運動規律的學習中，引導學生經歷伽利略的五部探究法，這樣的教學過程為學生展現了研究的方法與邏輯，學生循著科學思維路徑逐步深入思考，在學生的大腦里留下深刻印象，可以扎實提高和培養學生的科學思維能力。

3.得能力

一個人的能力是通過一系列的鍛煉培養起來的，一個高素質的人一定是一個有較強能力的人。人的能力體現在學習生活的方方面面。如對事物的觀察能力、分析判斷能力、解決處理能力等，這些能力都可以在物理教學的過程中進行培養。物理學科《普通高等學校招生考試的考綱》明確提出，重點考查學生的五大能力：即理解能力、推理能力、分析綜合能力、應用數學處理物理問題的能力及實驗能力。

（二）“一堂好的物理課”是教師“教學得法”

有人說教育是一門科學，又有人說教育是一門藝術，好的教育是將科學與藝術有機結合，并能做到恰到好處。針對物理教學而言，本研究認為“一堂好的物理課”應突出物理學科特征，幫助學生掌握顯性化的物理研究思想與方法。

例如，對于伽利略提出的探索物理規律的方法：“發現問題—大膽猜想—設計實驗方案—實驗探究—理論驗證”，是中學物理教學階段，學生需重點掌握的科學方法。下面以“帶電粒子在電場中的運動”這一節教學內容為例來分析：

1.由問題到猜想，激發潛能

一是直面問題，激發興趣。教師提問學生“如何判定物體的運動狀態？”引導學生分析并得出，可以通過物體的受力情況及物體的初速度來判定。接下來，直接引入正題：若只受電場力作用，帶電粒子在電場中可以做何種運動？

二是大膽猜想，鼓勵質疑。教學的第一階段：若只受電場力作用，帶電粒子在電場中可的運動分析：

a.勻速直線運動——不可以，始終有受到電場力作用；

b.勻變速直線運動——可以，舉例說明并強調動能定理的應用，如圖2；

圖2

c.勻變速曲線運動——可以，其本質為類平拋，如圖3；

圖3

d.變加速運動——01 可以，如電子在異種電荷電場間的運動、勻速圓周運動等，如圖4、圖5。

圖4

圖5

教學的第二階段：如果已知電子在某個電場中的運動情況，能否知道該電場的性質呢？例如，若想知道圖6 中加在兩極板間的電壓，讓學生猜想需要采用圖2 中的勻加速運動的方法，還是用圖3 中的類平拋運動的方法好？

a.分析：如果用圖2 中的勻加速運動的方法來測兩極板間的電壓，則必須測電子的運動速度（見圖2的原理）。

b.若采用圖3 中，類平拋運動的方法則可以通過測量極板間的距離來實現，且方法更簡單。

圖6

2.設計解決辦法，培養創新精神

利用類平拋的方法可以完成用已知電子在電場中的運動測量極板間的電壓。這就是“示波管”的來歷和作用。利用上述圖6 的裝置，人們只需要知道電子打在屏幕上的位置，便可得出偏轉電場所加的電壓。U隨時間t變化，若要在熒光屏上顯示出U-t圖線，則需讓橫軸表示時間軸。時間是均勻流逝的，即亮點在橫軸上的運動應為勻速運動，因而水平偏轉電場上所加電壓隨時間應均勻變化。故對圖6 進行改造，就可得到需要的測量設備——示波管，如圖7。

圖7

3.理論驗證，培養邏輯思維

問題一：如果偏轉電場所加的電壓為變化的電壓，當偏轉電壓為正弦交變電壓時，在熒光屏上看到的亮點是怎樣的？能通過y得出電壓U嗎？

實驗結論：y∝U，則看到亮點在上下振動，通過y得不到電壓U的數值。電壓的周期太短（0.02s），亮點雖在振動，但看到的是一條亮線（視覺暫留）。

問題二：是否可以在熒光屏上直接顯示出偏轉電壓U的變化情況？

U隨時間t變化，若要在熒光屏上顯示出U-t圖線，則需讓橫軸能表示時間軸，因此需再加一個讓電子水平偏轉的電場。時間是均勻流逝的，即亮點在橫軸上的運動應為勻速運動，因而水平偏轉電場上所加電壓隨時間應均勻變化。其中Uxx'所加電壓隨時間均勻變化，如圖8。

圖8

（三）“一堂好的物理課”是師生“互助有效”

好的物理課堂應該是讓師生互有收獲。師生的“互助有效”應體現在兩個方面。一方面，是實現“思維的互助”。思維互助不是“互動”，它是相互啟發、相互促進、共同思考的過程。另一方面，是讓“思維可視化”。課堂教學最無效的表現就是學生不知道“老師為何會這樣想？”，而教師也不知道“學生究竟是怎么想的？”因為每個人的思維過程是在一個人的腦子里面，是看不見的。如果兩個人的思維過程可以“相互可見”，教師就容易知道“原來他是這么想問題的”“他的思維與我的思維不同點在這里”“他的思維原來在這里出現了問題”等。如果思維可視化的問題解決了，物理教學就有可能實現有效甚至是高效的結果。本研究團隊在多年的實際教學中用到了“思維具象圖”的方法，讓“思維可視化”。

教師的備課和課堂教學，以“具象思維圖”貫穿始終，按一定的教學邏輯拓展知識。當授課結束時，呈現在學生眼前的是一幅本節課完整的知識“具象圖”。這樣的教學知識點明晰、內容突出、關聯性強、直觀易記。“具象思維圖”還可作為學生的筆記方式和思考的思維模式，幫助學生提煉物理知識，鍛煉其分析、綜合、類比、歸納的科學思維能力。如在選修3-5《動量與沖量》的教學中，鼓勵學生根據知識邏輯，繪制一份屬于自己的“具象圖”，見圖9。通過思維可視化的視覺表征方式，教師可以獲知學生的隱性思考模式，及時評價學習結果。

圖9

四、總結

“一堂好的物理課”，需要能通過教學的過程體現出物理學科的核心素養。例如，從“物理觀念”的形成，即為什么——包括了對經典物理學和現代物理學中對于物質構成的理解、對物理運動規律的看法、對基本相互作用的認識及對能量的看法等，到“物理思維”，即是什么——包括了邏輯思維、抽象化處理問題的模型建構、批判性思考、獨立思考和拓展人類對世界的認識所必需的創新思維方式等內容，再到“實驗探究”，即怎么做——包括了如何提出問題和發現問題，如何找到實驗證據，如何運用物理學的理論來解釋自然現象，最后達成了“科學態度與責任”，即做什么——包括了學生應該學習和掌握的正確立場、觀念、態度、倫理價值判斷的完成過程。教師在課堂上以問題為核心、以思維具象圖為引導，充分調動師生的思維，形成互助。