核心素養背景下培養高中物理思維方法的策略研究

劉智勇

摘 要：有關學生核心素質的培育與發展，以及培養學生未來社會發展的能力和品質，始終是中國教育教學改革過程中的重心所在。在核心素質背景下，根據高中學生實際進行教育教學也是一線教育者們的重點研究任務，而針對高中物理來講，在符合核心素質訓練特點的基礎上更加注重學科思維的培養，進一步優化創新性思維、研究型思維等。文章在核心知識背景下，根據高中物理教學實際，簡要闡述了培養高中學生物理思維能力的具體方法，以期為課堂質量及教育品質提供借鑒參考。

關鍵詞：思維培養方法；高中物理；核心素養

中圖分類號：G633.7? ?文獻標識碼：A? ?文章編號：1673-8918（2023）11-0132-05

一、 引言

高中階段物理學科的實踐性與理論性明顯增強，采用合適的培養策略，有助于學生核心素養及邏輯思維的發展。但是從高中物理課堂中思維能力的培養情況來看，存在一定的問題影響學生科學意識的形成，進而降低教學效率及質量，為此，教師應結合新課標與核心素養培養要求，制定針對性的思維培養策略改善這一情況，進一步發展學生的物理思維能力。

二、 新課程標準下解讀高中物理核心素養

物理核心素養可看作該本學科教育價值的綜合反映，它是指學習者在經過專業學習過程中所逐漸建立起來的正確價值觀念、關鍵能力和必要品質。高中物理課程所涉及的核心素養主要體現在如下幾個方面：

（一）物理觀念

有關物理觀念，可以從三個方面解讀：首先立足物理學視角構建起關于運行、物質等的基礎認識；其次在思維層面對物理概念的總結；最后是基于物理學科視角解決現實問題、解釋自然現象的基礎前提。

（二）科學思維

首先，科學思維從學科觀點入手，是對某一客觀事物的存在原理、本質屬性，及雙方之間相互作用的一種理解方法；其次，根據經驗事實構建相關物理模式的一種方法；再次，研究社會科學過程中推理實證與研究結果等手段的具體運用；最后，從研究推理和事實證明入手，檢驗糾正對概念和結果的批判、懷疑，進而提出創新思想的品格。

（三）科學探究

通過觀察與實驗的方法找出問題、進行猜想假設、設計物理實驗方案、收集整合信息、提供結論并解釋，評估交流科學探究過程及所得結果的綜合能力。

（四）科學態度與責任

指的是在了解科學實質，掌握科學、社會、技術和環境四者內在關系的前提下，逐步產生探索自然的驅動力，用事實說話、嚴謹認真的科學態度，保護自然環境與遵守社會道德規范的責任感。主要包括科學態度、科學本質等。

三、 核心素養背景下物理教學的關鍵步驟

（一）引導學生自主學習

學生在自主學習模式下，可以積極參與、大膽實踐，對其信息搜集以及處理能力加以培養，在鍛煉自學能力的同時提高對問題的分析、解決能力。

（二）引導學生提出問題

教學過程可以視為問題的解決過程，課堂教學前要求教師把握需要處理的問題。教師唯有明確，才能指導學生更好地解決問題。以物理習題課為例，學生的問題獲取路徑如下：學生方面，曾經做過或典型的易錯試題；教師經驗方面，主要是指經典例題、實驗演示等。

（三）組織小組合作討論

基于教育教學改革的不斷深入，合作討論是突出學生主體性的重要一環，通過合作有利于構建更加自由民主的課堂環境，提高學生課堂參與的積極性。以這種形式在此過程中對物理知識加以構建，使學生獲得獨立探索和解決問題的時機。

四、 核心素養背景下高中物理思維方法培養策略

（一）建模思想

在高中物理課堂，教師應重視學生的知識學習過程，做好具體問題情境的創設，從而引導學生順利進行模型建構，培養建模思想。實際上模型建構可被視為在現象中提煉能夠描繪這一現象的參數或是元素，發現參數或者是元素間存在的聯系，建立能夠正確描述以及解釋這種現象的模型的過程。

第一，以極限思想為抓手，引導學生建立物理模型。極限思想指的是基于極限概念剖析、解決問題的數學思想。通常情況下，運用極限思想處理問題的流程如下：首先，構建和未知量有關的一個變量；其次，明確利用無限變化所獲得結果就是需要獲知的未知量，由此利用極限計算的形式獲得所需結果。以某道選擇題為例對其展開簡要分析：如圖1所示，在真空環境中一個以a為半徑的均勻帶電圓環，已知其帶電量是Q（Q>0），下式中表達圓環軸線上離圓心O距離是x的P點電場強度最合適的模型為（? ）

A. E=kQx（x+a）32? ? ?B. E=kQx（x2+a2）32

C. E=kQ（x2+a2）32D. E=kQ（x2+a2）

針對高中生而言，利用微元法和對稱性相結合方法求解難度偏大。為此，依據學生現有知識經驗，通過下面的問題鏈為學生建立學習框架：（1）點電荷的基本概念；（2）怎樣計算點電荷所產生電場的場強；（3）問題中的帶點圓環可以視為點電荷的哪一條件；（4）將相關條件代入各選項后，結合計算結果選出你認為最合適的一項。問題鏈中的第一個小問是帶領學生重新溫習關于點電荷的相關概念，旨在為問題情境中將電荷模型抽象出來奠定基礎，第二個小問是讓學生回顧電荷模型關于場強分布的規律，從而為利用規律解題提供基礎，第三個小問引導學生將x>a的條件代入問題給的四個選項，通過計算并運用模型看哪個結果和E=kQx2相同，通過排除法選出正確選項。

第二，以類比法為基礎，引導學生構建物理模型。以某一例題為例進行分析：如圖2所示，有內表面為弧形而且十分光滑的一個碗，已知容器半徑為R，當從內壁的某個地方靜止釋放半徑為r的一顆圓球（R>r），計算其滑落到碗底所用的時間。

因為小圓球不是勻速圓周運動，所以缺少現成公式，應通過單擺模型求解。在模式形成之前，我們可以通過提出下列問題鏈建立一個框架：（1）運動期間的小圓球受到的力的作用有哪些；（2）類比兩者受力情況，分析小圓球做何種運動以及運動的必備條件；（3）結合單擺周期公式，嘗試類比列出小圓球做簡諧運動的周期表達式；（4）小圓球由靜止滑到碗底用時多久。所以第一小問要研究小圓球的受力狀態，并引導其通過受力和動作之間的內在聯系，研究小圓球所完成的動作，而第二小問引導其通過小圓球受力狀態對比單擺細胞形受力狀態，將二者的動作加以對比，并由此確定在幅度較小狀態下小圓球所做的往復運動是否為簡諧運動，第二個小問則是通過其所掌握的單擺時間方程，并利用類比方法確定簡諧運動表達式T=R-rg，第四小問則是讓學生根據具體情況估算小圓球從靜止到滑落碗底所需要的時間，即t=T4。以上案例都是在知識點遷移與應用環節訓練學生的建模思維，而通過運用極限思維與類比法進行物理模型的構建，更能夠培養學生的建模能力。

（二）探究意識

教師應運用好實驗教學環節，學生可以通過對整個物理實驗的親身經歷，培養其探究意識。接下來，以“探究摩擦力的影響因素”為例，對具體的培養步驟進行分析。

第一，自主學習。利用課堂微視頻，帶領學生簡單總結在初中時已掌握的摩擦力基礎知識。提煉出單元核心知識，并根據相關知識開展自主學習，自由猜想摩擦力的影響因子是什么。

第二，問題提出。下發實驗所需材料并據此設計問題：（1）為何有能夠推動和無法推動的現象產生；（2）木板條件相同時，小車模型為何在毛巾以及棉花上產生不同的位移距離；（3）對摩擦力產生差異的原因是什么，嘗試進行摩擦力的研究分析。然后指導學生在完成實驗后歸納總結，對摩擦力影響的主要因素有表面粗糙程度以及正壓力。

第三，進行實驗。首先，小組討論。由學生根據實驗方法進行小組間的交換探討，制定本組實驗方案并進行全班示范，闡述本組設計方法的基本原理，最后教師對實驗方案分析評價，從中選擇最合理的實驗方案。各組的實驗物品有一樣的小車、斜面各三個，不一樣規格的砝碼兩個，一樣的木板、棉布以及毛巾各有三個，利用設計方案實驗。如圖3所示，學生利用上述實驗設備開展實驗，教師可參與其中。其次，展示小組實驗成果。從表1中可以看出在正壓力相同的條件下，接觸面越粗糙會導致摩擦力越大，相反的接觸表面若是越光滑會則致使摩擦力減小；從表2中能夠發現接觸面粗糙程度相同的情況下，摩擦力會隨著正壓力的增大而增大，并伴隨其減小而減小。最后，提出實驗結論。

（三）論證思維

基于建構主義視角，可以把學習視為在新的條件下重新構建認知結構，至于獲取知識則是將新知識與舊知識整合的過程，教師為此應提供學習支架，組織學生依據已形成的知識結構，通過科學論證形式掌握心理上新條件與新知識的聯系，這樣在新知識獲取期間，掌握進行科學論證的程序并且鍛煉論證思維能力。文章以“單擺”課例片段為例進行具體分析。

第一，簡約化的設問引證。這一環節設問的目的在于，輔助學生盡快進入論證步驟，問題設計的形式必須收斂，通過簡化降低構建難度，確定論證整體走向。比如，教師可以設計這樣一個問題：單擺的擺動符合振動的運動形式，擺角很小時的振動是否屬于簡諧運動，嘗試列舉你的觀點或主張。這種問題給出的答案不過是贊成或者不贊同。通常學生是順應問題提出正向主張，也就是其屬于簡諧運動，但學生的主張無論是哪一種均能作為后續科學論證的鋪墊。

第二，近因化的誘思尋證。因為擁有多種證據尋證方式比，而且思路相對發散，所以教師可以采用近因效應，誘導學生結合簡諧運動的基本特征，探尋支持自己主張所需的證據。比如，教師可以提出以下兩個問題：一是列舉簡諧運動的相關特征；二是能否從相應的特征中嘗試探尋這種關鍵的支撐證據。學生在問題引導下，受到問題指向的回復力表達式以及振動x-t圖像的影響，得出以下兩組證據，證據1：結合單擺實驗，能夠發現其振動x-t圖像類似正弦函數曲線；證據2：運動存在讓單擺回歸至平衡點的回復力，而且和位移方向相反。

第三，生本化的演繹推理。有關理論推理，具體是指通過所學知識對未知規律進行探索的方式，即應將學生作為主體并結合其最近發展區，活躍學生的學習思維，能夠在互動交流中進行科學論證的推理，在強化問題理解的基礎上感受物理魅力，待證據被找到后提出問題：能否通過自己找到的證據，通過邏輯推理方法提出支持主張的原因。有的小組通過單擺x-t圖像、正弦函數曲線在計算機幫助下進行比對，發現兩種圖像接近重合能說明x-t圖像為正弦函數圖像，因此能夠證明其是簡諧運動。而有的小組則是陷入困境，由于推理過程需要較高的數學能力，因此教師可以組織全體學生攻克難關，即解決支持單擺回復力的力是何種力。學生給出的觀點主要有以下三種：（1）提供的力為重力之分力。由于其讓單擺具有切向加速度，使其由靜止開始運動而且指向平衡位置；（2）不贊同觀點（1），這是由于其無法和位移重合，自然無法滿足簡諧運動發生的條件；（3）結合實驗現象，x-t圖像可以視為在豎直方向投影上的擺球運動圖像，在水平方向上單擺做簡諧運動，由此提供的力是拉力之分力。學生提出的三個觀點中支持率最大的是觀點（3），為此教師可以以其為主線和學生一起推理分析，具體過程如下：在圖4中，假設最大的擺動偏角是θ0，當其擺動到偏角θ1的點P位置，這時擺球速度是v，已知線繩拉力是F拉，和平衡位置之間的水平位移距離是x，通過機械能守恒可知mg（lcosθ1-lcosθ0）=12mv2，結合牛頓第二定律F拉-mgcosθ1=mv2l，依據觀點（3）可知F回=-F拉sinθ1，即F回=-3mgcosθ1sinθ1+2mgcosθ0sinθ1，將式子化簡為正弦函數，通過cosθ=1-2sinθ22，可得F回=-mgsinθ1+6mgsinθ12sinθ122-4mgsinθ12sinθ022。很多學生認可這種結果而懷疑提出的觀點，因為多數情況是精確化計算而沒有形成近似意識，所以應該把握時機幫助學生突破思維局限，為此教師可以提出一個任務，即計算θ0=5°并且恰巧擺至最大的擺角位置時各項回復力精確值，然后結合對擺角很小的理解將回復力表達式化簡F回=-mgsinθ1，此時持有第一種觀點和第三種觀點的學生能夠相互理解，即小角度情況下，重力切向分力和拉力水平分力相近。而持有第二種觀點的學生，在教師指導下自己推理闡釋理由：因為F回=-mgsinθ1，sinθ1=xl，所以F回=-kx 能夠證明單擺在小角度條件下于水平方向進行簡諧運動。

（四）推理能力

物理學科中科學推理不僅是需要掌握一項思維能力，還是核心素養中的一項重要內容，一方面其屬于人類對自然和科學關系進行探究的要領，另一方面是科學思維培養的前提條件。按照核心素質的訓練要求，引導學生展開推理和探索，有助于學生全面深刻地掌握物理基礎知識，有效消化所學理論知識內涵。在課堂教學過程中，教師應對學生展開針對性引導，讓其主動投身到對物理知識的推理與探究中。與此同時，結合課本教材為知識探究提供基礎，比如教師在這一環節可以拋出一些探究問題，從而引發學生進行分析思考。不僅有利于調動學生課堂參與積極性還能對推理能力加以鍛煉，以此達成既定教學目標。以“重力勢能”的知識點教學為例，先對本節課內容進行自主預習，旨在對所需內容形成一個大致認識。利用微課進行預習，視頻中拋出如“何為重力勢能”“其特征與表達式是什么”等問題，結合疑問預習可以提升預習效率。而在實際教學中，為了鍛煉科學推理能力，將課時作為切入點提出“相互作用的物體是否可以借助其位置而擁有能量”“探究重力做功和其勢能發生變化存在的關系”“探究重力做功的影響因素”，在上述問題中指導學生深入探究和推理。

以“DIS測定瞬時車速”這一實驗項目為例，其能得到一組通過寬度不同擋光片測量所得的均勻車速值，由于擋光時間相對較短，將其近似于通過光電門時車輛的瞬時車速。通過該實驗能使學生更好地理解光電門對瞬時車速進行測量的方法和基本原理，從而認識到越窄的擋片寬度測量得到的均勻車速與瞬時車速越相近。利用已有實驗資源培養學生的推理能力，教師應對實驗適當改進，實驗設計的相關步驟：（1）依據PPT上的圖示完成裝置安裝并且墊高導軌左端；（2）在專用軟件中進入“DIS測定瞬時車速”的界面；（3）將擋光片長度d輸入，在軌道上放好小車且在擋光片前部和光電門之間相距s的位置靜止松開，將均勻速率如實記下；（4）調換長度不同的擋光片；（5）繼續（3）和（4）的程序步驟，將試驗資料填寫在表中，并在此基礎上給出問題“小車模型在開始擋光時的瞬時速度”以此說明，越窄的小擋光片可測量到的均勻速率與實際瞬時速率更相近，但取得真實結果具有很多困難。那么，教師可以將數據輸入到Excel軟件，形成-d圖像以及直線擬合方程=0.488d+2.001。在此基礎上繼續提問“是否能利用圖像計算出小車在擋光時的瞬時速度”，因為其中會涉及極限思想，所以能推理擋光片在其寬度是零的情況下，平均速度即為瞬時速度。結合直線擬合方程，在d=0時為2.001m/s，在此實驗中以適當地改進，使學生利用物理圖像展開科學推理，以此促進學生推理思維能力發展。

（五）質疑創新能力

教師應依據學生實際學習情況，選擇難度適宜的訓練題，引導學生形成證據意識，進而提高質疑的科學性和合理性。與此同時，教師要讓學生敢于向權威質疑。比如，教師利用出錯的機會，為學生創造提出質疑的條件，由學生闡釋錯誤點并分析錯誤原因。一方面加深對知識的理解，另一方面形成實事求是、謹慎認真的科學態度。以“恒定電流”為例，很多學生會遇到以下問題，如圖5所示，E為內阻無法忽視的電池，R1、R2、R3均為定值電阻，其中S0與S均作為開關，電壓表與電流表以V與A表示，S0和S初始時處于閉合狀態，如果斷開S，分析V與A會呈現怎樣的讀數變化。把班級學生劃分為幾個學習小組，讓學生通過所學的方法、知識回答。學生在此過程中不會受到任何的思維限制，提出自己的質疑和觀點，由此培養與提高學生質疑創新能力。

五、 結語

綜上所述，打造高效的物理學習課堂，其關鍵在于教學方式及方法的制定，能切實將對學生的物理思維、核心素養的培養要求在具體的教學過程中落實。與此同時，教師要堅持踐行“立德樹人”的基本教育原則，關注學生的思維發展及核心素養的提升，注重培養高中學生終身學習能力，這樣才會學有所得。

參考文獻：

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