指向核心素養(yǎng)的“四主”教學(xué)模式的教學(xué)設(shè)計
——以“牛頓第一定律”教學(xué)為例

王志剛 曹 會

(1. 江蘇省華羅庚中學(xué),江蘇 常州 213200; 2. 江蘇省外國語學(xué)校,江蘇 蘇州 215104)

1 問題的提出

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》(以下簡稱《課標(biāo)》)指出,必須把物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)作為物理教學(xué)的重要目標(biāo).要通過教學(xué)活動的精心設(shè)計,實現(xiàn)“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”在課堂學(xué)習(xí)中的落地生根.其中,物理觀念的形成和發(fā)展需要學(xué)生通過物理概念、物理規(guī)律等內(nèi)容的學(xué)習(xí)和運用才能逐步形成.而學(xué)生在教師引導(dǎo)下經(jīng)歷完整的物理概念建構(gòu)過程和物理規(guī)律的形成過程則是其科學(xué)思維能力發(fā)展的重要途徑.科學(xué)探究能力的培養(yǎng)、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任感的培育更是需要貫穿整個物理教學(xué)過程.學(xué)生唯有具身于“養(yǎng)分”充足的“場域”當(dāng)中,通過深度參與、主動吸納,才能實現(xiàn)核心素養(yǎng)的持續(xù)發(fā)展.《課標(biāo)》還指出,創(chuàng)設(shè)情境進行教學(xué),對培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)具有關(guān)鍵作用,物理概念的建立需要創(chuàng)設(shè)情境、物理規(guī)律的探究需要創(chuàng)設(shè)問題情境、應(yīng)用物理知識解決具體問題應(yīng)結(jié)合具體的實際情境.[1]

以江蘇省外國語學(xué)校曹會老師領(lǐng)銜的課題組,自2005年以來不斷探索以“情境演進”為主線的教學(xué)范式,取得了較為廣泛的認(rèn)可.“十三五”以來,課題組在原有教學(xué)范式的基礎(chǔ)上,依據(jù)新的認(rèn)知科學(xué)等理論,構(gòu)建出了以“核心素養(yǎng)為主旨、學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)、情境演進為主線”為核心框架的“四主”教學(xué)模式,如圖1所示.圍繞核心素養(yǎng)培養(yǎng)這一教學(xué)主旨,“四主”教學(xué)模式采用學(xué)生主體體驗和教師主導(dǎo)過程相融合的交互式實施流程,沿著情境演進的主線,推動學(xué)生的認(rèn)知跟隨實施過程而循序提升,實現(xiàn)學(xué)習(xí)過程的螺旋式進階,[2]如圖2所示.本文以“牛頓第一定律”為例,在中學(xué)物理教學(xué)中開展“四主”教學(xué)模式與同行交流,以期對一線教師有效地發(fā)展學(xué)生物理核心素養(yǎng)有所裨益.

圖1 “四主”教學(xué)模式

圖2 “四主”教學(xué)模式實施流程

2 教學(xué)內(nèi)容分析

人民教育出版社2019年版高中物理教科書的“牛頓第一定律”是在學(xué)生學(xué)習(xí)運動學(xué)的描述、規(guī)律及研究方法和相互作用的屬性、規(guī)律及研究方法的基礎(chǔ)上,對運動原因的科學(xué)探究,其在知識體系中承上啟下的地位被譽為是動力學(xué)體系“核心”的基石.

根據(jù)教科書的內(nèi)容和《課標(biāo)》要求,本節(jié)課在發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的目標(biāo)設(shè)定上應(yīng)達到以下4個方面的要求.

(1) 物理觀念.從物理學(xué)的視角認(rèn)識力與運動的關(guān)系:力不是產(chǎn)生速度的原因、力是產(chǎn)生加速度的原因;慣性是運動保持的原因,而質(zhì)量則是慣性的量度.從物理學(xué)視角來解釋生活生產(chǎn)中與力和運動相關(guān)的實際問題.伽利略理想斜面實驗同時蘊含著能量的守恒.

(2) 科學(xué)思維.能基于經(jīng)驗事實建構(gòu)理想斜面實驗?zāi)Ｐ?通過分析綜合、推理論證得出力是改變物體運動狀態(tài)的原因.在合作探究與交流評價環(huán)節(jié)能基于事實證據(jù)和科學(xué)推理對不同觀點和結(jié)論質(zhì)疑與批判,進行檢驗與修正,進而提出對慣性與質(zhì)量關(guān)系的科學(xué)認(rèn)識.

(3) 科學(xué)探究.在實例觀察的基礎(chǔ)上提出力和運動關(guān)系的猜想、假設(shè),會利用伽利略理想斜面演示器來設(shè)計實驗方案、獲取有用信息,在實驗的基礎(chǔ)上得出結(jié)論并作出解釋,能對探究過程本身展開交流、評估和反思.

(4) 科學(xué)態(tài)度與責(zé)任.通過學(xué)習(xí)人類研究力和運動關(guān)系的歷史,形成科學(xué)在曲折中發(fā)展,需要一代代人接續(xù)奮斗和嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真、實事求是治學(xué)的認(rèn)識,激發(fā)學(xué)生追求科學(xué)、勇于質(zhì)疑創(chuàng)新的情感,進一步形成對科學(xué)和技術(shù)應(yīng)有的正確態(tài)度與責(zé)任.

“牛頓第一定律”的教學(xué)重點在創(chuàng)設(shè)問題情境,讓學(xué)生深刻理解牛頓第一定律的“是什么”“為什么”.教學(xué)難點是要將質(zhì)量、慣性兩個概念跟牛頓第一定律結(jié)合,使學(xué)生深入理解定律本質(zhì).在教學(xué)中綜合運用視頻播放、多媒體動畫展示、演示實驗、互動游戲等教學(xué)手段,合理創(chuàng)設(shè)激發(fā)學(xué)生思考的情境演進的鏈條,將定律“可視化”,最終解決上述的重難點.

3 學(xué)情分析

學(xué)生在初中階段已經(jīng)學(xué)過了牛頓第一定律的相關(guān)內(nèi)容.學(xué)生對伽利略實驗當(dāng)中摩擦因數(shù)的影響有足夠的認(rèn)識,且對亞里士多德與伽利略的觀點也很熟悉,生活中常見的慣性現(xiàn)象、慣性的應(yīng)用與防止也是耳熟能詳,牛頓第一定律內(nèi)容本身所揭示的因果關(guān)系也有所了解.但是在實際問題解決的過程中,學(xué)生還是會無意識地運用亞里士多德的觀點去分析,說明科學(xué)的運動觀尚未真正建立起來.進入高中之后深入學(xué)習(xí)了運動學(xué)和力學(xué)的相關(guān)知識,對力和運動之間關(guān)系的探究有一種內(nèi)在的期盼和現(xiàn)實的需要,但是對人類歷史上力和運動的持續(xù)研究,以及代表人物的研究方法與研究成果所知甚少,慣性與質(zhì)量之間的內(nèi)在邏輯關(guān)系沒有涉及,牛頓第一定律所揭示的規(guī)律理解尚不透徹.此外,學(xué)生經(jīng)過較為系統(tǒng)的學(xué)習(xí),已經(jīng)對科學(xué)探究的流程比較熟悉,具有一定的發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、解決問題的能力,動手操作能力也在不斷地提升當(dāng)中.

4 教學(xué)流程簡析(如圖3所示)

5 教學(xué)過程

5.1 環(huán)節(jié)1——課題引入

情境1:在勻速行進的列車中豎直上拋一個金屬小球,小球的落點在拋出點的前方?后方?還是與拋出點重合?

情境2:勻速飛行的轟炸機投放炸彈,在不計空氣阻力的情況下,投出的一串炸彈在空中呈現(xiàn)怎樣的圖形?嘗試畫一下簡圖.

情境3:觀看以上兩個問題的視頻,思考為什么會是視頻中的情景,如圖4、圖5所示.

圖4 車中拋物視頻截圖

圖5 飛機投彈視頻截圖

設(shè)計意圖:教學(xué)實踐表明,學(xué)生因受經(jīng)驗性常識的影響,“力是維持物體運動狀態(tài)的原因”這一前概念可謂深植于學(xué)生腦海.[3]兩個問題情境的創(chuàng)設(shè),都是基于多數(shù)學(xué)生已有的認(rèn)知基礎(chǔ).唯有讓學(xué)生置身于認(rèn)知沖突的情境之中,充分體察到思維起點的謬誤,才能實現(xiàn)從舊的認(rèn)知平衡狀態(tài)演進到中間不平衡狀態(tài)再到構(gòu)建新的認(rèn)知平衡狀態(tài),進而形成正確的認(rèn)知結(jié)構(gòu).

5.2 環(huán)節(jié)2——問題研討

教師:“運動的原因”是一個古老的話題.公元前4世紀(jì)亞里士多德就開展了這方面的研究,他的觀點在后面的2000多年時間里面沒有被質(zhì)疑.你對他的研究方法、觀點和進步之處有哪些評價?

學(xué)生:亞里士多德觀察了大量的物體運動,經(jīng)過思考,將運動分成“自然運動”和“受迫運動”兩類.他的觀點與生活經(jīng)驗吻合度高,是一種“樸素的運動觀”.他的主要貢獻在于將物體運動與外界聯(lián)系起來了.

教師:大家經(jīng)過初中的學(xué)習(xí),知道這種觀點是錯誤的,那么產(chǎn)生這個錯誤的原因是什么?你能否設(shè)計一個實驗來驗證你對運動和力關(guān)系的看法.

學(xué)生:(閱讀、思考、討論、交流)與他的研究方法和社會發(fā)展因素相關(guān).亞里士多德的觀點可以簡述為“力存物動、力消物停”.以踢足球為例,被踢出去的足球可以在球場上滾動一段時間,與“力存物動”不一致;最終足球緩慢停下來,與“力消物停”不一致.

學(xué)生:(質(zhì)疑)原來運動的物體之所以停下來,難道真是沒有力的作用嗎?

教師:(假設(shè))如果沒有摩擦阻力、流體阻力的影響,在水平面運動的物體將怎樣運動呢?

學(xué)生:(猜想)若沒有摩擦阻力,物體將永遠運動下去.

教師:(誘導(dǎo))這種條件或者近似條件能否找到?

學(xué)生:在玻璃板上、在太空中……

情境4:觀看“天宮課堂”之“太空站第二次授課”的太空拋物實驗實錄、冰壺運動的短視頻.如圖6、圖7所示.

圖7 冰壺運動

教師:(引導(dǎo))伽利略時代是無法在太空做這樣的實驗的,他是如何開展有關(guān)力和運動的實驗研究的?

設(shè)計意圖:學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)生通過學(xué)科學(xué)習(xí)而逐步形成的正確價值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力.從認(rèn)知加工的角度來看,學(xué)習(xí)的關(guān)鍵能力可以主要分為閱讀能力、思考能力和表達能力,分別對應(yīng)著輸入、加工和輸出.在帶著問題讀、讀出問題來的問題情境演進方式指引下查閱物理學(xué)史相關(guān)資料,經(jīng)歷討論和交流、表達和凝練、聯(lián)想和尋證的探究過程,學(xué)生對前概念產(chǎn)生了深入的解構(gòu)過程,也為理性、客觀看待和評價,提升科學(xué)本質(zhì)認(rèn)識積累了方法.

5.3 環(huán)節(jié)3——具身活動

學(xué)生:(閱讀)伽利略的觀察與思考,對接斜面設(shè)計的由來.

情境5:(演示實驗、合作探究)進行伽利略理想斜面實驗.實驗器材為伽利略理想斜面演示器,分4組實施,師生共同完成.第1組在上升軌道上鋪設(shè)粗糙的紙條,第2組撤去紙條,第3組減小上升軌道的傾角,第4組繼續(xù)減小上升軌道的傾角.4次實驗都確保金屬小球從同一位置由靜止釋放,每次小球到達的最遠處用標(biāo)簽紙標(biāo)注在軌道上.

學(xué)生:(觀察、表達)摩擦減小后,小球運動得更遠,后面3次幾乎都到了與釋放點等高的位置,似乎小球在尋找這個等高點.隨著對接軌道傾角的減小,小球在對接斜面上運動得更遠.

教師:如果對接軌道的傾角減小到0,并且軌道絕對光滑且無限長,小球的運動圖景是怎樣的?

學(xué)生:小球為了找尋等高點將一直運動下去.

教師:至此我們驗證了原先的猜想,這說明了什么問題?伽利略之所以會有超越前人的成就,你覺得主要原因是什么?

學(xué)生:(思考、表達)伽利略的研究采用了實驗的方法.

教師:(補充完善)伽利略的理想斜面實驗是在實驗基礎(chǔ)上的合理外推,他的實驗+邏輯推理的研究方法推動了物理學(xué)的發(fā)展.是不是伽利略的觀點就完整了?

學(xué)生:(閱讀、表達)笛卡爾的研究進一步完善了伽利略的觀點.

教師:伽利略和笛卡爾的表達有哪些共同點?又有哪些不同之處?

設(shè)計意圖:物理規(guī)律的探究需要創(chuàng)設(shè)問題情境,在問題情境的演進中完成規(guī)律內(nèi)容的構(gòu)建.教師推行自主化學(xué)習(xí)、個性化學(xué)習(xí)、合作化學(xué)習(xí),成為學(xué)生學(xué)習(xí)的組織者、參與者和托舉者,促進學(xué)生個體思維和集體思維相結(jié)合.這個教學(xué)片段設(shè)計的閱讀(指向自主化學(xué)習(xí))、實驗(指向合作化學(xué)習(xí))、表達(指向個性化學(xué)習(xí))等活動環(huán)節(jié),以物理學(xué)史為明線,遵循人類認(rèn)識自然的軌跡,符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律這條暗線,對培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)、創(chuàng)造素質(zhì)、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任具有積極的作用.

5.4 環(huán)節(jié)4——評價反饋

教師:牛頓在伽利略等人研究的基礎(chǔ)上提出了自己關(guān)于力和運動關(guān)系的觀點——牛頓第一定律.即一切物體總保持勻速直線運動狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài),除非作用在它上面的力迫使它改變這種狀態(tài).伽利略理想斜面實驗為牛頓第一定律提供了實驗依據(jù).這條定律深刻揭示了力和運動的關(guān)系,大家結(jié)合前面幾位科學(xué)家的研究歷程和觀點演進,談?wù)剬εｎD第一定律的個人理解.

學(xué)生:(思考、交流、評價)力是改變物體運動狀態(tài)的原因、力是改變物體速度的原因、力是產(chǎn)生加速度的原因.指出了物體不受力時的狀態(tài)(理想化模型);“一切物體”說明無一例外;“總”意味著一貫以來就是這樣;“保持”說明很固執(zhí),不想改變;“或”說明兩種可能性;“迫使”說明有外在因素(力)介入.

教師:一切物體說明無一例外,我們好理解固體有這樣的性質(zhì),液體和氣體也有這樣的性質(zhì)嗎?

情境6:(播放視頻)氣球注滿水后刺破的慢動作視頻、(演示實驗)空氣炮的威力實驗.

教師:果然如此.我們把一切物體總有保持勻速直線運動狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)的這種屬性稱之為慣性.那么慣性是否也有差異呢?這種差別與什么因素是相關(guān)的?

學(xué)生:與物體的運動速度有關(guān),運動速度快的慣性大,狀態(tài)難以改變.

學(xué)生:與物體的質(zhì)量有關(guān),質(zhì)量大的慣性大,狀態(tài)難以改變.

教師:如果慣性與運動速度有關(guān),誠如同學(xué)所言,速度大的慣性大,速度小的慣性小,那么速度為0的物體是不是就沒有慣性了?從理論上論證,這個觀點是站不住腳的,試問同學(xué)們,我們還可以怎么論證剛才同學(xué)的觀點?

學(xué)生:實驗驗證.運動狀態(tài)改變的難易(快慢)就是加速度的大小,我們可以測量相同物體在不同運動速度情況下的加速度是否有差別.

情境7:(實驗) 如圖8所示,讓小車先后兩次以不同的初速度沿導(dǎo)軌滑行,根據(jù)小車先后通過兩個光電門的時間得出通過光電門的速度,再依據(jù)勻變速運動學(xué)公式求得加速度幾乎相等.

圖8 光電門測速度

教師:既然并不是速度大就慣性大,那為什么速度大的物體比較難以停下來,而速度小的物體卻容易停下來呢?

學(xué)生:本質(zhì)是因為兩個物體運動狀態(tài)改變的程度不一樣,只有運動狀態(tài)改變相同的程度比較起來才公平.

設(shè)計意圖:聯(lián)系學(xué)生的生活經(jīng)驗對牛頓第一定律進行剖析和解讀,提升了學(xué)生的閱讀能力.高度凝練的定律揭示了深刻的自然規(guī)律,具有普適性、抽象性,對于處于從形象思維向抽象思維轉(zhuǎn)變的高一學(xué)生而言,適度地關(guān)照不同學(xué)生的經(jīng)驗性認(rèn)識,在思維交流、適時評價中引出思維進階的反饋信息,對存在于學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)中的前概念進行引導(dǎo)和糾正,加速了錯誤前概念的解構(gòu)和科學(xué)概念的重構(gòu).[4]順著學(xué)生已有對慣性的認(rèn)識,提出探究慣性大小的影響因素問題,一方面是為了引出慣性和質(zhì)量的關(guān)系,一方面也是讓學(xué)生體會理論引領(lǐng)實踐探索、實踐推動理論創(chuàng)新的研究思路.

5.5 環(huán)節(jié)5——總結(jié)應(yīng)用

情境8:(游戲)外形相同的兩只乒乓球,其中一只注滿水.透明的魚線穿過乒乓球,做成兩個等長的擺球,懸掛在同一個鐵架臺的橫桿上.請一個肺活量大的男生用盡全力吹球,注滿水的乒乓球基本不擺動,空的乒乓球很輕易就擺動起來.組織學(xué)生觀察、思考、發(fā)表自己的看法.然后讓幾名學(xué)生掂量兩只乒乓球,揭曉謎底.

學(xué)生:質(zhì)量大的物體運動狀態(tài)難以改變,也就是保持原先狀態(tài)的能力強,說明慣性大小與質(zhì)量相關(guān).慣性又與物體的運動速度無關(guān),所以質(zhì)量是慣性大小的唯一量度.

情境9:如圖9所示,在水平桌面上橫放的礦泉水瓶中有一段空氣柱,沿著瓶身向前突然拉動瓶子,空氣柱在瓶內(nèi)的位置如何變化?[5]

圖9 水平放置的礦泉水瓶

學(xué)生:(思考、討論、交流、表達)先說出判斷的結(jié)果以及判斷的依據(jù),然后同桌間按照圖示要求分組實驗.

教師:點評學(xué)生的判斷和分析,幫助學(xué)生選取研究對象,如圖10中水柱和空氣柱,組織學(xué)生進一步分析和論證,得出空氣柱在瓶內(nèi)位置向前移動的理論依據(jù).若是水瓶原先在水平桌面上滑行,碰到障礙物突然停下,空氣柱在瓶內(nèi)的位置如何變化?

圖10 研究對象的選取

學(xué)生:根據(jù)前面的分析過程重新構(gòu)建分析模型展開論證,分組實驗驗證.

情境10:播放我國航母艦載機進行起飛和著艦訓(xùn)練時飛行員分別出現(xiàn)黑障和紅視現(xiàn)象的科普視頻.

學(xué)生:結(jié)合人的生理特征、艦載機要在極短甲板上起降的實際,用情境9模型的原理作出合理解釋.

教師:對學(xué)生的解釋進行點評,組織學(xué)生進行課堂小結(jié).提出牛頓第一定律對力和運動關(guān)系的論述是不是已經(jīng)完備.指導(dǎo)學(xué)生閱讀教材中拓展學(xué)習(xí)部分的慣性參考系內(nèi)容.

設(shè)計意圖:乒乓球很輕便,輕輕一吹就能動,但是小游戲環(huán)節(jié)男生卻吹不動,預(yù)料與現(xiàn)實之間的巨大反差激發(fā)學(xué)生產(chǎn)生強烈的探究欲望.經(jīng)過獨立思考、討論交流的理論建模,再到比較兩球輕重的實驗驗證,學(xué)生對慣性與質(zhì)量關(guān)系的理解完成了自主建構(gòu).情境9的現(xiàn)象是生活中常見但很少會引起學(xué)生深入思考的.這一次情境演進讓學(xué)生有了學(xué)以致用的體驗,難度屬于跳一跳夠得著的層級,但是要論證和解釋清楚,特別是用物理學(xué)視角來觀察和用物理學(xué)科語言來表達,需要教師的總結(jié)提升和幫助.運動情境轉(zhuǎn)換成由動而停,也是為了培養(yǎng)和考查學(xué)生的遷移能力,特別是后面結(jié)合艦載機訓(xùn)練中的黑障與紅視現(xiàn)象,更是需要學(xué)生綜合人體學(xué)、物理學(xué)的知識來論證,是認(rèn)知遷移的高層級要求.艦載機飛行員刻苦訓(xùn)練精益求精的精神品質(zhì)是無形的育人資源,國家日益強大的國防科技力量也是增強學(xué)生民族自信的課程思政素材.組織學(xué)生進行課堂學(xué)習(xí)小結(jié),梳理人類關(guān)于力和運動研究的歷史進程,提煉出任何一個問題的研究都是在一代代人的接續(xù)奮斗中得以逐漸接近真相和本質(zhì),質(zhì)疑和批判始終是推動科學(xué)和技術(shù)不斷前行的重要品質(zhì).

6 結(jié)束語

鹽是人賴以生存的必備品,但是如果直接食用,卻是難以下咽.而將每天需要的鹽分溶化在美味的佳肴里,則不僅使人可以獲得美食的享受,而且也實現(xiàn)了鹽分的必要吸收.核心素養(yǎng)就是這樣的鹽,是人生存和發(fā)展的必備品,而適切的情境則是美味佳肴.唯有在教學(xué)設(shè)計和教學(xué)實施過程中重視情境的創(chuàng)設(shè)和轉(zhuǎn)化,讓學(xué)生獲得實際情境中解決物理問題的大量經(jīng)驗,才能實現(xiàn)將課堂教學(xué)轉(zhuǎn)化為學(xué)生課外日常生活當(dāng)中的成長行為,并逐步變成他們的成長自覺,進而具備適應(yīng)終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力.

指向核心素養(yǎng)培養(yǎng)的“四主”教學(xué)模式在實踐過程中,注重緊扣核心素養(yǎng)發(fā)展這一主旨,注重基于學(xué)生認(rèn)知規(guī)律、知識發(fā)展規(guī)律基礎(chǔ)的情境有序演進,注重協(xié)同情境演進中引導(dǎo)學(xué)生思維等活動的有序展開,注重問題聚焦、活動組織、總結(jié)反饋等要素的合理安排,注重研究學(xué)生主體地位的作用能夠在哪些教學(xué)環(huán)節(jié)上得到體現(xiàn)和發(fā)揮.通過具身性探究、可視化表達等策略,讓每一個學(xué)生實現(xiàn)探究過程與深度思維的融合,促進了思維的發(fā)展.

為了更好推廣和完善該教學(xué)模型,還有待于對該模型的實施條件和教學(xué)評價進行系統(tǒng)研究和探索.