指向學科核心素養的高中物理課堂教學設計

程如林

［摘 要］《普通高中物理課程標準（2017年版）》已在全國普遍施行，該標準不僅提出了學科核心素養這一重要概念，而且詳細闡述了學科核心素養的內涵，在此基礎上擬定了編寫高中物理課程的目標。這無疑為廣大一線教師矗立了一座“教海燈塔”。對高中物理教師而言，如何落實學科核心素養的教學要求，是一個既現實又迫切的問題。文章以人教版高中物理“自由落體運動”教學為例，剖析學科核心素養的本質要求，并探討指向學科核心素養的高中物理課堂教學設計。

［關鍵詞］學科核心素養；教學設計；自由落體

［中圖分類號］? ? G633.7? ? ? ? ［文獻標識碼］? ? A? ? ? ? ［文章編號］? ? 1674-6058（2023）14-0033-05

由教育部頒發的《普通高中物理課程標準（2017年版）》指出：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”四個方面。［1］

物理學科核心素養的提出標志著我國對高中物理教學提出了新要求，指明了新方向。對高中物理教師而言，如何落實學科核心素養的教學要求，是一個既現實又迫切的問題。本文以人教版高中物理教材中的“自由落體運動”［2］的教學為例，剖析學科核心素養的本質要求，并探討指向學科核心素養的高中物理課堂教學設計。

一、學科核心素養的本質要求

（一）物理觀念

“物理觀念”是從物理學視角形成的關于物質、運動與相互作用、能量等的基本認識；是物理概念和規律等在頭腦中的提煉與升華；是從物理學視角解釋自然現象和解決實際問題的基礎。“物理觀念”主要包括物質觀念、運動與相互作用觀念、能量觀念等要素。［3］

因為“物理觀念”是物理概念和規律等在頭腦中的提煉與升華，物理觀念的形成要依托物理概念、規律的準確把握，所以在物理觀念教學中要關注學生對物理概念、規律的準確學習，促成學生對概念、規律的深度理解，從而幫助學生形成正確的物理觀念。［4］

落實在“自由落體運動”教學中，教師應做好以下兩個方面的工作：（1）通過“設置情境→引發認知沖突→邏輯推理→實驗驗證→建構模型”的教學過程，加強“自由落體運動”概念教學；（2）通過“分組實驗→數據分析→實驗結論→總結規律→規律應用”的教學過程，加強“自由落體運動”規律教學。

（二）科學思維

“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和結論提出質疑和批判，進行檢驗和修正，進而提出創造性見解的能力與品格。“科學思維”主要包括模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新等要素。［5］

科學思維是對自然界事物的本質屬性、內在規律及事物間的相互關系的間接的、概括的和建構的反映，該反映以科學知識經驗為中介，需要人腦借助推理和論證等形式，對多變量復雜系統進行信息加工。科學思維中常用的思維方法有分析、綜合、抽象、概括、推理（演繹、歸納、類比）、論證等。［6］

落實在“自由落體運動”教學中，教師應做好以下四個方面的工作：（1）通過對落體運動中重物下落快，還是輕物下落快的問題進行邏輯推理，提升學生的推理能力；（2）通過建構自由落體運動模型，提升學生的模型建構能力；（3）通過探究實驗分析判斷自由落體運動的性質，提升學生的分析判斷能力；（4）通過運用公式處理實際問題，提升學生的綜合分析能力。

（三）科學探究

“科學探究”是指基于觀察和實驗提出物理問題、形成猜想和假設、設計實驗與制訂方案、獲取和處理信息、基于證據得出結論并作出解釋，以及對科學探究過程和結果進行交流、評估、反思的能力。“科學探究”主要包括問題、證據、解釋、交流等要素。［7］

科學探究的本質是：探究者通過自身主動參與，發現問題、解決問題，重要的是帶著問題去思考、活動、學習。［8］

落實在“自由落體運動”教學中，教師應做好以下工作：充分認識科學探究的重要性，認真組織學生進行分組探究實驗，通過打點計時器記錄重錘自由下落的運動情況，分析自由落體運動的性質，測量自由落體運動的加速度，總結自由落體運動的規律。

（四）科學態度與責任

“科學態度與責任”是指在認識科學本質，認識科學·技術·社會·環境關系的基礎上逐漸形成的探索自然的內在動力，嚴謹認真、實事求是和持之以恒的科學態度，以及遵守道德規范，保護環境并推動可持續發展的責任感。“科學態度與責任”主要包括科學本質、科學態度、社會責任等要素。［9］

科學態度與責任的教學不能生硬地單獨說教，而應該通過探究的形式融入科學觀念和科學思維教學之中，力求做到“隨風潛入夜，潤物細無聲”。［10］

落實在“自由落體運動”教學中，教師應做好以下三個方面的工作：（1）通過回顧亞里士多德的錯誤觀點，讓學生認識到偉大的哲學家、思想家亞里士多德也會出現錯誤，從而樹立不迷信權威、敢于質疑、追求真理的科學精神和科學態度；（2）指導學生閱讀“科學漫步”欄目中的內容，讓學生認識到人們對客觀世界的認識，不是一帆風順的，而是一個曲折甚至漫長的過程，中間會遇到許多困難，從而讓學生樹立崇尚科學、不畏艱辛、堅忍不拔的品質和意志；（3）指導學生閱讀“STSE”欄目中的內容，讓學生認識到，在追求真理的道路上，也會遇到坎坷，甚至遭遇風險，伽利略在追求真理的道路上勇毅前行，雖然付出了巨大的代價，但照亮了科學進步的航程，取得了流芳千古的輝煌成果。

二、指向學科核心素養的教學設計

案例：自由落體運動（人教版必修第一冊第二章第四節）

（一）教學流程

本節課共設置8個教學環節。

（二）教學過程

［第1環節］創設真實情境，引入物理問題

教師（創設情境，展示圖片）：（1）樹葉飄落；（2）蘋果墜落；（3）露水滑落。

播放視頻：（1）高臺跳水；（2）蹦極運動；（3）高空墜物。

教師（引入課題）：以上是生活中的物理現象，大家有沒有想過這些運動中是否存在某種規律……這是本節課我們要探討的問題。

教師（演示實驗1）：讓一塊橡皮（涂成紅色）與一張薄紙片同時下落。

教師：哪個先著地？

學生：橡皮先著地。

教師：通過上面的實驗我們發現，重量大的橡皮先著地了，給人留下的印象是“重物先著地”。這個結論正確嗎？

（學生露出疑惑的表情）

教師：其實，關于這個問題，早在2000多年前，古希臘哲學家、思想家亞里士多德就作出過這樣的觀點：“重物下落快。”你同意他的觀點嗎？

學生1：我認為亞里士多德的觀點是正確的，在上面的實驗中，就是重的橡皮先著地。

學生2：我覺得亞里士多德的觀點可能有問題，我聽說過亞里士多德的觀點是錯誤的，但不知道為什么。

……

教師（演示實驗2）：讓一枚回形針（紅色）和一張厚紙片同時下落。

教師：哪個先著地？

學生：回形針先著地。

教師（激疑）：在實驗1中重的物體（橡皮）下落快，在實驗2中輕的物體（回形針）下落快，那么到底是重物下落快還是輕物下落快呢？

（學生意見不同，疑惑不解）

教師：關于這個問題，早在16世紀就有一位著名的科學家思考過了，他就是意大利物理學家、天文學家伽利略，請大家閱讀教材第47頁最后一段文字，領會他的邏輯推理過程。

（學生自主學習）

教師（釋疑）：伽利略通過嚴密的邏輯推理，得出了結論“重的物體與輕的物體下落得同樣快”。之后，他又在比薩斜塔上做了“兩個鐵球同時落地”的著名實驗，進行了實驗驗證。

教師（再激疑）：那么，實驗1和實驗2中的現象與這一結論相矛盾，又怎么解釋呢？

（學生討論）

學生：可能是由于空氣阻力的影響。

教師：讓我們通過下面的演示實驗來探究這個問題。

教師（演示實驗3）：分未抽去空氣和抽去空氣兩種情形進行牛頓管實驗，（見圖1）。

教師：同學們觀察到了什么現象？

學生：未抽去空氣時，重的鐵片下落得快，輕的羽毛下落得慢，但抽去空氣后，鐵片和羽毛就下落得同樣快了。

教師（總結并釋疑）：在現實生活中，之所以看到輕重物體下落的快慢不同，是受到空氣阻力作用的緣故，如果沒有空氣阻力，所有物體下落的快慢是一樣的。

教師：將以上實驗結果記錄在同一張表格中，見表1（通過多媒體展示）。

［第2環節］抽象本質要素，建構物理模型

教師：已經知道，在沒有空氣阻力的時候，所有物體下落的快慢是一樣的。既然是一樣快慢的運動，這種運動就應該具有共同的本質屬性和運動規律，為了認識這種運動的本質屬性和規律，需要對這種運動建立一種模型，我們把這種運動模型起一個名字，叫作“自由落體運動”。

教師（通過多媒體展示給出定義）：物體只在重力作用下從靜止開始下落的運動，叫自由落體運動。

教師：那么，如何探究自由落體運動的本質屬性和規律呢？

學生：先搞清運動性質，看看是否為勻加速直線運動，然后再考慮探究運動規律。

［第3環節］學生自主探究，教師巡回指導

學生分組實驗：探究自由落體運動的性質，測量自由落體加速度。

實驗裝置如圖2所示，小組的實驗器材有：鐵架臺一個，打點計時器一個，學生電源一臺，重錘一個，紙帶若干條，毫米刻度尺一把，鉛筆一支，白紙多張，夾子一個。

實驗步驟如下：

1.學生帶著以下問題（教師設置的問題串）研讀教材第P48頁的實驗（“研究自由落體運動的規律”）的要求。

（1）開始實驗時，手應抓握在紙帶的什么位置？紙帶應保持什么樣的狀態？

（2）開始實驗時，是先釋放紙帶，還是先接通電源？

（3）打出的紙帶是否要有選擇地使用？

（4）選取紙帶時是否要考慮第一、二點間的距離約為2 mm？

（5）紙帶選好后，是否可以通過紙帶判斷自由落體運動的性質？如何判斷？

（6）如果通過紙帶判斷出自由落體運動是勻加速直線運動，那么是否可以通過紙帶測出自由落體運動的加速度？如何測量？

（7）在選好的紙帶上選取計數點時，是否一定要每相隔5個間隔點取一個計數點？

（8）如果每相隔4個間隔點取一個計數點，如何計算自由落體加速度？（拓展學習內容）

2.研讀結束后，各小組通過討論分別制訂自己的實驗方案。

3.師生共同研討解答上面的問題。

4.各小組修正、細化、完善自己的實驗方案。

5.各小組按照完善后的實驗方案進行探究實驗，教師巡回指導。

［第4環節］學生展示成果，師生評價成果

教師在各小組完成探究實驗之后，讓各小組的代表上臺展示實驗成果，接受師生評價。

各小組的代表上臺展示本小組的探究結論，并陳述實驗過程中遇到的困難和實驗之后產生的困惑。

教師對各小組遇到的困難和困惑進行解答釋疑，對各小組在實驗過程中的表現作出評價。

［第5環節］修正實驗成果，歸納物理規律

教師引導各小組對探究結論進行修正、完善，最終得出科學結論：自由落體運動是初速度為零的勻加速直線運動；自由落體加速度為9.8 m/s2。

教師（拓展延伸）：通過探究實驗測出自由落體加速度為9.8 m/s2。這個實驗是在本地完成的，如果在其他地區做實驗，加速度還是這個數值嗎？在不同地區都是一樣的數值嗎？

（學生露出疑惑的表情）

教師：通過多媒體展示教材第49頁的表格（“一些地點的重力加速度”），讓學生觀察表格中的數據，并找出變化規律。

學生：表格中的數據表明，自由落體加速度與物體所在地區的地理緯度有關，在緯度越大的地方，自由落體加速度越大。

教師（追問）：為什么會有這種關系？自由落體加速度大小到底與什么因素有關？又有什么定量關系？教材中為什么稱自由落體運動的加速度為重力加速度？

（學生：疑惑不解）

教師：這個問題現在討論起來有些困難，留給大家課后自主探究學習（課后學習任務1）。

［第6環節］應用物理規律，解決實際問題

閱讀教材發現，本節正文中并未安排相關例題，這是因為本節正文內容已很豐富，主要呈現自由落體運動的認知發展過程、自由落體運動的性質與規律、物理學發展史方面的內容，例題在本節正文中不是必要內容。

但教材在“練習與應用”欄目中編入了多道相關習題，仔細查看后不難發現，這些習題并不是通常的勻變速直線運動問題，而是與自由落體運動密切相關的實際問題，所有習題的背景都是自由落體運動，是非常有特色的、個性化的習題，自然有它的教學價值。

下面筆者選擇其中一道習題進行分析：

［案例］（教材P53“練習與應用”第3題）為了測出井口到水面的距離，讓一個小石塊從井口自由落下，經過2.5 s后聽到石塊擊水的聲音，估算井口到水面的距離。考慮到聲音在空氣中傳播需要一定的時間，估算結果偏大還是偏小？

解答從略。

分析說明：此習題是運用自由落體運動規律處理實際問題，它的教學功能有兩個，一是讓學生加深對自由落體運動規律的理解與掌握，并形成應用物理規律處理實際問題的觀念；二是讓學生通過物理規律的實際應用，產生學以致用的興趣。

［第7環節］指導閱讀欄目，挖掘欄目功能

不難發現，對于本節課，教材除常規教學內容外，還編有“科學漫步”和“STSE”兩個閱讀欄目，且欄目篇幅很長，占2.5個頁面。此類閱讀欄目，其主要教學功能是增強學生的“科學態度與責任”素養，教師在教學中也應給予充分重視，可采取設置問題串的教學方法開展教學，指導學生自主閱讀欄目內容，并思考相關問題。問題串設置如下：

（1）伽利略如何用邏輯推理的方法揭示亞里士多德觀點的錯誤？

（2）伽利略為何猜想自由落體運動中，物體的速度有[v∝x]和[v∝t]兩種可能，又如何判定[v∝x]不正確？

（3）為什么檢驗[v∝t]即是檢驗[x∝t2]？

（4）伽利略如何巧妙地克服困難，設計精確可行的實驗檢驗[x∝t2]？

（5）伽利略如何由斜面實驗的結論，合理外推到自由落體運動的規律？

（6）對亞里士多德的錯誤觀點，你是怎么看的？

（7）伽利略在研究自由落體運動的過程中，遇到了種種困難，通過努力，又一個一個地克服了困難，他的研究歷程對我們有什么啟示？

（8）伽利略在科學研究的征途上遭受迫害，但他堅強不屈，堅持研究，他這種無所畏懼、勇毅前行的精神，你是怎樣理解的？

討論過程從略。

教師：對于（2）、（3）兩個問題，現在討論起來有些困難，留給大家課后自主探究學習（課后學習任務2）。

［第8環節］回顧教學過程，進行課堂總結

1.從內容層面來看，本節課探討了三個方面內容：

（1）通過抽象思維，定義了自由落體運動，建立了自由落體運動的理想模型。

（2）通過探究實驗，得出了自由落體運動是初速度為零的勻加速直線運動。

（3）通過探究實驗，測得了自由落體運動的加速度為9.8 m/s2。

2.從目標達成層面來看，本節課的收獲有如下四點：

（1）通過探究學習，樹立了基于自由落體運動性質與規律的物理觀念。

（2）通過邏輯推理、實驗數據分析、物理規律總結、實際問題處理等過程提升了科學思維素養。

（3）通過探究自由落體運動性質、規律等活動提升了科學探究素養。

（4）通過閱讀教材中的“閱讀欄目”，感受了科學研究的艱辛與困苦，以及科學家不畏強權、追求真理、堅強不屈、勇于獻身的大無畏氣概和獻身精神，從而提升了敬畏科學的態度，增強了社會責任感。

三、回顧與反思

回顧以上整個教學設計，產生了諸多感悟，覺得教師在平時教學設計中應注意以下設計策略：

（一）創設真實情境，營造教學氛圍

真實情境就是日常生產生活中的真實場景，教師在教學中要根據教學需要，圍繞教學目標，結合學生的生活經驗和學習基礎，聯系生產生活實際，從多個角度創設真實情境，引入物理問題，將學生帶入充滿情趣的物理世界中，激發學生的學習興趣，使學生產生強烈的求知欲望和探究熱情，進而促進教學活動的有效開展。

（二）堅持問題導引，促進有效教學

問題在教學中普遍存在，發現問題、提出問題、探究問題、解決問題是教學的基本方式。堅持問題導引，可增強課堂教學的目的性和針對性，避免盲目性和隨意性。以問題解決的方式推進課堂教學，使問題成為教學的動力和心臟，成為聯結教師和學生的橋梁，使問題解決成為教學過程本身，可以更好地發揮課堂教學促進學生核心素養發展的作用。［11］

（三）建構物理模型，促進科學研究

新課標要求學生具有建構模型的意識和能力。物理學是研究物理現象和物理規律的學科，而實際的物理現象和物理規律一般都是十分復雜的，涉及許多因素，在科學研究中，舍棄次要因素，抓住主要因素，從而突出客觀事物的本質特征，這個過程就是建構物理模型的過程。建構物理模型是開展科學研究的前提和基礎。

（四）實施任務驅動，打造高效課堂

任務驅動模式是借助任務驅動教學，教師在教學中可根據教學需要，在多個教學環節設置恰當的學習任務，促進學生對知識的自主建構。任務驅動模式的應用改變了傳統的教學結構，使得學生真正成為學習的主體。教師在設計和選擇任務的過程中強調以學生為中心，確保學生在完成任務的過程中能夠掌握知識、技能和方法，提高學科核心素養。［12］

（五）突出學生主體，實現課堂轉型

在傳統教學中，教師是教學的主導者，教學方法以講授法為主，學生的主體作用不突出，這種以教師為中心的教學方式客觀上遏制了學生主觀能動性的發揮。在現代教學中，學生是教學的主體，教學方法以學生自主思考、自主探究、自主建構、合作學習等為主要形式，教學目標已從三維目標升華成了核心素養目標。教師要適應形勢變化，改進教學行為，改變課堂面貌，實現課堂轉型。

四、結束語

《普通高中物理課程標準（2017年版）》已在全國普遍施行，并對學科核心素養的培育與提升提出了明確要求，教師在教學過程中應以學科核心素養為引領，以教材內容為依托，以學生為中心，精心設計教學過程，努力培育和提升學生的學科核心素養。

［? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?］

［1］［3］［5］［7］［9］? 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版）［S］.北京：人民教育出版社，2018：4-6.

［2］? 人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發中心.普通高中教科書 物理 必修 第一冊［M］.北京：人民教育出版社，2019：47-53.

［4］［6］［8］［10］? 彭前程.談對“學生發展核心素養及物理學科核心素養”的理解［J］.中學物理教學參考，2017（19）：1-4.

［11］? 余文森，龍安邦.以問題為導引：指向核心素養的課堂教學過程［J］.天津師范大學學報（基礎教育版），2023（3）：1-6.

［12］? 李建強，張琰.任務驅動模式在高中物理教育領域的踐行［J］.中學物理教學參考，2021（27）：8-9.

（責任編輯 易志毅）