從學科學習走向學科實踐
——以“摩擦力”一課為例

賁可敬

(江陰市夏港中學,江蘇 無錫 214442)

學科實踐,即學科知識的發明、創造與應用的實踐,是學科理解、學科知識與技能、學科探究方法和態度的綜合.[1]2022年義務教育課程方案和課程標準的頒布實施,進一步強調學科育人、實踐育人,探索與素養目標和課程內容結構化相匹配的學科典型學習方式,推進以學科實踐為標志的育人方式變革.[2]學生不是物理學習的旁觀者和靜聽者,而應該是物理學科實踐的參與者和建構者.物理學科實踐能有效改變基于間接經驗和現成知識的物理學科學習現狀,進而使發展學生物理核心素養成為可能.

1 從建立知識體系走向創設情境解決問題

知識體系的建立雖然便于學生形成學科知識框架,但離開真實情境的知識卻是孤立的、離散的,不能普遍遷移.新課程方案指出各個學科要堅持素養導向,強化學科實踐,推進綜合學習,落實因材施教,進一步突顯創設以學習者為中心的學習情境.現代心理學也認為,學科實踐既依賴于方法和技術,更依賴于所處的氛圍、環境和場域.“場”是具有能量的,此為物理學的概念,亦可遷移到學生的學習.“場”具有物理學習與實踐的能量,具有引起興趣、引發思維、引領發展的能量,場也是形成學科實踐認知的最直接原因.

1.1 實踐情境的營造

物理學習有具身性,物理教學的特點之一是情境性較強,其中學習環境和操作情境對提升學習興趣、培養實踐能力尤為重要.本節課我們提供了大卡車輪胎、小轎車輪胎、綢布、頁碼較多的書籍,如圖1所示.這些非常規且生活性很強的物件、器具的出現,為學生營造了良好的物理學習情境,為學生交流合作、動手實踐創造了適宜的學科實踐情境.

圖1 情境器材

1.2 實踐場域的構建

物理學中會涉及電場、磁場、引力場等內容的學習與研究,場會對其中特定的物體或物質產生一定的作用.利用物理學常見的類比研究法,營造合適的場域,對學生以及物理學習形成正面促進作用,是物理學本身的學科優勢,也是開展學科實踐的基礎.摩擦力一課安排在多功能實驗室進行,如圖2所示.現代化、多功能的設備與技術環境(如圖3所示)為學生構建了聯系生產生活、強化實驗實踐的場域.這種場域能充分激發學生的好奇心和實踐欲,為學科實踐活動的開展打下堅實的心理基礎.

圖2 多功能實驗室

圖3 多功能設備

2 從掌握學科事實走向使用工具探尋未知

新課程倡導的新教學,就是要從掌握學科事實向探尋未知、使用事實轉變.在特定情境中工具的使用是不可或缺的因素,人是制造和使用工具的存在,物理實踐需要工具支持.實踐活動主體通常需借助特定的工具作用于研究對象,工具、符號、媒介成了活動所必需的方式,它改變著活動的性質、效能,同時又不斷被學科實踐活動所改造、優化,為創造新的學科事實而做好準備.

2.1 思維工具的形成

思維工具包括學科核心概念的建構、實驗方案的優化以及關于思維過程的程序性知識、元認知技能等,包含的內容比較豐富,具有重要的增智賦能作用,是學科實踐的重心所在.學科實踐不僅要把這些思維工具作為學習的對象,還要把它們作為活動的重要工具和改造的對象,注重讓學生在實踐過程中使用并改造,以加深對思維工具的理解,不斷提高實踐活動的內在質量和實施水平.問題是思維工具形成的載體,以問題解決作為思維訓練的目標,能有效提升學生的思維品質.如表1所示為實驗裝置優化思維工具形成表.

表1 實驗裝置優化思維工具形成表

2.2 操作工具的使用

學科實踐注重通過設計“作為工具的清單”,促進穩固而靈活的理解.操作工具包括儀器設備、技術手段等,它本質上是人的肢體的延伸、實踐智慧的凝聚,實現了眾多僅憑人的肢體無法或不易達成的功能,極大地豐富了學科實踐活動的方式,提高了學科實踐活動的效能.如本課使用的人字梯、橫向支架、手動卷揚器(含直線軸承)、扁擔等,如圖9所示.大量工具的使用為實驗探究和模型建構提供了設計便利和操作基礎,學生在選擇、使用、改進工具過程中的創新創造意識和工程技術能力得到明顯提升.

圖9 課堂中使用的儀器

3 從記憶學科知識走向經歷實踐形成素養

知識的本質是觀念,觀念的本質是實踐.觀念既源于實踐,又指導新的實踐.實踐連接了知識和素養,是素養得以形成的中介,只有通過學科實踐在情境中對學科知識加以應用和創造,才能發展學生的物理核心素養,實現物理學科的育人價值.[3]

3.1 引起興趣的實踐形成學習動力

3.1.1 以學科實踐激發學習好奇心

物理學習要通過學科實踐將學生置身于學習場域,融入學習氛圍,激發學習興趣.本課中老師請學生在人字梯橫桿拉互插的兩本書做引體向上,以意想不到的實踐效果讓學生感受到摩擦力的存在,從而引出課題.在教室內借助特殊的單杠,如圖10所示,進行體育運動——引體向上,如圖11所示,這無法想象的場景真實地發生在物理課堂,充分激發了學生的學習欲,為學科實踐打下了堅實的學習動力基礎.

圖10 單杠圖

圖11 引體向上圖

3.1.2 以學科實踐保持持久學習力

物理學科實踐中創設的情境、利用的器具、開展的活動要有趣味感、沖擊性和震撼力,要足以喚醒學生的學習心理,刺激學生的學習欲望,讓學生較長時間地保持良好的學習情緒,以形成持久的學習動力.例如,讓一名學生在教室地面上拉小輪胎向前移動,如圖12所示,體驗摩擦力的存在,感受阻礙作用的大小,引出滑動摩擦力;讓一名體重較小的學生坐在輪胎上,同一名學生拉動,感覺拉動輪胎時更加吃力,讓學生初步體驗壓力對滑動摩擦力的影響;讓一名體重較大的學生坐在輪胎上,同一名學生拉,卻無法拉動,學生都覺得此時輪胎仍然受到摩擦力,但與之前所受的滑動摩擦力有所不同,引出另一種類型——靜摩擦力.

圖12 體驗摩擦力情境

3.2 引發思維的實踐激發課堂活力

3.2.1 以學科實踐促進學生合理猜想

學科實踐為學生合理猜想提供了充分的依據,力爭實現猜想有依、假設有據.在猜想影響滑動摩擦力大小的因素后,實驗探究前,本課設計了序列化實踐活動,以引發學生思維的進階.小輪胎主要在引入兩種類型的摩擦力時發揮了作用,此時展示一只體積更大的輪胎,讓學生面臨挑戰性實踐任務——拉動大卡車輪胎.一名學生拉得氣喘吁吁,如何才能拉起來相對容易一些,學生經過討論提出了諸多方案:將輪胎豎起來拉,可以減小接觸面積;在輪胎下涂潤滑油,減小接觸面的粗糙程度;快一點拉輪胎,加快速度;將輪胎切割掉一部分,減小重力.猜想不是胡思亂想,而要以生活經驗或學科實踐提供的信息作為依據,而做出合理的猜想,這樣的猜想才是有價值、有意義的.

3.2.2 以學科實踐幫助學生尋找證據

科學論證是一種重要的科學思維方式,在科學論證活動中滲透證據意識,[4]在學科實踐中培養學生尋找證據、分析論證的能力顯得尤為重要.由于輪胎不同表面的紋路不同,因此平躺與豎立時接觸面的粗糙程度不同,接觸的面積也不同,這樣的操作違背了控制變量的思想;涂潤滑油理論上可行,但對地面的污染較大,很難清除,可用相對光滑的綢布墊在輪胎下體驗,如圖13所示;拉動輪胎的難度本來就大,加快速度拉動難度更大,這種方案并不可取.學生在尋找解決問題的方法過程中,不經意間考慮到了可能影響滑動摩擦力大小的因素,同時學科思維得到較好的發展.活力課堂之活外顯于教學活動之豐富,內隱于學生思維之活躍.學科實踐活動的開展對提升學生思維品質,激發課堂活力具有強大的推動作用.

圖13 實物圖

3.3 引領發展的實踐提升學生能力

3.3.1 以學科實踐破除錯誤前概念

重力對滑動摩擦力有影響,是學生的前概念,即使在學習摩擦力后,這種想法還是存在于不少學生的腦海中.學科實踐活動若能破除學生前概念,建立科學的物理觀念,這是學生素養發展的顯著標志.本課設計了在不改變重力的前提下,改變滑動摩擦力的實踐活動,這能讓學生更容易理解壓力是改變滑動摩擦力大小的因素,而非重力.增大壓力會使滑動摩擦力更大,學生更難拉動輪胎,不易發現壓力對滑動摩擦力的影響.可以反其道而行之,通過減小壓力,讓拉動輪胎更容易一些來顯現壓力對滑動摩擦力確有影響.學生想到向上拉輪胎,因輪胎直徑過大,直接向上拉不太方便,事先在輪胎對稱位置安裝了兩根彈簧,兩名學生用扁擔抬起輪胎向前走,而非在地面上滑動,如圖14所示.即使貼著地面滑動,也很難判斷兩名學生是否直接或間接對輪胎施加了水平向前的拉力.

圖14 學生體驗情境

3.3.2 以學科實踐推動挑戰性任務

如何只產生豎直向上的力,同時不產生水平向前的力?這是挑戰性學習的核心所在.經學生多次討論交流和教師點撥,最終在組合“工具”的幫助下完成設計方案.將一個直線軸承與手搖卷揚器固定在一起,將直線軸承套在與其內徑相當的實心導軌上,使直線軸承可以在導軌上自由滑動,將導軌的兩端固定在兩個約2 m高的不銹鋼支架上,手搖卷揚器通過軸上的繩子纏繞逐步拉起輪胎上的彈簧,如圖15所示,通過彈簧明顯的形變說明對輪胎施加了豎直向上的拉力,也沒有人為水平向前的推力,這時同一名學生能非常輕便地拉動輪胎向前滑動,如圖16所示.如此,在不改變重力大小的前提下,通過改變輪胎對地面的壓力,從而改變了滑動摩擦力的大小.學科素養的發展,關鍵在于對重點、難點問題的突破,而實踐活動的介入,能有效增強學生體驗,提升學生素養.

圖15 學生體驗情境

圖16 學生體驗情境

4 從關注學業水平走向注重學科表現行為

從注重學生的考試成績向關注學生學業水平發展的轉變是第8次課程改革的顯著成效之一.新課程倡導的學習評價是注重學科表現行為的評價,是學生深處學習場域,置于真實情境,完成表現性評價任務時的行為表現,以表現性評價任務為參照確立核心素養發展的具體行為和評價量規,是學科實踐導向的學習評價主要載體.探究影響滑動摩擦力大小的因素的實驗是檢驗前期學科實踐效能的重要載體,而設計合理的實驗方案則是體現實踐能力的基礎,其中實驗器材的選擇、實驗方案的設計與實驗過程的實施可以作為評判學科實踐效能的主要標準.

4.1 自由選擇器材

實踐性的要求是具有科學探究能力并能應用物理知識解釋現象和解決生活中的實際問題.創設機會,讓學生自己選擇器材自主設計實驗步驟.《物理課程標準》在教學建議中提出“進行學生實驗時,應讓學生在理解實驗方案的前提下,自己選擇實驗器材,組合實驗裝置,自主進行實驗”.在為學生提供相關器材后,如圖17所示,讓學生討論交流并自行選擇器材,組合器材后分類做好后續探究準備.如選擇速度可調的實驗器、帶輪子的測力計、上下表面積不同的物體、雙面木板(鍍膜面朝上),可以研究滑動摩擦力與接觸面積的關系等.

圖17 實驗器材

4.2 自行設計方案

以往實驗前都會發給學生一些實驗方案,把實驗步驟一條條地羅列給學生,并事先設計、繪制好各種記錄數據的表格,讓學生“按方抓藥”、不求甚解地在表格中填入數據,這種菜單式的實驗操作模式,固然容易順利得出教師“預設”的實驗結果,但不利于學生實驗探究能力的培養.開放性實驗有助于學生科學思維的培養,多樣化的設計還能充分激發學習動力和課堂活力.[6]本節課嘗試在某些實驗中開放設計思路,事先只明確實驗目的及評價指標,其他環節由學生根據選擇的器材設計相應的實驗方案,教師用圖示的方式表達學生的方案,以此來拓寬學生思維,培養學生科學探究素養.如圖18所示.學生在實驗過程中能否熟練應用控制變量法并通過數據分析得出初步結論,也是學科實踐效能的重要體現.

圖18

4.3 自主交流評價

評價是一種多元化的綜合表現,是對整個教學過程的評估和反思,評價的目的在于促進學生學習和改進教師教學.[5]本課設計的評價主要采用了表現性評價方式,尤其是行為表現中的演示、口頭匯報、小組討論等形式和構答反應中的圖表等形式,如表2所示的“探究影響滑動摩擦力大小的因素”實驗數據記錄表.同時設計表現性評價量表來測評學科實踐的效能和學生素養提升的程度,如表3所示的“探究影響滑動摩擦力大小的因素”學生實驗表現性評價表,以檢驗學科素養的達成度.

表2 “探究影響滑動摩擦力大小的因素”實驗數據記錄表

表3 “探究影響滑動摩擦力大小的因素”學生表現性評價表

學科實踐是物理學科特有的教學與學習方式,通過學科實踐推動教學方式轉型,提升學生素養是義務教育物理課程標準推動育人方式變革的顯著特征.為學生學科實踐提供合適的場域和必要的工具,需要教師開展形式多樣的實踐活動,通過實踐性、表現性評價檢驗實踐效能.學科實踐的宗旨是育人,育人是實踐的靈魂,實踐是育人的途徑和方式.[6]實踐育人在學科實踐過程中蘊藏著崇高的價值立意和豐厚的理論意蘊.[7]