核心素養下物理教學的三個走向

【專家介紹】

西南大學教師教育學院教授，碩士研究生導師。重慶市人文社會科學重點研究基地、重慶市科普基地，西南大學科學教育研究中心副主任。重慶市普通本科高等學校教學指導委員會數理類專業教學指導委員會委員。騰訊科學教育專家委員會委員。主持國家社會科學基金教育學一般項目等多項科研項目，參加編寫高中物理教材，先后發表學術論文50余篇。在國內較早開展中學生科學家形象和科學技術形象研究，研究成果受到國內學術同行和新聞媒體關注。曾獲重慶市科技進步獎三等獎（4/8）等。

摘" "要：文章旨在探討核心素養下中學物理教學的三個重要走向。一是從關注教師的“教”走向關注學生的“學”。教師要重點關注學生的已有知識經驗、學習困難和學習動機。二是從“知識型”教學走向“思維型”教學。教師可以對教學內容進行思維可視化，對教材內容進行結構化。三是從物理知識教學走向科學文化教育。教師可以挖掘和利用科學家素材進行教學來彰顯科學文化教育。科學家素材的利用要關注科學家品質、中國科學家的成就、女性科學家素材挖掘、科學家視頻資源開發。

關鍵詞：核心素養；物理教學；學為中心；思維型教學；科學文化

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A " " 文章編號：1003-6148（2024）1-0001-5

隨著科技的飛速發展和社會的不斷進步，培養學生哪些關鍵能力以適應未來社會的發展需求已成為國際社會共同關注和亟待解決的問題［１-２］。２０１６年，我國發布了《中國學生發展核心素養》的總體框架和基本內涵，分別從文化基礎（人文底蘊、科學精神）、自主發展（學會學習、健康生活）和社會參與（責任擔當、實踐創新）三個方面對中國學生適應終身發展和社會發展需要的必備品格和關鍵能力提出要求［３］。在此基礎上，中學各學科課程標準立足于對本學科內容特點的深入理解，進一步凝練出學科核心素養，并作為學科育人價值的集中體現［４］。其中，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維度［５］。

從學科核心素養的制定到落實，本質上是從“培養什么樣的人”到“如何培養這樣的人”的轉變，如何讓物理學科核心素養在物理教學中真正落地實施，是當前推進物理課程改革必須面對和思考的問題。在培養學生核心素養和學科核心素養的背景下，中學物理教學有哪些新的走向呢？

１" " 從關注教師的“教”走向關注學生的“學”

《中國學生發展核心素養》中的自主發展包括學會學習和健康生活兩個維度［3］。在教學中，應該促進學生學會學習。教育部印發的《義務教育課程方案（２０２２年版）》中則明確提出“凸顯學生主體地位，關注學生個性化、多樣化的學習和發展需求”［6］。從新課程的理念出發，教學改革要實現由教師中心到學生中心的轉變，從關注教師的“教”走向關注學生的“學”，進而提高學生的學習質量。

１．１" " 關注學生的已有知識經驗

物理教學要基于學生已有的知識經驗展開。布盧姆在《為掌握而學》中闡述了學校學習理論中的主要變量，分別為學生的特征、教學質量以及學習的結果［7］。學生的學習特征包括認知準備狀態和情感準備狀態。在教學中，要關注這兩種狀態。奧蘇伯爾提出了有意義學習理論，其實質在于符號（語言文字及其符號）所代表的新知識與學習者認知結構中已有的適當觀念建立起非人為性的和實質性的聯系［8］。因此，在物理教學中，要幫助學生將新知識與舊知識關聯起來。許多老師也習慣于復習舊知識、講解新知識。

關注學生的已有知識經驗，要注意一種情況：學生在進入課堂前對所要學習的內容并非一張“白紙”，頭腦中已經存在許多前概念。學生頭腦中的前概念有些是正確的，有些是錯誤的，有些是完整的，有些是不完整的。而這些前概念都會對學習者的學習產生影響。幫助學生進行概念轉變，也是物理教學的一項重要內容。

重慶市名師阮享彬在“浮力”一課中，不僅關注到學生認為“下沉的物體不受浮力”這一前概念，而且利用自制的“爽歪歪”實驗教具破解了這一難題。首先，學生用一根橡皮筋連接細線和爽歪歪，用力捏住細線的一端將爽歪歪提起，進行受力分析可知，手受到爽歪歪向下的拉力，橡皮筋被拉長發生形變。然后，教師讓學生把爽歪歪浸入水中并注意觀察橡皮筋的長度。在浸入爽歪歪的過程中，學生感受到拉力變小，看到橡皮筋變短。這充分說明爽歪歪在水面下受到一個向上的力，即液體對下沉物體所施加的浮力。教師通過關注學生的前概念，巧用實驗幫助學生完成概念轉變。

１．２" " 關注學生的學習困難

關注學生的學習困難是教學中的重要環節。馬格努森（Magnusson）等人基于對科學教師學科教學知識的研究，認為PCK由五部分組成，分別是：一，關于學科教學取向（orientation）的知識；二，關于課程的知識；三，關于學生的知識；四，關于教學策略的知識；五，關于學習評價的知識［９］。關于學生的知識進一步可以分為學生學習的準備知識和學生學習的困難知識［１０］。了解學生的學習困難，能使教師更好地把握學科教學的重點和難點，從而有針對性地調整教學策略，幫助學生更好地理解和掌握知識。

在教學過程中，教師要關注學生存在哪些學習困難以及造成困難的原因，站在學生的立場上思考問題，找出學生在學習過程中的堵點，實施處方式教學。例如，現行教材中某些內容的編寫，可能造成學生理解上的困難，教師就要積極關注并尋求破解之道。

以人教版“楞次定律”一節為例，教材中采用插入磁鐵和拔出線圈的方法引入感應電流的磁場較為生硬，易使學生感到困惑。那么，如何自然地引入感應電流磁場方向？江西信豐中學的物理教學名師郭訓盛不但關注到這個學習困難，而且利用實驗巧妙地將問題進行轉化，幫助學生更好地學習該內容［１1］。他在一個自己繞制的線圈的兩端，反向并聯了兩個發光二極管組成閉合電路，讓超強磁鐵直接靠近或遠離線圈，能夠觀察到閉合線圈被推開（表現為斥力）和被吸引（表現為引力）以及發光二極管產生明暗變化的現象。由同名磁極相互排斥、異名磁極相互吸引的規律，可以判斷出感應電流的磁場方向，進而較為自然地幫助學生從研究感應電流的方向轉換為研究感應電流磁場的方向。這一教學思路的轉變，是對原有教材的巧妙處理，符合學生的認知規律，創造性地解決了學生的學習困難。

１．３" " 關注學生的學習動機

奧蘇伯爾認為成就動機（學生試圖取得好成績的傾向）主要由認知內驅力、自我提高內驅力以及附屬內驅力組成。認知內驅力是學生渴望認知、理解和掌握知識，以及陳述和解決問題的傾向［１2］。學生學習的毅力與認知內驅力的強度密切相關。若要提高學生的認知內驅力，最好的辦法之一，是使學習情境具有吸引力。２０２０年教育部印發的《普通高中物理課程標準（２０１７年版２０２０年修訂）》中特別指出“在教學設計和教學實施過程中要重視情境的創設”，創設情境教學對于培養學生的物理學科核心素養具有至關重要的作用［１3］。

西南大學附屬中學楊川老師在教學過程中創設兩種不同的真實情境引入動能定理相關知識［１4］。他使用小車、砝碼、水平軌道、定滑輪和細線等實驗器材進行實驗。首先，他將小車平置在水平軌道上，使小車在重物的作用下沿著細線在水平軌道滑行；接下來，他將小車倒置在水平軌道上，同樣使小車在重物的作用下沿著細線在水平軌道滑行。在情境一中，讓學生思考拉力做功與小車質量、小車前后速度之間的關系；在情境二中，讓學生思考拉力與摩擦力合力做功與小車質量、小車前后速度之間的關系，再引導學生根據牛頓第二定律推導出動能定理的表達式。楊川老師所用實驗情境兼顧拉力做功和合力做功兩種情況，與教材設置相比，能夠更加有效地激發學生的學習興趣，提升學習動機，也使得教材中與動能定理相關知識更加生動形象。

２" " 從“知識型”教學走向“思維型”教學

核心素養是人們在信息時代和知識社會中，為了應對復雜問題和不可預測的情境，所需要具備的高級能力和人性能力。然而，素養并不等同于知識，知識的積累并不必然會導致素養的提升。但同時素養離不開知識，沒有知識的支撐，素養就如同無源之水、無本之木［15］。新一輪基礎教育課程改革，諸如數學、物理、語文、外語等學科的核心素養都在強調促進學生思維品質的發展。物理學科核心素養，更是明確將科學思維作為學科核心素養的四個維度之一。

從科學發展的歷史角度來看，短期內科學呈現為一個相對穩定的理論知識體系；然而，長期來看，科學真理并非永恒不變。科學的本質是相對且可變的，它始終處于不斷的修正和發展過程中。科學知識不是靜態的，而是動態的。“變化”是科學本身具有的唯一不變特性。相對不變的，可能是科學精神、科學方法和科學思維。在知識爆炸的時代，知識是教不完的。教育如何應對這樣的時代，唯有發展學生的科學思維。因此，為了實現課堂教學改革的素養導向目標，促進學生思維能力的提升，物理教學需要從“知識型”教學走向“思維型”教學。

２．１" " 思維可視化

一些教師提出，在規律課教學和習題課教學中能夠培養學生的思維能力。那么，在概念課教學中能不能發展學生的科學思維呢？答案是肯定的。概念教學中也可以通過思維可視化發展學生的科學思維。

以高中物理“液體的表面張力”一節為例，有老師自制了液體表面張力演示儀進行實驗并展開概念教學［１6］。液體表面張力演示儀裝置主要由兩個部分組成：下端是一個裝有砂礫的小瓶，上端是一個鋼絲圈，兩個部分通過三根鋼絲連接在一起。首先，將裝置放入水中，使其自然靜止。經過受力分析，學生可以了解到裝置在自身重力和浮力的作用下達到了平衡狀態。然后，用手將整個裝置按入水中，使其完全浸沒。在放手后，裝置上浮，達到一個新的平衡狀態。對此狀態進行分析，裝置受到的浮力變大，大于其自身重力。然而，裝置仍然保持平衡，因此可以推斷出裝置除了受到重力和浮力之外，還受到了第三個力的作用。這個第三個力就是液體表面張力，它在這個過程中被自然地引了出來。

在這個例子中，教師通過實驗進行“搭橋”，讓學生從外在的實驗現象和內在的邏輯推理明確地意識到液體表面張力的存在。整個教學過程，不僅僅是教知識，關鍵在于引導學生分析論證得到液體中還存在表面張力這一概念。這個過程實際上是一個科學論證的過程。科學論證是物理學科核心素養“科學思維”的一個維度。在這個教學片段中，教師通過可視化的手段在某種程度上發展了學生的科學思維。

２．２" " 知識結構化

教師在進行教學時需要注重知識結構化，從學生的認知邏輯和學科知識邏輯出發，幫助學生建立專家型思維。教師以專家思維看待物理教學內容、組織教學，有助于學生在腦海中形成完整有序的知識結構，同時鍛煉學生的科學思維。知識結構化在教學過程中，可以重點從教材知識結構化入手。

教材作為核心的課程資源，是實現課程目標的重要載體。因此，對于教師來說，深入理解和有效運用教材是至關重要的。新課程提倡教師創造性、個性化地使用教材進行教學，從而提高教學效果。教材功能的轉變，促使教師的教材觀由傳統的“教教材”轉向“用教材”。這勢必會涉及到教材內容的取舍與加工，教學材料的整合與靈活運用［１7］。為了適應具體的教學情境，更好地滿足學生的需求，教師在實施教學的過程中對教材的處理應當充分地展現知識的結構。杜威說：“教材的分量過少或過多，教材的排列紊亂無序，或者孤立零散，都會對思維的習慣產生不良的影響”［１8］。在物理教學中，教師要將課程內容進行結構化組織，基于學科邏輯和學生的心理邏輯實現對教材內容的重構。

以人教版“反沖現象火箭”一節為例， 重慶市２９中的刁祥老師在教學過程中，首先借助演示實驗裝置模擬火箭發射的現象，讓學生在觀察后列舉生活中類似的現象并引導他們總結歸納，構建物理模型。然后對物理模型進行理論分析和解釋，學習了反沖現象的定義和特點。最后用動量守恒的規律對多級火箭發射進行相應的計算，得到了一級火箭的速度，考慮到一些現實因素，了解了使用多級火箭的原因。在課堂教學的整個過程中，教師按照“觀察比較，抽象建模—特征分析，理論釋模—聯系實踐，遷移用模”的結構重組教材內容，引導學生進行學習，使本來相對較為零散的教材知識變得結構更為清晰，并且也在教學中發展了學生模型建構的科學思維。

除此之外，在教學過程中，教師使用物理概念圖、思維導圖等工具進行教學也是幫助學生建立完整有序知識結構的有效手段之一。例如，在復習“光學”這一章內容時，教師讓學生把所有知識進行一個梳理，可以是手抄報、樹形圖，也可以有自己的創新和想法。這種梳理能使看起來零散的概念和規律形成一個有機整體，學生也能借此搭建完善的知識框架。

３" " 從物理知識教學走向科學文化教育

科學教育是科學文化再生產的過程。科學文化包括科學的價值觀、制度、行為和成果（理論的、技術的和物化的東西）四個層面［19］。科學知識僅僅是科學文化的理論成果之一，如果將科學教育窄化為科學知識教學，是對科學教育的本質的偏見。科學教育應該致力于培養學生的科學態度與責任感。科學態度與責任是物理學科核心素養的關鍵要素。為了有效培養學生的核心素養，并助力其科學精神的發展，我們倡導從物理知識教學走向科學文化教育。從知識教育向文化教育的轉變，將不僅有助于從根本上走出知識教育及其“應試教育”的困境，而且還為素質教育和創新教育開辟了充滿希望的未來［２0］。

如何從物理知識教學走向科學文化教育？科學家素材的開發與利用，是一個重要的抓手。物理教學不僅需要傳授科學知識，更重要的是要弘揚科學（家）精神，并傳播科學文化。科學文化涵養著科學精神，科學精神是科學文化的靈魂與本質。科學精神又主要聚焦在科學家精神上。科學家精神傳播的實質便是科學文化傳播。在教學中，科學家精神又主要體現在科學家相關素材之中。因此，物理教學中，可以挖掘和利用科學家素材來弘揚科學家精神。當前科學家素材的開發與利用要注意以下幾個問題：關注科學家品質、關注中國科學家的成就、關注女性科學家素材挖掘、關注科學家視頻資源開發。

３．１" " 關注科學家的專業品質

科學家形象的塑造不僅要關注其勤奮、刻苦、努力、認真等態度，還要關注科學家的專業品質。科學家的專業品質，既可以強調求實精神、創新精神、懷疑精神、合作精神、寬容精神、為科學獻身等科學精神；也可以強調實事求是、好奇心、進取心、虛心、責任感等科學態度。比如，人教版《高中物理選擇性必修二》中對安培的介紹是這樣的：“他在得知奧斯特發現電流磁效應的實驗后，第二天就開始實驗，并有了新的發現。”“安培完美的邏輯推理、巧妙的科學實驗和精美的科學表達，令后人贊嘆不已。”［２1］通過這樣的描述，學生了解到安培在科學研究方面的學術敏感性、求實創新、數學修養、實驗能力等專業品質，在學生心中科學家的形象更為生動和立體，更能促進學生的核心素養發展。

３．２" " 關注中國科學家的科技成就

現行中學教材盡管納入不少優秀科學家，但還是以西方科學家為主，我國科學家相對較少。這可能會導致學生對中國科學家的了解程度較低，甚至可能會影響學生對中國科學家的尊重和認同。中國科學家在科學技術領域取得了許多卓越的成就，這些成就不僅對中國科學技術的發展作出了重要貢獻，同時也對全球科學技術的進步作出了巨大貢獻。因此，在物理教學中，應該更加注重對中國科學家的介紹，尤其是中國科學家取得的卓越成就，從而彰顯中國科技成就，講好中國故事。在講好中國故事的同時，更要介紹身邊的科學家，由此學生會更容易產生身份認同感。

在“反沖”教學片段的結尾，石室中學的寇大武老師不但在教學的最后介紹了明代萬戶以及當代火箭專家龍樂豪院士的故事，而且向學生介紹了石室中學的畢業生戴堃，他是天宮二號與神舟十一號載人飛行任務的總調度。寇老師鼓勵學生向這位優秀的學長學習，以他為榜樣，不斷努力提升自己的能力和水平。通過這個例子，學生能夠深切地認識到科學事業并非遙不可及，而是與他們息息相關。學生也能更加清晰地看到自己在科學領域中蘊藏著巨大的潛力和可能性，從而激發他們對科學探索的熱愛與追求。

3．３" " 關注女性科學家

聯合國教科文組織２０２１年發布的科學報告顯示，全球科研工作者中女性所占比例已超過３３％，但增長速度仍然緩慢，“玻璃天花板”依然存在［２2］，因此我們需要更多地關注女性科學家，鼓勵更多年輕女性進入科學領域。根據班杜拉的社會學習理論，通過觀察學習發現榜樣的力量是無窮的［12］。在科學家素材中選擇更多的女性科學家的素材可以塑造更為飽滿的女性科學家形象，還可以破除學生心目中認為女性不適合做科學家的刻板印象。通過榜樣力量的引領作用、輻射效應，鼓勵更多的女性從事科學技術行業，提高女生未來的科學從業意愿。在科學家素材選擇中，選用居里夫人、吳健雄、何澤慧、葉叔華等女性科學家素材，相較于使用其他男性科學家素材，可以有效提高女學生對物理學科學習的自我效能感。同時，教學中關注女性科學家可以從社會性別視角豐富科學家群體在學生心目中的整體形象。

3．４" " 關注科學家視頻資源

隨著科技的不斷發展，科學家視頻資源作為一種新的教學資源逐漸受到廣泛關注。根據多模態理論，人類通過多種感官模式（如視覺、聽覺、觸覺等）獲取信息。多模態教學必須通過各種手段來刺激學習者的感官，從而調動學習者的學習興趣［２3］。相比文字和圖片，視頻可以更直觀、立體。

在物理教學中，可以充分利用科學家視頻資源，通過視覺、聽覺等多種方式共同呈現，從而更全面地展現科學家的形象、歷史，給學生營造良好的科學文化氛圍。例如，中央電視臺的《朗讀者》和《開講啦》等節目，會邀請科學家和科技工作者參與，這些節目的視頻就是一類可供選擇的科學家視頻資源。利用此類科學家視頻資源，可以幫助學生從內在精神世界和外在生活世界兩個維度認識科學家，有效增強學生對科學家的認知和對科學的興趣。

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（欄目編輯" " 廖伯琴）

基金項目：國家社會科學基金教育學一般項目“科學家精神融入中小學科學教育的策略創新研究”（ＢＨＡ２３０１２６）。