指向學科關鍵能力的物理實踐性學習任務的設計

摘 要：物理學科關鍵能力的培養是高中物理教學落實學科核心素養的關鍵和難點.實踐性任務學習試圖克服目前教學中在培養物理學科關鍵能力上的不足，通過讓學生親自動手進行實驗、觀察現象和解決問題，更好地理解物理學的概念和原理，并將理論知識應用于實際情境中.本文將介紹指向物理學科關鍵能力的實踐性學習任務設計策略，以幫助學生提高他們的實踐能力、觀察分析能力以及解決問題的能力.

關鍵詞：學科關鍵能力；實踐性學習任務；高中物理

中圖分類號：G632 文獻標識碼：A 文章編號：1008-0333（2024）06-0092-03

教育的目標在于培養學生的學科核心素養，以使他們逐漸形成正確的價值觀、必備品格和關鍵能力.物理學科的關鍵能力是連接物理學科核心素養與教學活動的橋梁.高中物理學科的關鍵能力包括理解能力、推理論證能力、模型構建能力、實驗探究能力和創新能力[1].這些物理學科的關鍵能力具體化了物理學科核心素養，有助于教師將素養目標轉化為具體的教學目標和教學行為，進行實踐性學習任務的設計.

1 分析物理數據，培養觀察理解能力

分析物理數據是理解和應用物理知識的重要一環.通過開展實踐學習任務，學生將接觸到真實的物理數據，并對其進行整理、處理和分析，可以提高觀察理解能力，能夠有效地提取信息、找出規律和進行合理的推論.

例如，教學新人教版高中物理必修一第二章《勻變速直線運動的研究》第4節《自由落體運動》時，教師可以先帶領學生開展實驗，在實驗中得出一組關于物體的自由落體運動的數據，要求學生分析并解釋重力加速度的概念.教師：“同學們，今天我們將討論自由落體運動以及重力加速度的概念.首先，我將給大家一組關于物體的自由落體運動的數據，請你們分析并解釋重力加速度的概念，將你們的觀察結果和解釋寫在紙上.”學生們開始觀察數據并記錄他們的觀察結果和解釋，教師請學生分享他們的觀察結果.學生A：“我觀察到在每個時間間隔下，物體下降的距離是不同的.例如，在第一個時間間隔內，物體下降了2 m，在第二個時間間隔內，物體下降了4 m.”學生B：”我注意到在每個時間間隔內，物體下降的距離似乎是遞增的.在第一個時間間隔內，物體下降了2 m；分號在第二個時間間隔內，物體下降了4m，這意味著它下降的距離是遞增的.”學生C：“我覺得這些數據都表明重力對物體的下降產生了影響.物體在每個時間間隔內下降的距離在增加，這可能意味著重力在加快物體的下降速度.”教師對學生的數據分析結果給予肯定并請學生對重力加速度的概念進行解釋總結.教師：“非常好！你們對重力加速度的概念有了很好的理解.重力加速度的大小是9.8 m/s2，這意味著在自由落體運動中，物體每秒鐘的下降速度將增加9.8 m/s.這是一個重要的物理概念，對于我們理解自由落體運動非常重要.”通過數據分析初步了解了重力加速度的概念后，教師要求運用重力加速度的概念，通過計算來預測物體在不同時間間隔下的下降距離，并在小組中討論分享自己的想法.

通過觀察和分析數據，學生可以親自動手進行實驗、觀察和記錄數據，不僅有助于深入理解自由落體運動和重力加速度的概念，還能夠增強他們對實驗過程的理解和掌握，培養其實踐操作能力.

2 驗證物理結論，培養推理論證能力

在驗證物理結論的實踐過程中，學生可以親自參與實驗設計、數據采集和分析等科學探究過程，培養他們的觀察、實驗設計、推理和問題解決能力.這種實踐學習任務強調邏輯推理、實證驗證和證據支持，培養學生的科學思維能力，使他們能夠更好地理解和應用物理知識［2］.

例如，教學新人教版高中物理必修二第八章《機械能守恒定律》的第5節，教師可以指導學生通過開展實驗來驗證機械能守恒定律.教師：“今天我們將通過開展實驗來驗證機械能守恒定律.在這個實驗中，我們將使用一個簡單的裝置來觀察和測量機械能.首先，讓我們回顧一下機械能守恒定律的基本內容.”學生回答：“機械能守恒定律是指在不受外力和非彈性碰撞影響的情況下，系統的機械能保持不變.機械能由動能和勢能組成，動能與物體的速度有關，勢能與物體的位置有關.”接下來，教師指導學生通過小組合作進行實驗來驗證這個定律.學生將使用一個小球和一個簡易的斜面來進行實驗.首先，學生可以使用測量工具，如尺子和計時器，來測量小球滾下斜面的滾動距離和時間.通過這些數據，可以計算出小球的速度和高度.教師提醒學生在實驗過程中需要確保實驗環境的穩定性，斜面應該固定在桌子上，確保不會晃動；此外，小球的質量需要保持不變，以便能夠準確地進行實驗.學生開始實驗，并記錄他們的數據.教師要求學生完成實驗后將數據記錄在實驗報告中，并計算小球的機械能；然后，比較不同位置的機械能是否相等.學生在實驗過程中分享了自己的發現，學生A：“小球滾動下來的過程中，動能逐漸增加，而勢能逐漸減少.”教師：“非常好！那么，在小球滾動的過程中，你們觀察到了什么現象？”學生B：“我們發現，無論小球滾動到哪個位置，動能和勢能的和保持不變.”學生完成了實驗和數據分析后，教師請每個小組派一名代表上臺展示實驗結果和數據分析，并解釋他們的數據和結論.學生總結：“我們的實驗結果表明，在只有重力做功的情況下，小球的機械能總量保持不變.”最后，教師總結課堂內容，并強調機械能守恒定律的重要性.

通過設計驗證物理結論的實踐學習任務可以幫助學生培養科學思維方式，包括觀察、提出假設、設計實驗、收集數據、分析結果和得出結論等步驟.這種思維方式和實踐過程有助于培養學生的推理論證能力，增強動手能力.

3 構建物理模型，培養創新創造能力

構建物理模型可以幫助學生將抽象的物理概念轉化為具體的形象或圖像.通過實際操作和觀察，學生能夠更容易理解和記憶物理知識，更深入地理解物理原理和現象.同時，這種過程也培養了學生的創新思維和解決問題的能力，激發了他們的學習興趣和探索精神.

例如，教學新人教版高中物理必修三第十三章《電磁感應和電磁波初步》第3節《電磁感應現象及應用》時，教師可以指導學生構建一個簡單的電磁感應裝置，用于解釋電磁感應原理. 教師：“同學們，今天我們將學習電磁感應現象，為了更好地理解這個概念，我們將一起動手制作一個簡單的電磁感應裝置.”學生各自準備好所需的材料：一個銅線圈、一個鐵芯、一個磁鐵和一個電流表.

教師簡單介紹電磁感應現象的原理后，指導學生使用銅線圈和鐵芯來構建一個簡單的電磁感應裝置.教師：“請將鐵芯插入銅線圈的中心，確保鐵芯能夠完全穿過銅線圈.然后，將電流表的兩個引線分別與銅線圈的兩端相連.”學生按照指導開始組裝，完成后測試裝置，按照教師指導將磁鐵靠近銅線圈的一端，觀察電流表的讀數.學生可以發現電流表的指針移動.教師請學生解釋此現象：“這說明實驗中產生了感應電流.當磁鐵靠近銅線圈時，磁場的變化導致了感應電流的產生，從而使電流表的指針發生了偏移.”教師提問：“如果我們不同快慢改變磁鐵的位置會發生什么現象？”學生嘗試將磁鐵不同快慢移動，并觀察電流表的讀數，發現當磁鐵快速靠近銅線圈時，電流表的讀數較大；當磁鐵緩慢離開銅線圈時，電流表的讀數較小.教師為學生解釋此現象：“這是因為當磁鐵快速靠近銅線圈時，磁場的變化快，產生的感應電流也較大.當磁鐵緩慢離開銅線圈時，磁場的變化慢，感應電流也相應較小.”

構建物理模型需要學生進行問題分析、創意設計和解決方案的實現過程，在構建物理模型的過程中，學生需要運用科學的方法和思維，通過探究、實踐、修正等過程，逐步形成自己的科學思維，可以進一步拓展思路，提高創新創造能力.

4 設計物理實驗，培養問題探究能力

設計物理實驗需要學生分析問題、制定實驗方案、選擇合適的儀器和測量方法等，這樣可以培養學生的問題解決能力和創新思維能力.同時，在實驗過程中，學生還需要分析實驗結果、總結規律，培養學生的觀察、分析和歸納能力.

例如，教學新人教版高中物理選修三第一章《分子動理論》的第2節，教師可以引導學生自主設計實驗——用油膜法估算油酸分子的大小.教師：“同學們，今天我們要進行一項實驗，通過油膜法來估算油酸分子的大小.首先，你們需要了解油膜法的原理，以及如何利用它來估算分子的大小.”在了解了油膜法后，學生將自主設計實驗步驟，教師可以給予一些指導，但是具體的實驗方案需要學生自己討論和決定.學生首先確定了需要的實驗器材：油酸溶液、玻璃片、顯微鏡、毛細管、計時器和稱量器等.接下來，學生開始討論實驗步驟.學生A：“我認為我們可以先將一滴油酸溶液滴在玻璃片上，然后利用毛細管將玻璃片傾斜，使油酸溶液在玻璃片上形成一個薄膜.”學生B：“然后我們可以用顯微鏡觀察油膜的厚度.”學生C：“我覺得我們還需要測量油膜的面積，這樣我們可以計算出體積.”教師：“很好，你們的想法很不錯.接下來，你們需要確定如何測量油膜的厚度和面積，并且要注意如何控制實驗的條件以保證實驗結果的準確性.”學生繼續討論實驗步驟并且形成初步的實驗方案，由一名學生總結：“我們計劃使用顯微鏡測量油膜的厚度，使用標尺測量油膜的面積.我們還打算進行多次實驗，然后取平均值以增加結果的可靠性.”學生按照實驗方案開始實施實驗，并記錄實驗數據和觀察結果，教師在實驗過程中可以給予一定的指導和幫助.學生開始進行實驗，并記錄實驗數據和觀察結果，整理好實驗數據，計算出油酸分子的大小.學生匯報實驗結果：老師，我們完成了實驗，并根據測量的數據進行了計算，我們得出的油酸分子的大小約為2 nm.”

5 結束語

物理學科關鍵能力是物理學科核心素養的重要組成，在高中物理教學中注重關鍵能力發展是落實核心素養的重要內容［3］.因此，指向學科關鍵能力的實踐性學習任務的設計應注重學生的主動參與和實踐操作，以培養學生的實際應用能力和問題解決能力.通過實踐性學習任務的設計和實施，提高學生的學習興趣和動力，提升他們在物理學科中的核心素養.

參考文獻：

［1］ 謝曉雨，牛穎，羅瑩.促進物理學科關鍵能力發展的教學研究［J］.中小學教材教學，2022（08）：42-43.

［2］ 趙博，張廣宏.實踐性任務學習，培養物理學科關鍵能力［J］.物理教學，2023（06）：30-31.

［3］ 劉瑞燕，高守寶.指向物理學科關鍵能力培養的 “牛頓第三定律”學歷案設計研究 ［J］.中學物理，2022（21）：4-5.

［責任編輯：李 璟］

收稿日期：2023-11-25

作者簡介：吳明磊（1980.11-），男，江蘇省南通人，本科，中學一級教師，從事中學物理教學研究.

基金項目：本文系江蘇省中小學教學研究“十四五”立項課題“指向高中物理學科關鍵能力的實踐性任務學習的設計與實施”的階段性研究成果（批準號：2021JY14-L24）