對物理概念開展情境化教學改進的策略研究

【專家介紹】

劉林，青島市教育科學研究院正高級教師，山東省政協(xié)委員，青島市人大代表。全國教研工作先進個人、山東省特級教師、山東省教學能手、青島市拔尖人才。2023年獲國家級教學成果二等獎（主持人），2022年獲山東省省級教學成果特等獎（主持人）。教育部第六屆全國教育裝備標準化技術(shù)委員會（SAC/TC125）委員，中國教育學會物理教學專業(yè)委員會常務(wù)理事，西南大學、山東師范大學、青島大學碩士生導(dǎo)師，山東省特邀教育督導(dǎo)員，青島市物理學會副理事長。

摘? ?要：在學科教學中如何落實發(fā)展學生的核心素養(yǎng)，并疊加實現(xiàn)“減負增效”的要求，是當前基礎(chǔ)教育教學改革的重點和難點。針對物理概念過于抽象、學生體驗不充分、學習困難多等問題，以普通高中物理課程標準中的“加速度”概念教學為例，選取與“加速度”相關(guān)的真實情境資源融入教學過程，給學生提供物理思維和物理方法的學習支架；提煉出基于真實問題情境的物理教學改進五步進階模型，試圖為一線教師提供情境化教學改進的范式，并以此作為情境化教學改進的突破口和支撐點，推動物理課程標準快速有效落地實施，提升學生物理學科核心素養(yǎng)，實現(xiàn)從物理學科教學走向物理學科育人的目標。

關(guān)鍵詞：物理學科核心素養(yǎng)；真實問題情境；物理概念；教學改進

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2024）6-0001-5

１? ? 問題的提出

科教興國是我國戰(zhàn)略發(fā)展方向，國家高度重視科技人才的自主培養(yǎng)，物理學科教學在教育“雙減”中做好科學教育加法行動中居于重要地位。但是，高中學生普遍感到物理知識難度大，學習物理的內(nèi)生動力不足。主要表現(xiàn)在以下三個方面：

（1）不少學生對物理“不想學、學不會”。高中物理的概念多，且抽象難懂，學生在應(yīng)用物理知識解決實際問題時，難以建立真實問題與物理概念之間的關(guān)聯(lián)，所學物理方法不能有效遷移到新問題中，尤其是學生投入大量時間學習物理后，其思維能力也沒有得到明顯提升，導(dǎo)致學生的成就感低，極大地挫傷了學生學習物理的積極性。

（2）情境化學習資源供給不足，課堂學習場景單一。教師在物理概念教學中選用的真實問題情境少，演示實驗和分組實驗的開出率偏低，甚至不組織學生做分組實驗的現(xiàn)象也時有發(fā)生。由于抽象的物理概念缺少形象的情境資源作為學習支架，再加上學生實驗操作活動少、感知體驗少等原因，影響了學生模型建構(gòu)能力的提升幅度和科學素養(yǎng)的培養(yǎng)效果。另外，受學習場景的時空限制，物理學習的過程大多被局限在課堂內(nèi)，學生對物理知識在生產(chǎn)和生活中的應(yīng)用范圍了解少，解決真實問題的能力差。

（3）部分教師對《普通高中物理課程標準（2017年版）》（以下簡稱“物理課程標準”）的理念理解不深刻，教學改進的行為滯后。教學中，部分教師對物理概念簡要講解后，便直接跨越到例題講解和解題方法訓練中，教學過程過多地關(guān)注了物理知識的傳授和解題方法與技巧的總結(jié)，機械刷題現(xiàn)象比較普遍。對高考評價體系下呈現(xiàn)的大量情境化試題研究能力不足，缺少指導(dǎo)學生解決真問題的能力，教學效果不佳。

２? ? 問題情境與發(fā)展學生核心素養(yǎng)的關(guān)系

（1）情境是運用文字、動畫和視頻等樣態(tài)，圍繞知識設(shè)置達成教學目標和評價目標的載體，是形成物理觀念的要素。情境的創(chuàng)設(shè)，是為激發(fā)學生對物理概念的認知建構(gòu)和物理學科核心素養(yǎng)的表現(xiàn)而搭建的平臺，它影響學生分析與解決問題的策略與表現(xiàn)。通常情況下，一個物理概念的教學過程需要多個情境的引入，多個情境須共同指向同一概念，以引導(dǎo)學生從多維度感知、體驗，再配以必要的實驗操作過程，逐步在頭腦中建構(gòu)物理模型，深刻理解抽象的物理概念內(nèi)涵，逐步形成正確的物理觀念。當然，也可以引入單一的物理情境，將單一情境貫穿于物理概念教學的始終，建立起情境與物理概念的緊密關(guān)聯(lián)。

（２）恰當且豐富的問題情境可以給學生搭建物理學習的支架，有助于建構(gòu)物理概念［１］。問題情境能夠增加學生對物理概念的直觀感受，解決學生理解物理概念困難的問題，能夠把抽象的問題轉(zhuǎn)化為形象的表達，呈現(xiàn)物理思維過程和解決物理問題的方法［２］。物理概念教學的問題情境來源廣泛，根據(jù)物理課程標準的內(nèi)容要求和教學要求，可以將物理情境分為“生產(chǎn)生活實踐類”情境和“學習探索類”情境。

對于“生產(chǎn)生活實踐類”情境，大致有三種來源。第一種是自然界中與物理相關(guān)的現(xiàn)象，比如日食、月食、大氣彩虹、海市蜃樓等與光現(xiàn)象有關(guān)的情境。第二種是與生產(chǎn)生活有關(guān)的物理問題，比如籃球、乒乓球等與體育運動有關(guān)的情境，與百姓衣食住行生活有關(guān)的情境，與工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)緊密相關(guān)的情境等。第三種是與科學研究方向和成果有關(guān)的情境，尤其是與我國取得的重大科技工程成果及世界科技前沿有關(guān)的情境。因“生產(chǎn)生活實踐類”情境緊密聯(lián)系實際，所以其有利于激發(fā)學生對物理的學習興趣，有利于體現(xiàn)物理學的價值，有利于培養(yǎng)學生的社會責任感，全面落實立德樹人根本任務(wù)。

對“學習探索類”情境，也大致有三種來源。第一種是物理學史情境，比如自由落體運動、元電荷、慣性等物理概念的建立過程，多普勒效應(yīng)、光電效應(yīng)等物理現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)過程，折射定律、庫侖定律和萬有引力定律等物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)過程等。第二種是物理學習過程中的實際學習情境，比如如何控制帶電粒子的運動軌跡，應(yīng)從哪些角度以及如何從這些角度描述電場的性質(zhì)等。第三種是科學探究問題情境，比如儲存電荷裝置的設(shè)計方案，提高刻度尺測量精度的方法等，這類情境需要學生動腦動手，有利于培養(yǎng)學生的科學探究能力。學習探索情境與學生學習探索過程緊密聯(lián)系，有利于提升學生的認知能力，加深對物理概念的理解，有助于培養(yǎng)學生的推理論證、模型建構(gòu)和質(zhì)疑創(chuàng)新等科學素養(yǎng)。

（3）信息技術(shù)手段的發(fā)展，豐富了問題情境呈現(xiàn)的樣態(tài)。自２０１２年開始微信程序被廣泛使用，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下手機終端的個性化自主學習已經(jīng)成為現(xiàn)實，使得創(chuàng)建情境化數(shù)字資源為載體的物理概念教學改進變得更加便捷。教學中，可以對照物理課程標準，系統(tǒng)梳理高中物理的內(nèi)容要求，按照物理學的分支領(lǐng)域和學生學習需求，依照每個模塊的主題劃分，引入情境化數(shù)字資源。把因肉眼不能直接觀察到、時間過長、存在安全隱患或器材短缺等客觀因素導(dǎo)致學生不能在課堂上實際操作的實驗，還有科技生產(chǎn)和科學史實、自然現(xiàn)象和生活情境等，以仿真模擬或再現(xiàn)場景視頻的樣態(tài)呈現(xiàn)出來，將學習場景延伸至課外，建立具有鮮明高中物理特色的情境化數(shù)字資源，用于補充物理概念教學的情境創(chuàng)設(shè)過程，將有助于學生對物理概念加深理解。

３? ? 情境化教學改進的五步進階模型建構(gòu)

真實問題情境是學生學習物理概念的重要前提，是形成物理觀念的必要條件。筆者提出圖１所示的情境化教學改進的五步進階模型，即情境·探究·建模·應(yīng)用·評價［３］。依據(jù)此五個環(huán)節(jié)開展進階式教學，使得問題情境能夠融入到物理概念教學的全過程，引導(dǎo)學生在解決真實問題的過程中學會建構(gòu)模型、掌握物理思維方法，深入理解物理概念，從而提高思維能力。另外，問題情境也可以以數(shù)字化方式呈現(xiàn)，彌補實驗教學的不足，形成以感知體驗、科學探究、建構(gòu)模型和解決問題為主線的教學方法，拓寬學習場景，努力解決學生“不想學、學不會”的問題。

３．１? ? 情? ?境

教師根據(jù)物理課程標準中的內(nèi)容標準和核心素養(yǎng)確定教學目標或?qū)W習目標，創(chuàng)設(shè)問題情境。情境應(yīng)貼近學生生活、貼近時代發(fā)展，通常采用文字、數(shù)據(jù)、圖表、圖片、視頻、演示實驗或分組實驗等形態(tài)呈現(xiàn)，或者調(diào)用學生已有的知識和經(jīng)驗性常識等，以建立起物理概念與問題情境的關(guān)聯(lián)。

３．２? ? 探? ?究

面對真實問題情境，設(shè)計實驗探究或理論探究的方案，確定觀察對象和需要觀測、記錄的數(shù)據(jù)，然后對觀察到的現(xiàn)象和記錄的數(shù)據(jù)作出分析。根據(jù)教學需要，此環(huán)節(jié)大多采用小組合作學習的方式。學生親身經(jīng)歷了探究過程，能夠獲得豐富直觀的體驗和感知。

３．３? ? 建? ?模

探究問題情境得出結(jié)論后，抓住其最本質(zhì)的特征，進行抽象，用理想模型或有代表性的物理圖景表達，即建構(gòu)物理模型。在遇到新的問題情境時，就可以將情境中的對象和過程轉(zhuǎn)化成已知的或熟悉的物理模型。模型建構(gòu)過程是發(fā)展學生思維能力的關(guān)鍵，是學習和研究物理問題的重要方法，對物理教學所追求的提升學生核心素養(yǎng)目標具有重要意義。

３．４? ? 應(yīng)? ?用

面對真實問題時，需要調(diào)動學生已有知識，這些知識往往超出物理學科范疇。學生綜合運用已有知識和方法得出正確結(jié)論，解釋結(jié)論的科學性、合理性和新穎性。讓學生的成長從提高“解題能力”轉(zhuǎn)向提高“解決問題的能力”，進而轉(zhuǎn)向為提高“做事的能力”。這正是情境化教學改進研究的初衷和歸宿。

３．５? ? 評? ?價

持續(xù)性評價是課程標準“教、學、評”一致性要求的表現(xiàn)形式，它既要對教學行為作出評價，也要對學習行為作出評價。對以上４個環(huán)節(jié)設(shè)計如表1的評價點，在循環(huán)優(yōu)化中不斷改進教學過程，促進學生達成學科核心素養(yǎng)。

以上情境化教學改進的五步進階模型還可以與課前預(yù)習、課后復(fù)習的自主學習過程相配合，即將情境化數(shù)字資源在課前或課后推送給學生用于自主學習過程，以實現(xiàn)物理概念教學全過程的改進。

４? ? 情境化教學改進的物理教學策略

情境化教學改進的“情境·探究·建模·應(yīng)用·評價”五步進階模型在物理概念教學中具體表現(xiàn)為：創(chuàng)設(shè)情境－感知體驗、設(shè)計方案－采集證據(jù)、解釋交流－建構(gòu)模型、方法遷移－解決問題、評價反饋－質(zhì)疑創(chuàng)新。下面以“加速度”概念教學為例進行說明。

４．１? ? 創(chuàng)設(shè)情境－感知體驗

教師根據(jù)學生的學習基礎(chǔ)、認知能力和生活經(jīng)驗等，選用與物理概念密切關(guān)聯(lián)的真實問題情境，用實驗操作、播放視頻、文字表述等方式進行展示。學生在動手操作實驗、觀看視頻、讀取文字過程中，獲取豐富的體驗和感知，教師預(yù)設(shè)與問題情境有關(guān)的物理問題，引導(dǎo)學生從問題情境中提取出有價值的物理信息，誘發(fā)學生的好奇心和興趣，進而追問和思考。

“加速度”教學片段１：選用２０２１年８月東京奧運會男子１００米半決賽的視頻，中國短跑名將蘇炳添刷新亞洲紀錄。解說員說：“蘇炳添啟動稍快，啟動后持續(xù)加速，以９．８３秒的成績打破亞洲紀錄。”讓學生感知蘇炳添加速的過程，教師提出問題：蘇炳添啟動后速度變化嗎？發(fā)生了什么變化？教師繼續(xù)追問：如何從速度變化的角度描述“蘇炳添啟動稍快”？使學生理解不僅有速度變化的大小，還有速度變化的快慢，加速度就是用來描述速度變化快慢的物理量。

４．２? ? 設(shè)計方案－采集證據(jù)

根據(jù)真實問題情境提取的問題特征，設(shè)計探究方案。充分體現(xiàn)物理學的實驗特征，盡量采取分組實驗的方式讓學生經(jīng)歷探究過程。按照“組間同質(zhì)，組內(nèi)異質(zhì)”規(guī)則開展小組合作學習，完成組內(nèi)設(shè)計實驗方案、小組交流、班級展示、最終確定可行性探究方案。學生以組為單位觀察實驗現(xiàn)象，記錄實驗數(shù)據(jù)。

“加速度”教學片段２：使用Ｔｒａｃｋｅｒ視頻跟蹤軟件，指導(dǎo)學生分析蘇炳添百米跑視頻，得到蘇炳添運動速度與時間的部分數(shù)據(jù)，結(jié)合Ｅｘｃｅｌ數(shù)據(jù)分析軟件對所獲取的數(shù)據(jù)進行線性擬合，繪制出蘇炳添的速度－時間圖像。再用同樣的方法繪制出與蘇炳添同組運動員的速度－時間圖像，嘗試從兩個圖像中對比分析蘇炳添百米全程的加速度情況。然后，引導(dǎo)學生列舉生活中做變速運動物體的加速度，并與繪制的速度－時間圖像作對比。

“加速度”教學片段３：指導(dǎo)學生操作傾斜放置的氣墊導(dǎo)軌，用光電計時器測量滑塊下滑過程中速度變化的快慢，理解加速度的概念。分別取用四片寬度分別為８ ｃｍ、６ ｃｍ、４ ｃｍ和２ ｃｍ的遮光片（圖２），用遮光片的寬度除以相鄰兩光電計時器記錄的前端遮光時間差即為滑塊的瞬時速度。這樣既能測得滑塊的速度，又能測得其加速度，再繪制出不同滑塊的速度－時間圖像，對其加速度作對比分析。

４．３? ? 解釋交流－建構(gòu)模型

學生分組對觀察到的現(xiàn)象進行分析論證，對測得的多組實驗數(shù)據(jù)進行分析處理，嘗試發(fā)現(xiàn)規(guī)律，得出結(jié)論。之后小組之間對探究過程和結(jié)果進行交流、評估，培養(yǎng)學生反思交流和使用物理語言表達物理觀點的能力。學生經(jīng)歷探究過程后，對得到的結(jié)論能夠進行科學推理，建構(gòu)出合理的物理模型，以提升物理思維能力。

“加速度”教學片段４：在進行“速度”教學時，由百米跑的視頻計算蘇炳添在最后３秒內(nèi)、１秒內(nèi)、０．１秒內(nèi)……甚至更短時間內(nèi)的“速度”，由此學會了用微分法和比值定義法建立物理概念。速度描述了物體位置變化快慢，與物體位移方向相同，v=△x/△t是平均速度，當Δt很小時，平均速度接近于瞬時速度。在學習“加速度”概念時，學生會將微分法和比值定義法遷移到新情境中，能夠比較順利地理解加速度是描述速度變化快慢的物理量，它與物體速度變化方向相同，a=△v/△t是平均加速度，當Δt很小時，平均加速度接近于瞬時加速度。

４．４? ? 方法遷移－解決問題

研究物理問題的方法眾多，方法的類比可以遷移到建立物理概念的教學過程中，因此總結(jié)、提煉物理方法對于學生理解物理概念至關(guān)重要。比如，比值定義物理量、類比法、等效法、微分法等在中學物理教學中是最常見的。教學中第一次用到的物理方法要講細講透，使學生能夠融會貫通，能夠正確遷移，再遇到同類問題情境時，就能夠自主順利解決，也就是培養(yǎng)了學生“解決問題的能力”。學生在新情境中獨立解決問題是物理教學的追求，比如，教學中選用以下問題來評價學生解決問題的能力。

“加速度”教學片段５：汽車以１００千米/時的速度行駛于高速公路上的平直車道內(nèi)（圖3）。駕駛員突然發(fā)現(xiàn)前方１００米處發(fā)生了交通事故，在不宜變換車道的情況下隨即緊急制動。若汽車剎車性能良好，可在５秒內(nèi)剎停，試分析該汽車是否會發(fā)生交通事故。根據(jù)上述情境問題的計算，分析《中華人民共和國道路交通安全法實施條例》［４］中，制定“機動車在高速公路上行駛，車速超過１００千米／時時，應(yīng)當與同車道前車保持１００米以上的距離；車速低于１００千米／時時，與同車道前車的距離可以適當縮短，但最小距離不得少于５０米”條例的依據(jù)。

４．５? ? 評價反饋－質(zhì)疑創(chuàng)新

教師自我評價教學行為，引導(dǎo)學生自評、生生互評和教師評價學生的學習行為，對照前面表格內(nèi)容進行優(yōu)化。

５? ? 針對本研究的思考

情境化教學改進的五步進階模型在一定范圍內(nèi)經(jīng)物理教學檢驗后，已取得了較為滿意的效果。教師的課程實踐力普遍得到提高，課堂教學效果得到改善，情境化資源拓寬了學生的學習場景，學生解決真實問題的能力得到提高。同時，也激發(fā)了學生學習物理的內(nèi)生動力，提高了學生從真實情境中提取物理問題、建構(gòu)物理模型的能力，進而提高了解決實際問題的能力。但是，教學實踐中，真實問題情境呈現(xiàn)的方式仍有一定的局限性，情境來源也受到教師知識面和課程視野的限制，還需要學校配備有充足的實驗室和完備的實驗器材等。依據(jù)物理課程標準的教學改進任重而道遠，需要教師的共同努力。

參考文獻：

［１］中華人民共和國教育部．普通高中物理課程標準（２０１７版）［Ｓ］．北京：人民教育出版社，２０１８．

［２］程力，李勇．基于高考評價體系的物理科考試內(nèi)容改革實施路徑［Ｊ］．中國考試，２０１９（１２）：３８－４４．

［３］劉林．基于物理學科核心素養(yǎng)的創(chuàng)設(shè)問題情境教學設(shè)計的研究——以“向心加速度”為例［Ｊ］．物理教學探討，２０１９，３７（５）：１－４．

［４］中華人民共和國道路交通安全法實施條例［Ｊ］．中華人民共和國國務(wù)院公報，２００４（１９）：４－１７．

（欄目編輯? ? 廖伯琴）

基金項目：2022年度山東省基礎(chǔ)教育教學改革資助項目“中小學拔尖創(chuàng)新后備人才貫通培養(yǎng)的研究與實踐”（魯教基函〔2023〕87號文）；課程教材研究所重點項目“落實基礎(chǔ)教育課程標準實驗研究”（JCSZDXM2022002）。