基于物理學科核心素養水平劃分的教學策略研究

摘 要：《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》對核心素養的四個維度分別劃分了5級水平。文章以物理觀念的5級水平建構為例，提出了一種以生活情境作為載體，分層建構、逐級提升不同水平下的物理觀念的教學策略，從而實現物理學科核心素養的有效落地。

關鍵詞：核心素養；教學策略；物理觀念

一、問題的提出

《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》指出，物理觀念作為高中物理學科核心素養四個維度之首，是指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。而建構物理觀念的過程，既是學生積累必備知識的過程，也是學生進一步獲得關鍵能力和必備品質的過程。一線教師必須理清物理核心素養四個維度之間的關系，在物理觀念的教學中，引導學生通過學習、提取和升華，將概念、規律提升為物理觀念。筆者認為，培養學生形成正確的物理觀念，需要以生活情境作為載體，分層建構、逐級提升5級水平下的物理觀念。根據新課程標準，對物理學科核心素養四個維度的水平分別進行劃分，其中物理觀念這個維度的水平被劃分為5級（見下表）。

以“自由落體運動”教學為例，在具體的教學過程中，發現學生容易受到已有的錯誤前認知的影響，使得在建構正確物理觀念過程中遇到障礙和誤區，從而導致學生在運用物理觀念解釋生活中的自然現象和實際問題時，會得到錯誤結論。筆者在實踐中發現，大部分物理觀念的建構都需要經歷知識重構、由淺入深、螺旋漸進再到不斷深化的過程，不可能一次成型。因此，本文將探索如何在新課標背景下，以生活情境為載體，幫助學生分層建構、逐級提升，完成“自由落體運動”物理觀念的5級水平建構。

二、物理觀念5級水平建構的教學策略

（一）物理觀念水平1的建構

初步了解“自由落體”的概念和規律，能將其與相關的自然現象和問題解決聯系起來。這個水平1的要求是通過觀察自然現象，初步了解“自由落體運動”，具有將相關自然現象與所學知識聯系起來的意識。在新教材中，是通過輕重不同的兩個物體從同一高度下落比較快慢來建立初步認識的。

活動1：【生活情境】站在教學樓高層，同一高度向外靜止釋放兩個重量不同的物體，觀察哪個物體下落得更快？

【觀察現象】重的物體下落更快。

【討論原因】可能是重的物體受到的重力更大，受到地球的“吸”力更大，所以下落更快。

【觀念形成】亞里士多德的觀點：物體下落快慢與物體的重量有關，重的物體下落更快。

活動2：【生活情境】在教室內拿兩張大小一樣的A4紙，一張搓成紙團，另一張平鋪，從同一高度落下，輕重相同，是否會一樣快？

【觀察現象】搓成團的紙下落更快，與活動1得到的結論有矛盾。

【討論原因】在“吸”力相同情況下，紙張搓成團與鋪開相比，空氣阻力更小，所以搓成團后下落更快。

【觀念形成】與上一個實驗得到的物理觀念相沖突。下落快慢還受到阻力的影響。

活動3：【生活情境】將大石頭和小石頭捆綁在一起，下落到底變快還是變慢？

【觀察現象】將得到兩個矛盾的結果。

【討論原因】以亞里士多德的觀點為前提，運用假設法討論（過程略），得到的結論相互矛盾，說明前提本身是錯誤的。

【觀念形成】初步認識到亞里士多德的觀點是錯誤的。（此時還未完全形成“輕重物體下落一樣快”的觀念）

活動4：【生活情境】演示實驗：兩根玻璃管，分別抽真空和有空氣。觀察金屬片和雞毛下落情況？

【觀察現象】真空管中：一樣快；空氣管中：金屬片快。

【討論原因】沒有空氣阻力時，物體下落快慢相同。

【觀念形成】引入相關概念和規律的教學。形成“自由落體運動”的概念和規律。

活動5：【生活情境】動手實驗：一張紙片和一塊橡皮同高度同時釋放，哪個下落快？紙片揉成團后，哪個快？

【觀察現象】1. 橡皮更快；2. 幾乎一樣快。

【討論原因】有空氣阻力f時，f小的物體下降更快。沒有空氣阻力f時，物體下降快慢相同。

【觀念形成】能將形成的物理觀念與相關的自然現象和問題解決聯系起來。

在水平1的建構過程中，活動1通過觀察生活中司空見慣的現象，輕易得出重物下落更快的結論，以便將學生已有的錯誤前認知暴露出來；再通過活動2，觀察到輕重相同的紙，其實下落快慢不一樣，發現與前認知相矛盾了，教師可引導學生找出影響的因素（空氣阻力）；活動3是一個腦中思考的實驗，通過反證法，得到前提本身錯誤；活動4直接將阻力因素考慮進來，通過對比實驗，發現除去阻力因素后，輕重物體下落一樣快；活動5作為學生動手實驗，將物理觀念與相關的自然現象和問題解決聯系起來，培養初步的解決實際問題的能力。由以上可以發現，通過“生活情境＋觀察、討論”的策略，可以實現“自由落體運動”水平1的構建。

（二）物理觀念水平2的建構

了解“自由落體運動”的概念和規律，能解釋簡單的自然現象，解決簡單的實際問題。由此可見，水平2比水平1顯然提升了要求。在新教材中，通過打點計時器的實驗，進一步研究自由落體運動的規律。

活動6：【學習探索情境】實驗（演示或分組）：利用打點計時器和重物，研究自由落體運動的規律。

【觀察現象】觀察紙帶上點之間距離的變化規律（間距逐漸增大，且Δs相同）。

【討論原因】自由落體運動是一種勻變速直線運動。

【觀念形成】形成自由落體運動的物理觀念。

活動7：【學習探索情境】動手實驗：利用固定位置的手機連續拍攝自由落體運動的照片，取相同時間間隔的照片，疊加后觀察物體位置的變化。

【觀察現象】物體間距逐漸增大，且相鄰位移差相同。

【討論原因】自由落體運動是一種勻加速直線運動。

【觀念形成】能解釋簡單的自然現象，解決簡單的實際問題。

（三）物理觀念水平3的建構

了解“自由落體運動”的概念和規律及其相互關系，能解釋自然現象，解決實際問題。顯然，學生需要進一步掌握自由落體運動的產生條件、三個運動學公式，并能在生活情境中運用這些知識解釋現象和解決問題。

活動8：【學習探索情境】演示實驗或分組實驗：利用打點計時器和重物，研究自由落體運動的規律。

【觀察現象】測量紙帶上點之間距離，求出重力加速度。

【討論原因】自由落體運動是一種勻變速直線運動，其加速度恒定為某一數值（g）。

【觀念形成】了解自由落體運動的規律及其相互關系。

活動9：【學習探索情境】動手實驗：利用固定位置的手機連續拍攝自由落體運動的照片，取相同時間間隔的照片，疊加后觀察物體位置的變化，測量并求出重力加速度。

【觀察現象】測量距離，求出重力加速度。

【討論原因】自由落體運動的基本規律應用。

【觀念形成】解釋自然現象，解決實際問題。

活動10：【學習探索情境】情境練習：播放跳水運動員從5m跳臺由靜止落下視頻，求運動員下降時間？

【觀察現象】由視頻幀速和初末畫面求出時間間隔；由自由落體運動規律計算得出下落時間。

【討論原因】看作自由落體的運動，其運動規律相同，故使用運動公式可以求出相應物理量。

【觀念形成】能運用物理觀念，解釋自然現象，解決實際問題。兩種方法可以驗證物理觀念的正確性。

活動11：【學習探索情境】情境練習：一石塊從井口自由落下，經過2.5s聽到落井底聲音，估算深度？（忽略聲音傳播所需時間）

【觀察現象】通過高樓層釋放小球實驗，觀察和體驗該情境。（注意安全為前提）

【討論原因】運用自由落體運動基本公式即可求解。

【觀念形成】能解釋自然現象，解決實際問題。

（四）物理觀念水平4的建構

理解“自由落體運動”的物理概念和規律及其相互關系，能正確解釋自然現象，綜合應用所學的物理知識解決實際問題。這一水平的難度進一步提升，要求學生能夠熟練掌握自由落體運動公式，從實際生活情境中提取相關物理量信息，找出相互聯系，綜合應用自由落體運動規律和數學知識解決實際問題。

情境練習：播放視頻：跳水運動員從5m跳臺自由落下，連拍測得其中兩張連續照片中運動員離水面高度分別為3.4m和1.8m，求連拍的時間間隔？

方法1：由視頻本身畫面求出連拍時間間隔。

方法2：由自由落體運動規律計算得出時間間隔。首先由總高度和離水面高度，分別求出下落高度h1、h2，再根據自由落體運動公式列方程：h1＝[12]gt12，h2＝[12]gt22，分別求出t1、t2，進而可解得△t。

教師通過引導學生運用兩種不同方法得出的結果進行對比，進而驗證所學的“自由落體運動”理論與實際的自洽性。

（五）物理觀念水平5的建構

能清晰、系統地理解物理概念和規律，能正確解釋自然現象，能綜合應用所學的物理知識靈活解決實際問題。這一水平的難度為最難，難點突出在“靈活”二字。要求學生在面對復雜的物理情境，也要能夠由情境給出的已知量，結合自由落體運動規律，找到適合的數學方法和思路，解決復雜問題。

情境練習：請設計制作一把“人的反應時間測量尺”，同學之間利用尺子測量自己的反應時間。

這是一條文字極為簡短、真正體現物理核心素養的真實物理情境題。通過創建與生活密切相關的情境，培養學生綜合應用物理觀念靈活解決實際問題的核心素養。

三、總結

物理學科核心素養根據問題情境的復雜程度等因素劃分為不同水平，雖然各層級水平之間并沒有絕對的分界線，但卻體現了各個水平之間由低到高逐層遞進、逐級提升的關系。不同層級的水平，是指導教師開展日常教學和評價的重要依據，也是高中學業水平考試命題的重要依據。一線教師的日常教學，應依據核心素養水平劃分，探索和實踐情境與生活緊密關聯的教學策略，實現物理學科核心素養的有效落地。

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年版2020年修訂）［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［2］高國明.關注物理知識建構提升學科核心素養——以“力的分解”教學為例［J］.物理教師，2019（08）.

［3］張健，李春密.以“靜電場”教學為例，談物理觀念的滲透與培養［J］.物理教師，2018（06）.