黄恕伯-高中物理教学中提升核心素养的思考

黄恕伯2018.5.15中学物理教学中提升学生核心素养的思考前言：物理核心素养的结构和水平描述●学科核心素养学科核心素养是学科育人价值的集中体现，是学生通过学科学习而逐步形成的正确价值观念、必备品格和关键能力。物理学科核心素养主要包括“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”四个方面。一、两个概念●学业质量标准学业质量是学生完成本学科课程学习后的学业成就表现。学业质量标准是以本学科核心素养及表现水平为主要维度，结合课程内容，对学生学业成就的总体刻画。依据不同水平学业成就表现的关键特征，学业质量标准明确将学业质量划分为不同水平，并描述了不同水平学习结构的具体表现。（学科核心素养和学业质量标准的表述基本相同）二、学科核心素养和学业质量标准的结构高中物理核心素养物理观念科学思维科学探究科学态度与责任质疑创新科学论证科学推理模型建构交流解释证据问题社会责任科学态度科学本质物质观运动与相互作用观能量观解决问题形成观念每一要素都分为五级水平2×5＋4×5＋4×5＋3×5核心素养＝13×5学业质量物理观念两种描述1.高中物理核心素养的内容结构4个方面（一级主题）。每个方面有若干要素，每个要素有5级水平。2.学业质量标准的内容结构2×5＋4×5＋4×5＋3×55级水平（一级主题）。每级水平都包括13个要素。5×13学业质量水平核心素养水平3.教学中还需要以要素为线索的结构方式按要素排列13×5二、学科核心素养和学业质量标准的结构（一）物理观念“形成物质观念、运动与相互作用观念、能量观念等，能用其解释自然现象和解决实际问题。”这是高中物理课程标准的一项重要目标，该目标明确提出两个要点：第一，形成物质观念、运动与相互作用观念、能量观念；第二，会用这三个观念解释自然现象和解决实际问题。为达成上述目标，教学时应重视以下两方面：一、构建有优化结构的高中物理知识系统二、强化物理知识与实践情境的关联课程标准关于“物理观念”的说明：“物理观念”是从物理学视角形成的关于物质、运动与相互作用、能量等的基本认识；是物理概念和规律等在头脑中的提炼与升华；是从物理学视角解释自然现象和解决实际问题的基础。什么是“概念和规律的提炼和升华”？所谓概念和规律的提炼，其重要的方面就是把这些概念和规律组合成优化的结构，成为某一知识领域的核心内容，是解决问题的关键视角和思维指南。一、构建有优化结构的高中物理知识系统例：《力的分解》教学的知识目标传统的《力的分解》教学过程：一、构建有优化结构的高中物理知识系统用力的分解求解物体的受力问题，根据“力的作用效果”来判定分力的方向，用平行四边形定则根据判定的分力方向进行力的分解。该教学过程值得质疑。GN老师：如右图，悬吊的球由于重力的作用产生了两个效果，一是拉绳子，二是压墙。因此可以把重力按效果分解为T和N。学生：分力和合力是指同一物体上两次受力的的等效替换，但T、N和G并不作用在同一物体上，一个力可以分解为别的物体所受的力吗？G是引力、T和N是弹力，一个引力可以分解为两个弹力吗？老师：……。例：《力的分解》教学的知识目标一、构建有优化结构的高中物理知识系统1.知识目标要点●不要求学生把力的分解直接用来求解物体的受力●突出力的分解的等效替换的思想●会用平行四边形定则求解有确定解的两个分力（求解物体受力的要求，在牛顿定律中实现）2.设计上述知识目标的思考●降低教学的难度，避免新课时很难说清的问题●把“力的分解”作为牛顿定律解决问题的一个环节来处理，使解题思维更规范。3.教材“力的分解”练习题并没有用力的分解来求解物体受力。2010版教材《力的分解》教学目标的设计新课标指出：“能用共点力的平衡条件分析日常生活中的问题”而不是用“力的分解”，它突出了运动与相互作用的关系，即物体的运动如果处于平衡状态则物体在相互作用中所受的合力便等于0，这是核心知识，力的分解不过是求解过程中的一个计算手段。解决物体受力的计算应该在学习共点力平衡时完成，而不是学习力的分解时就匆忙做这些题目。例：《力的分解》教学的知识目标一、构建有优化结构的高中物理知识系统之所以把共点力的平衡视为核心知识。是因为用共点力平衡条件分析具体问题时，需要选择相互作用的对象、分析相互作用的物理量、列出相互作用关系的方程，这是一种分析物理问题基本而且重要的思路，这种核心思路和视角，普遍用于力、电、热等问题的分析，是概念和规律的提炼。是运动与相互作用观的重要内容。“共点力的平衡”是高中物理这一思路的起点。例：《力的分解》教学的知识目标一、构建有优化结构的高中物理知识系统二、强化物理知识与实践情境的关联物理观念的第二个要点，是“会用物理观念解释自然现象和解决实际问题”。要做到这一点，必须强化物理知识与实践情境的关联，提高把物理知识与实践情境进行联系的自觉性，增强学生的实践意识。当学生面对物理语言、文字和符号时，能自觉地联想相应的物理情境；当学生面对实践情境时，会自然联想到与此相关的物理概念和规律。这就是物理概念和规律的升华。设有x％考生会做第17题，则x＋（100－x）/4＝27141516171819202122232425题号难度系数（得分率）2016年高考理综试卷物理必考题难度系数解出：x＝2.67≈3即只有3％考生会做第17题。第17题是必考物理题的最难题，难在哪里？利用三颗位置适当的地球同步卫星，可使地球赤道上任意两点之间保持无线电通讯。目前，地球同步卫星的轨道半径约为地球半径的6.6倍。假设地球的自转周期变小，若仍仅用三颗同步卫星来实现上述目的，则地球自转周期的最小值约为（）A.1hB.4hC.8hD.16h新课标2016年高考理综Ⅰ卷第17题解答本题需要用到的物理知识：物理知识不是解答本题的困难，本题难在知识与情境的转化上。1.地球同步卫星运动的周期等于地球自转周期；2.卫星绕地球运动周期的二次方跟半径的三次方成正比利用三颗位置适当的地球同步卫星，可使地球赤道上任意两点之间保持无线电通讯。目前，地球同步卫星的轨道半径约为地球半径的6.6倍。假设地球的自转周期变小，若仍仅用三颗同步卫星来实现上述目的，则地球自转周期的最小值约为（）A.1hB.4hC.8hD.16h新课标2016年高考理综Ⅰ卷第17题假设地球的自转周期变小同步卫星运动周期也变小同步卫星运动半径也变小卫星轨道半径大于地球半径2倍由此算出卫星周期即为题目所求实现“文字→情境→知识”的转化，才是正确解题的关键●把跟学生生活联系密切的问题、社会热点中的物理问题、现代科技成果等有实践情境的教学内容引进课堂；●用生活中的器具做物理实验，加强物理知识与生活的联系；●创设真实情境、并通过对真实情境的思维加工来建立物理概念；用物理规律分析和解决真实情境中的问题；●养成估计生活中有关物理量大小的习惯，乐于对媒体消息中物理量的大小进行审视，勇于对媒体信息中的不合理数据进行质疑。二、强化物理知识与实践情境的关联1.课堂教学中增添联系实际的内容例：从生活实践引入“自感和互感”课题二、强化物理知识与实践情境的关联从生活实践引入“自感和互感”课题例：从生活实践引入“自感和互感”课题以上案例中，短短几秒钟，教师通过两个动作，建立了“物理知识和生活情境的关联”“科学和技术的关联”。二、强化物理知识与实践情境的关联例：物理知识跟社会生活的关联机场规定：严禁携带额定能量超过160W·h的充电宝搭乘飞机。一般充电宝（移动电源）的规格，标注的是电荷量，单位是mA·h，机场的规定为什么要以W·h为单位？二、强化物理知识与实践情境的关联根据物理知识可知，机场限定的不是充电宝的电荷量，而是充电宝的能量，W·h的含义是瓦小时，160W·h相当于57.6t的重物由静止下落1m所具有的动能。旅客怎样判断自己的充电宝是否超标？须把它的电荷量乘以标注的额定电压并换算成W·h单位。例：物理知识跟社会生活的关联二、强化物理知识与实践情境的关联(1)教师列举实例进行讲解(2)让学生列举实例(3)展示联系生活、社会的图片(7)学术性游戏(4)演播联系生活、社会的视频(5)展示实物并进行演示(8)经历创造性解决实际问题的过程(6)学生操作体验优化2.采用优化的教学方式二、强化物理知识与实践情境的关联●《拔火罐和马德堡半球》——2016科学晚会节目（二）科学思维《课程标准》中的“科学思维”素养，主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等四个要素。1.高中物理课程中的两种理想模型一、重视对理想模型的建构和应用(1)关于研究对象、装置或条件的理想模型:质点、弹簧振子、单摆、理想气体、点电荷、匀强电场、理想变压器等。(2)关于运动过程的理想模型:匀速直线运动、匀变速直线运动、平抛运动、匀速圆周运动、简谐运动、弹性碰撞、等温过程、绝热过程等。2.《课程标准》对模型建构要求的层次能说出简单物理模型能在熟悉情境中应用常见物理模型能在熟悉情境中选用恰当模型解决简单问题能将实际问题中的对象和过程转换成物理模型能将较复杂实际问题的对象和过程转换成物理模型一、重视对理想模型的建构和应用3.高中物理课程的第一个理想模型——质点●17版：经历质点模型的建构过程，了解质点的含义。知道将物体抽象为质点的条件，能将特定实际情境中的物体抽象成质点。体会建构物理模型的思维方式，认识物理模型在探索自然规律中的作用。一、重视对理想模型的建构和应用●03版：通过对质点的认识，了解物理学研究中物理模型的特点，体会物理模型在探索自然规律中的作用。●17版和03版关于质点的知识要求是相同的。但增加了“经历过程”“能抽象”“体会思维方式”的要求。“建构”＋“应用”应用：将实际问题转换成所学物理模型一名学生看见某工人沿着斜靠在墙上的梯子向上攀登时，担心梯子下端会滑动而产生安全问题。他用力的平衡规律探究此真实问题，得出人在梯子上的位置越高梯子下端越容易滑动的结论，解释了所观察到的现象。该学生研究时，把人视为质点，忽略梯子的质量、梯子上端与墙之间的摩擦力等次要因素，合理建构了问题研究的物理模型，形成结论时，进一步考虑梯子质量等因素的影响。一、重视对理想模型的建构和应用GPFFfFNO把工人和梯子合起来作为受共点力作用的研究对象，该对象受G、P、F三力的作用，三力共点于O，合力为0。随着工人在梯子位置的上移，O点向墙平移，F和地面的夹角减小，梯子平衡所需要的静摩擦力Ff增大，梯子不安全程度增加。工人位于梯子顶部时，是梯子在该倾角下的最不安全状态，此时F的作用线沿梯子方向。应用：将实际问题转换成所学物理模型一、重视对理想模型的建构和应用同样是工人位于梯子顶部的条件下，如果梯子跟地面的夹角越小，梯子平衡所需要的静摩擦力越大，梯子越不安全。梯子的倾角减小到静摩擦力Ff和弹力N的比值等于动摩擦因数μ时，梯子处于打滑的临界状态，此时梯子和地面的夹角θ为最小安全倾角，由图可知，ctanθ=μ。GPFFfFNO应用：将实际问题转换成所学物理模型一、重视对理想模型的建构和应用ctanθ=μ是理想模型下的结论。实际上梯子有一定质量，人也不可能处于质点状态位于梯子的顶端，因此实际情况下的O点不可能紧贴墙面，这两个实际因素是有利于安全的。另外，竖直墙面也存在一定摩擦，真实情况下梯子下端所受的静摩擦力也小于理想情况，这个因素也是有利于梯子安全的。GPFFfFNO水平2：能在熟悉的问题情境中应用常见的物理模型水平3：能在熟悉的问题情境中根据需要选用恰当的模型解决简单的物理问题水平4：能将实际问题中的对象和过程转换成所学的物理模型水平5：能将较复杂实际问题中的对象和过程转换成所学的物理模型应用：将实际问题转换成所学物理模型一、重视对理想模型的建构和应用“模型建构”水平4（5）：能将（较复杂的）实际问题中的对象和过程转换成所学的物理模型；GPFFfFNO“科学推理”水平4：能对综合性物理问题进行分析和推理，获得结论并作出解释；应用：将实际问题转换成所学物理模型一、重视对理想模型的建构和应用二、不仅关注推理结论，更重视推理过程1.科学推理的含义由一个或几个已知结论推出另一个新结论的思维方式，叫科学推理。2.高中物理课科学推理的常见方式物理学