中学物理教学中提升核心素养的思考(黄恕伯,17.11.23)

黄恕伯2017.11.23中学物理教学中提升学生核心素养的思考《课程标准》修订综合组关于核心素养的定义：学科核心素养是学科教育对全面贯彻党的教育方针，落实立德树人根本任务，发展素质教育的独特贡献，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关键能力、必备品格与价值观念。个人理解：物理核心素养是物理教育对全面贯彻党的教育方针，落实立德树人根本任务，发展素质教育的独特贡献，是物理课程育人价值的集中体现，是学生通过物理课学习而逐步形成的重要观念、关键能力和必备品格。物理核心素养主要由“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”四个方面构成。前言：物理核心素养的结构和水平描述物理观念高中物理核心素养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（13×5）一、以水平为线索，描述各水平的四方面素养。高中物理核心素养的水平描述二、以要素为线索，描述各要素的五级水平。《标准》采用该描述，便于对某水平的总体把控。需要另制表格，便于对要素各水平进行教学分析。以下为提升核心素养的教学思考：（5×13）（13×5）（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个方面：一、构建有优化结构的高中物理知识系统《课程标准》指出：“观念是概念和规律等在头脑中的提炼和升华”。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这次课标修订明确指出：“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，力的分解不过是在处理合力为0的解答过程中的一个计算手段。因此，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。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，这种思路在以后学习中还会不断出现。例如，用牛顿第二定律、欧姆定律、气体实验定律解决问题，都会沿着这样的思维链条展开，这种视角和核心思路，普遍用于力、电、热等问题的分析，是概念和规律的提炼。“共点力的平衡”是高中物理课程中这一思路的起点。一、构建有优化结构的高中物理知识系统然而，现实教学中，有些情况下，教学并没有从形成一个优化的知识结构来思考，而是把知识急功近利地解答一些考试题和练习题。例如，关于“力的分解”教学就存在急功近利的情况。GN关于《力的分解》教学的一段师生对话老师：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：……。如果把力的分解的知识目标仅仅定位为一种等效替换的力的计算方法，是用牛顿定律计算物体受力的一个环节，则可以不去纠缠上述问题，既减轻了新课的负担，也规范了物体受力计算的思路。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。高中物理课程中增强学生实践意识的途径，可以从教学内容和教学方式两个方面思考：二、强化物理知识与实践情境的关联二、强化物理知识与实践情境的关联1.增添物理知识与实践情境相关联的教学内容●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物理课堂；●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。从生活实践中引入“自感和互感”课题(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)学生操作体验优化二、强化物理知识与实践情境的关联2.采用优化的教学方式●《拔火罐和马德堡半球》——2016科学晚会节目“换向器”的教学演示：没有换向器的“电动机”。解释：线圈无法持续转动的原因。观察：两种电动机结构上的差异阅读：教材关于换向器的介绍讲解：换向器的构造特点和原理改装：安装换向器的线圈持续转动小结：技术发明跟科学发现同样伟大这段教学使学生对技术发明的过程、意义有了很好的认识是否可以进一步优化？理解→创造注重知识→发展能力理解课堂教学的改进：把“理解知识”变为“进行创造”演示：没有换向器的“电动机”。解释：线圈无法持续转动的原因。猜想：每转半圈改变电流方向会怎样检验：用人工方法改变电流方向构思：怎样把人工换向改为自动换向分析：电源和线圈每半圈变换接触点评价：提出具体方案评价并优化创造“换向器”的教学演示：没有换向器的“电动机”。解释：线圈无法持续转动的原因。观察：两种电动机结构上的差异阅读：教材关于换向器的介绍讲解：换向器的构造特点和原理改装：安装换向器的线圈持续转动小结：技术发明跟科学发现同样伟大理解课堂教学的改进：把“理解知识”变为“进行创造”（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。一、重视学生对理想模型的建构过程1.高中物理课程中的两种理想模型(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、重视学生对理想模型的建构过程●新课标对质点的教学要求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。（原课标只要求通过质点了解物理模型的特点；体会物理模型的作用。没有“经历”“能抽象”“体会思维方式”的要求。）一、重视学生对理想模型的建构过程题目“蹦极”运动时，在运动员身上装好传感器，测量运动员在不同时刻的高度及速度。运动员及所带装备的总质量为60kg，弹性绳原长为10m。运动员从蹦极台自由下落，得到右图的速度－位移图像。运动员下落到动能最大时和落到最低点时，绳的弹性势能分别为多大?请陈述应用相关定律解决问题的条件。-1msv/1015202530501015205l/m-1msv/1015202530501015205l/m“科学推理”水平三：能对常见的物理问题进行分析，通过推理，获得结论并作出解释。“科学论证”水平四：能恰当使用证据证明物理结论。两种水平（论证忽略空气阻力）二、科学推理时正确使用证据网上澎湃新闻报道（2017.10.18）：针对新高考方案试点中选考物理考生人数减少的情况，某省市有关考试部门领导告诉考生：在全体考生高水平大学录取率20％的情况下，选考物理考生录取率达到31.4％，表明选考物理不会影响高考录取。针对选考物理的考生中“学霸”扎堆，能否给物理科目等级考成绩更多赋分？该领导认为：这样做显然有违考试公平公正的原则。“要得到“物理考生不吃亏”的结论需要怎样的证据？二、科学推理时正确使用证据根据上述事实可以得什么结论？分析物理考生录取率高能得什么结论？三、关注学生科学思维的水平层次质疑的行为大致可以分为两个层次：一是对知识了解不够，没有弄懂，无法解决具体问题，提出疑问，这是低层次的；二是发现所观察到的现象与已有认知不吻合，或者发现已有认知之间不能自恰，从而对现有认知的科学性和合理性提出疑问，以至于萌发出新的猜想，这是高层次的。应倡导高层次的质疑行为，历史上物理学的重大发现都是由高层次的质疑行为引发的。【题目】有人描述了这样一个情境：“早年，一名飞行员驾着飞机在空中水平匀速飞行，飞机座舱的上部是开放的，空中经常出现地面射出的流弹，有一次，飞行员感觉脸上有一只虫子在浮动，抓过来一看，竟是一颗步枪子弹！”从物理原理上看，你认为这种情境可能发生吗？请说出你的结论。并根据子弹和飞行员的相对运动关系论述你的结论。核心素养：科学思维（质疑创新）水平四能对已有结论提出有依据的质疑，采用不同方式分析解决物理问题。科学思维（证据意识）水平五能考虑证据本身的科学性，恰当使用证据，从多个视角审视检验结论。评分标准：能从水平方向和竖直方向两方面正确分析。论点和论据吻合。论据的物理原理正确。回答举例1（满分）不可能发生。上述情境最有可能发生的条件是子弹和飞行员的水平速度相等，在水平方向上子弹和飞行员不会产生相对运动。但即便如此，在竖直方向上，子弹相对飞行员是还在做竖直上抛运动。设子弹飞行到最高点时恰好接触飞行员的脸，此后子弹相对飞行员做自由落体运动，设子弹触脸下落10cm被飞行员抓住，根据自由落体运动的位移公式，可列方程0.1＝10×t2/2，解得t＝0.14秒，要在这么短的时间内完成动作，几乎超出了人的反应时间的极限，这在飞行员在驾驶飞机时是不可能做到的。回答举例2（满分）可能发生。水平方向:若子弹和飞行员的水平速度相等，在水平方向上子弹和飞行员不会产生相对运动。竖直方向:子弹相对飞行员在做竖直上抛运动。设子弹在脸上浮动时还在继续向上运动，其上升30cm后到达最高点再下落30cm到脸部，这段时间飞行员都有可能抓住子弹，可以计算子弹上升和下落30cm所经历的时间一共是0.5s，飞行员完全可以在这0.5s时间内做出反应，抓住子弹。回答举例3（满分）不可能发生。当子弹飞行的水平速度跟飞机速度相等时似乎可以实现题中情境，但实际上是不可能的。因为子弹水平速度若跟飞机速度相等，则子弹相对飞机的作竖直上抛运动，也就是说，坐在飞机上的人观察子弹的运动方向是竖直向上的，子弹要到达飞行员脸部，在路径上需要穿越飞机的座舱，这是不可能的。重视论证的道理（过程），不追求结果。（三）科学探究一、防止“假探究”和“放任自流”的两种极端倾向，正确处理“指导”和“自主”的关系。——评《“探究式教学法”是一种垃圾教学法理论》二、以“素养”的视角观察科学探究过程，避免观察视角的狭窄化。“……老师上课把本来五分钟就能讲通讲透的内容，变成让学生去‘探究’，可能会化五天的时间，然后，更甚之，是采用‘小组探究’的办法，全组‘探究’五个星期，结果差的学生什么都没有‘探’出来，好的学生则浪费了大量宝贵的时间