基于科學素養的高中物理教學設計研究

盧茸茸

(華中師范大學物理學院 湖北 武漢 430079)

課程改革探索與討論

基于科學素養的高中物理教學設計研究

盧茸茸

(華中師范大學物理學院 湖北 武漢 430079)

《教育發展綱要》與《課程標準》中的課程理念提出“注重全體學生的科學素養”，基于科學素養的高中物理教學設計應具有創設問題情境、引導學生探究、與信息技術整合、以科學探究為中心這幾個方面特色，并以“自由落體運動”一節作為實例展開說明．

科學素養 高中物理 教學設計

1 引言

為深入推動《科學素質綱要》[1]實施，及時跟蹤檢查全國“十二五”公民科學素質目標完成，中國科協于2015年3-8月進行了第九次中國公民科學素質抽樣調查[2]．調查報告顯示，2015年我國具備科學素質的公民比例達到了6.2%，與2010年相比有大幅提升，超額完成了“十二五”所設置的5%的目標任務．但與此同時我們也應認識到與發達國家的差距，2001年美國具備科學素質的公民比例就已達到17%．

“人無常心，習以成性；國無常俗，教則移風．”教育是國之根本，通過教育手段來提高國民素質，尤其是提高國民的科學素養顯得尤為重要[3]．《國家中長期教育改革和發展綱要》中提出全面提高普通高中學生綜合素質，其中包括學生的科學素養；《普通高中物理課程標準》[4](實驗版)提出，高中物理是與義務教育相銜接，以進一步提高學生科學素養為主旨的基礎課程，且課程理念的第一條就提出“在課程目標上注重全體學生的科學素養”；此外，在大陸、香港的課程理念核心詞中均出現“科學素養”一詞[5]，如表1所示；《2017年普通高等學校招生全國統一考試說明》[6](物理)中也明確表明高考試題著重考察學生的科學素養，由此可見培養和提高中學生的科學素養作為貫穿物理教育的核心目標，是我國正在推行的新課程改革的必然要求．

表1 大陸、香港課程理念核心詞對比表

教師的教學不僅是課程執行的過程，更是課程再次創造與開發的過程[7]，而教學設計是教師教學備課的充分體現，教師想要在教學中靈活自如地體現科學方法、科學能力，就要在備課過程中足夠理解科學素養的內涵，以及知道如何將科學素養融入到教學設計中，以期最終實現教學效果的最佳化，使學生的科學素養在日常教學活動中不斷提高．

2 “科學素養”與“物理科學素養”

首次使用“科學素養”一詞的是美國化學家、教育家柯南特，他于1952年出版的《科學中的普通教育》一書最早正式使用科學素養一詞，從普通教育的層面對科學素養進行定位，但對其含義與內容并未做進一步的闡述[8]．20世紀80年代，科學素養開始作為科學目標，這一時期，對科學素養研究最為著名的是芝加哥科學院米勒教授，他于1983年提出了科學素養的多維定義，指出科學素養包含：對科學術語和概念的基本了解；對科學研究過程和方法的基本了解；對科學對社會的影響的基本了解，并以此為基礎建立測量科學素養的科學知識、科學本質、科學態度三維模型．我國PISA2015科學素養測查以及2016年深圳龍崗區義務教育階段學生PLSA測試框架均是基于此模型．

國內對科學素養的研究是以我國素質教育的提出為契機的，中國政府于2006年頒布的《全民科學素質行動計劃綱要》[1]指出：“公民具備基本科學素養一般指了解必要的科學知識，掌握基本的科學方法，樹立科學思想，崇尚科學精神，并具有一定應用它們處理實際問題、參與公共事務的能力．”學術界認定科學素養包含六大要素，分別是科學知識、科學方法、科學能力、科學情感態度價值觀、科學精神、科學技術與社會[8]等，整體上與我國課程標準中的三維目標，即知識與技能、過程與方法、情感態度與價值觀相一致．

現代科學素養有其新的側重點與要求，更加重視科學、技術與社會的密切聯系，更加注重對學生科學興趣、科學意識的培養．可以說，科學素養是一個綜合體，每個要素之間是緊密聯系的，相互促進、相互影響的，這就要求教師在教學活動中，不能從單一的要素入手進行培養，而是各個維度一起培養，對學生的相對薄弱環節著重培養[9]．

物理學作為理科中與社會生活、科學技術聯系最為緊密的學科，物理科學素養也具有自己的獨特性．物理學的知識是由物理學領域的現象、事實、定律、理論等構成的知識體系．其次，物理學科知識的產生經過一系列過程，并不是一蹴而就能夠得到的，是需要不斷擴充、推翻、更新、取代．最后，物理學科也有其特定的物理語言，每個字母公式都具有其特定的含義，如E表示電場強度，F=ma表示牛頓第二定律的內容等．

3 基于科學素養的教學設計

教學設計是教師備課的充分體現，更是教學活動順利展開的重要保證．教學設計作為課程實施的重要途徑，想要更好地體現物理科學素養的內涵，則需要以課程標準為依據，與考試大綱的要求相呼應，以培養和提高科學素養為宗旨，做到以上3個基本要求，一個基于科學素養的教學設計才算是達標．

需要清楚的一點是，教師在進行教學設計時，不能期望每節課的教學設計都體現出物理科學素養所包含的6個要素，應“因課而異”．以理論性知識和物理實驗為例，教學設計的側重點就應有所不同．對于理論性知識的教學設計，更多的應著重設計如何使學生掌握科學知識以及在生產生活中的應用，在“科學知識、科學精神、科學技術與社會”等維度設計教學活動；而對于物理實驗的教學設計，則更注重在學生對實驗原理的理解、實驗的科學探究過程的設計，應多在“科學方法、科學能力”等維度“下功夫”．

相比于初中物理，高中物理是螺旋上升的，無論是知識的深度還是廣度都有所加大，對知識的應用能力也進一步提高，因此一份優秀的基于科學素養的高中物理教學設計，應具有以下幾個特色．

3.1創設問題情境引導學生探究

問題情境的設置可以是生活體驗、生活中的實際現象、趣味性實驗、認知沖突、物理學史的敘述等等．構建良好的探究情境，是提高學生科學興趣的最佳途徑，也是科學知識與社會相聯系最好的途徑．比如“行星的運動”一節，以我國偉大詩人屈原的詞《天問》作為導入，在頌揚我國傳統詩詞文化的同時，激發學生探究宇宙奧秘的興趣．

3.2與信息技術相整合體驗科技之新

信息技術與課程整合是新課程改革一大亮點，在教學設計中，利用信息技術所提供的自主探索、多重交互、合作學習、資源共享等學習環境，使學生的實踐能力與創新思維得到有效鍛煉與提高．實驗教學中的仿真實驗室以及DISLAB實驗平臺都是很好的教學體驗．例如“牛頓第三定律”一節，傳統的利用彈簧測力計進行實驗探究局限性較大，但教師若在實驗環節利用DISLAB實驗軟件進行現場演示或學生親自實驗，則教學效果大大不同，無論物體處于靜止狀態還是運動狀態，學生不僅能夠清楚地看到作用力與反作用力的大小、方向關系，還可以對其進行驗證．

3.3以科學探究為中心

中國課程理念核心詞中出現頻率最多的是“科學探究”一詞，如圖1所示．

圖1 中國課程理念核心詞頻數分析

“以科學探究為中心”的高中物理教學設計是指學生在教師剖析三維目標的前提下，從教材或生活中選擇確定研究課題，以學術或科學研究的方法，自主發現問題，調查研究所需要的相關信息并進行處理，制定實驗方案并實施、討論與交流等探究活動，從而養成科學素養的一種學習活動[7]．物理學科是一門理論性與實踐性都很強的學科，所以高中物理教學也具有很強的實踐性．教學中，教師應鼓勵學生大膽參與科學探究，樹立批判精神，敢于質疑，同時學生也從整體上對物理學知識與方法得以全面的了解，也就是說，通過“科學探究”這條主線，將新課程的三維目標聯系起來，相互促進，相互融合，最終實現提高學生的科學素養的目的．

例如在“超重與失重”一節，理解超重與失重的實質是學生的困難所在，教師可以嘗試利用科學探究的思想來為學生解除迷惑．在觀看完“升降電梯中的體重計實驗”視頻后，教師提問：在電梯升降過程中，體重計的示數大小有何變化？并探究其原因．教師引導學生就電梯上升、下降過程對人進行受力分析和運動分析，結合牛頓運動定律嘗試解決問題．學生提出假設并經過動力學分析后進行驗證，進而得到結論．

4 基于科學素養的教學設計案例

“自由落體運動”是人教版高中《物理·必修1》第二章第5節的內容．本節旨在破除學生錯誤前概念(重的物體下落快)，讓學生正確認識影響物體下落快慢的原因，進而引出自由落體運動這個理想模型，并利用打點計時器或頻閃照相機探究自由落體運動的運動規律，也為必修2學習平拋運動打下堅實的基礎，所以本節課內容在整個高中物理知識體系中，起到承上啟下的作用．

本節課將采用“演示-引導-探究”式教學策略，希望通過本節課的學習，學生不僅掌握基本科學知識，也能夠掌握伽利略的科學研究方法，進一步提高學生的科學素養．

4.1教學目標

(1)知識與技能

1)理解自由落體運動的概念；

2)知道自由落體運動的規律；

3)自由落體運動規律的實際應用.

(2)過程與方法

1)培養學生利用物理語言歸納總結規律的能力；

2)培養學生的實驗設計和動手能力；

3)引導學生學會分析數據，歸納總結自由落體的加速度隨緯度變化的規律.

(3)情感態度與價值觀

1)調動學生積極參與討論的興趣，培養邏輯思維及語言描述能力；

2)讓學生領悟突出主要因素，忽略次要因素哲學思想;

3)通過實驗探究過程，培養學生實事求是的科學態度;

4)體會物理學發展過程，領悟嚴謹的科學態度與堅持不懈的探究精神．

4.2教學重難點

(1)實驗探究自由落體運動的過程及自由落體運動的概念．

(2)物體下落快慢與物體質量無關，得出真正影響自由落體運動的因素．

(3)自由落體運動規律的靈活應用．

4.3教學資源

多媒體(設備)，黑板，牛頓管，紙片，硬幣等實驗儀器.

4.4教學過程

(1)創設情境，引出問題

從生活中的下落現象，如，蘋果下落、蹦極等，引入新課．使用PPT播放運動員跳水和羽毛下落視頻，如圖2所示．

圖2 運動員跳水和羽毛下落視頻截圖

提問：為什么運動員下落更快？下落快慢是否和質量有關？

學生回答：運動員更重．

(2)科學探究1：落體運動與質量是否有關？

1)演示實驗

實驗1：將硬幣與紙片，從同一高度同時釋放(重的快).

實驗2：將小紙團與大紙片，從同一高度同時釋放(輕的快).

實驗3：將小紙團與大紙團，從同一高度同時釋放(輕重一樣快).

讓學生總結3次實驗的結果．

2)提疑

提問：下落的快慢與質量有關么？

學生回答：無關．

總結歸納、得出結論——下落快慢與質量無關．

提問：下落快慢與何種因素有關呢？

(3)科學探究2：物體下落快慢與哪些因素有關？

引導并提問：在紙片揉成紙團后，它的質量沒有發生變化．發生變化的只有紙的形狀，也就是與空氣的接觸面積，如圖3所示．請同學們猜猜影響物體下落快慢的因素是什么？

圖3 同時下落的紙片和紙團

學生回答：空氣阻力.

得出結論——下落快慢與空氣阻力有關．

(4)科學探究3：空氣阻力對物體下落快慢的影響？

首先，介紹實驗儀器——牛頓管(演示實驗).

演示牛頓管在充滿空氣和抽出部分空氣時，羽毛與鐵片的下落情況．學生觀察實驗現象．

提問：隨著空氣阻力減小，兩物體下落時間差有何變化？

學生回答：變小.

猜想：隨著管內空氣減少，兩物體下落時間差減小．若管內真空，兩物體是否還會存在時間差？

學生回答：不會.

進行推論——忽略空氣阻力的時候，輕重不同物體，下落快慢相同．

接下來播放NASA真空實驗室視頻，驗證推論(PPT).

得出結論——忽略空氣阻力的時候，輕重不同物體，下落快慢相同．

(5)引導分析，得出定義

1)分析真空實驗室中物體運動和力的情況，引出定義

提問：真空實驗室中物體初速度特點？

學生回答：為零.

提問：真空實驗室中物體受力情況？

學生回答：受重力.

介紹定義：自由落體運動——只在重力作用下由靜止開始的下落運動．

2)舉例

3)強調條件——只受重力和初速度為零．

(6)科學探究4：自由落體運動的性質？

提問：自由落體運動是一種什么樣的運動？

學生回答：應該不是勻速直線運動，有可能是勻變速直線運動．

提問：若是勻變速運動，怎樣去驗證？

學生回答：驗證在物體下落過程中連續相等時間內位移的差值，如果相等，就是勻變速直線運動．

提問：

1)根據你的猜想，小組合作設計實驗并驗證結論的正確與否？

2)討論在所設計的實驗中需注意的問題有哪些？

學生活動

1)自行閱讀課本第44頁的實驗．

2)小組成員合作完成實驗，得出自由落體運動的性質．

3)小組討論在該實驗中怎樣更好的減小阻力？為什么選取的重物質量要盡可能大，體積盡可能小？

4)讓兩組的代表上臺展示實驗結果：在任何兩段相鄰時間內它們的位移之差都近似相等．

得出結論：自由落體運動是初速度為零的勻變速直線運動．

(6)物理學史介紹

介紹伽利略挑戰權威，通過數學推理和實驗驗證，得出自由落體運動規律，鼓勵學生敢于質疑，敢于嘗試．

本節課采用的是“創設情境—演示實驗—科學探究—合作學習—總結規律”的教學思路，充分利用物理實驗培養學生的動手動腦能力，通過自主學習與合作探究、交流，改變以往的學習方式，同時利用多媒體資源，很好地讓學生體驗到沒有空氣阻力時物體的下落快慢與質量無關這一抽象概念．

5 總結

通過對科學素養相關理論知識的綜述，提出以創設問題情境，引導學生探究、課程與信息技術的整合、科學探究為中心這3點為主的培養學生科學素養的教學設計特色，并依此設計“自由落體運動”教學案例．培養學生的科學素養無疑是一個漫長的過程，但教師仍要堅持以培養學生的科學素養為宗旨設計教學，為學生的全面發展打下堅實的基礎．

1 國務院.全民科學素質行動計劃綱要(2006-2020)

2 中國科協普及部.第九次中國公民科學素質抽樣調查報告.調查與研究，2015

3 惠軒.強化科學本質教育的高中物理實驗教學設計與實踐：[碩士學位論文].呼和浩特：內蒙古師范大學,2016

4 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準(實驗).北京：人民教育出版社

5 張恩德，程朝霞. 美國加州、香港和大陸高中物理課程理念比較.物理通報，2010(4):8～10

6 中華人民教育部.2017年普通高等學校招生全國統一考試說明(物理).北京：人民教育出版社

7 任翔宇.基于科學素養的高中化學教學設計研究：[碩士學位論文].開封：河南大學,2009

8 魏冰.“科學素養”探析.比較教育研究，2004

9 杜蕊. 高中生科學素養和物理科學素養的調查研究：[碩士學位論文].貴陽：貴州師范大學,2014

10 孫慧娟.物理實驗教學提升高中生物理科學素養的研究：[碩士學位論文].銀川：寧夏大學,2016

11 葉禹卿.科學新課程與科學素質培養.北京：中國紡織工業出版社，2002

12 郭元婕.“科學素養”之概念辨析.比較教育研究，2004

13 曹璐璐.基于科學方法教育的中學物理教學設計研究：[碩士學位論文].長春：東北師范大學,2013

14 李桂萍.基于科學素養的高一生物教學設計研究：[碩士學位論文].呼和浩特：內蒙古師范大學，2012

15 陶麗娟.高中物理探究式教學設計的研究：[碩士學位論文].西安：陜西師范大學，2010

16 郭繼成，林海河.科學探究在高中物理教學中的嘗試.內蒙古師范大學學報(教育科學版),2009

DesignResearchonHighSchoolPhysicsTeachingBasedonScienceLiteracy

Lu Rongrong

( Department of Physics,Central China Normal University,Wuhan，Hubei 430079)

The National Medium and Long-term Educational Reform and Development Plan and Curriculum Standard put forward a course principle,pay attention to the scientific literacy of all students.Science literacy oriented design of high school physics teaching should have three characteristics of creating situations and guiding students to explore,integrating instructional design and information technology, focusing on scientific inquiry,forexample in high school physics "Free-Fall Motion".

scientific literacy;high school physics;instructional design

2017-04-06)