挖掘核心素養(yǎng) 對接課堂教學
——以“光的粒子性”教學為例

徐 禎 邵 貝

(金華第一中學 浙江 金華 321015)

所謂“學生發(fā)展核心素養(yǎng)”，是指學生應(yīng)具備的，能夠適應(yīng)終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力，是關(guān)于學生知識、技能、情感、態(tài)度、價值觀等多方面要求的綜合表現(xiàn)，是每一名學生獲得成功生活、適應(yīng)個人終身發(fā)展和社會發(fā)展都需要的、不可或缺的共同素養(yǎng)，其發(fā)展是一個持續(xù)終身的過程，可教可學，最初在家庭和學校中培養(yǎng)，隨后在一生中不斷完善.它的一個重要特征是“可教可學”，這對核心素養(yǎng)落實到學校教育、落實到微觀的課堂教學提供理論支持.

那么，怎樣才能夠通過課堂教學有效提升學生的物理學科核心素養(yǎng)呢？

1 基于學科特點 領(lǐng)會核心素養(yǎng)

具體到物理學科，核心素養(yǎng)可以具體化為物理觀念、科學思維、實驗探究、科學態(tài)度與責任.“物理觀念”包括物質(zhì)觀念、運動觀念、相互作用觀念、能量觀念及其應(yīng)用等要素；“科學思維”主要包括模型建構(gòu)、科學推理、科學論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素；“實驗探究”主要包括問題、證據(jù)、解釋、交流等要素；“科學態(tài)度與責任”主要包括科學本質(zhì)、科學態(tài)度、科學倫理、STSE等要素.可以這么說，落實了學科核心素養(yǎng)就是落實了學科的最大教育價值.

2 基于有效對接 挖掘核心素養(yǎng)

核心素養(yǎng)在教學素材中的地位，好比深埋地下的寶藏，要經(jīng)過挖掘洗煉，才能見其光華.同樣，要將核心素養(yǎng)準確對接課堂教學，首先要做的是針對本節(jié)課而言，挖掘出哪些是需要重點培育的核心素養(yǎng)，即在課堂教學之前，教師根據(jù)具體教學內(nèi)容提煉重點培育的核心素養(yǎng)細化目標.對一個特定課時而言，物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，不求面面俱到，但求有所側(cè)重.其核心素養(yǎng)挖掘應(yīng)從對教學內(nèi)容及其教育價值分析、從教學內(nèi)容與其他內(nèi)容的關(guān)系分析、從對接過程可能遇見的困難分析等角度入手.

2.1 從教學內(nèi)容及其教育價值分析入手

教育價值的分析包括知識方法應(yīng)用價值、思維價值，以及培育情感態(tài)度價值觀的價值.比如“光的粒子性”，其主體知識由光電效應(yīng)的實驗規(guī)律、經(jīng)典理論解釋光電效應(yīng)遇到的疑難以及愛因斯坦運用量子觀點對光電效應(yīng)實驗結(jié)果的圓滿解釋3部分組成[1].光電效應(yīng)是認識光的粒子性的重要依據(jù)，愛因斯坦用量子觀點對光電效應(yīng)的解釋是科學轉(zhuǎn)折的重大信號，更多的科學家開始關(guān)注普朗克提出的量子觀點，并開創(chuàng)了新的局面.物理學的每一項重大發(fā)現(xiàn)都改變著人類的自然觀、科學觀和思維方式，物理學史顯示，每當人們發(fā)現(xiàn)一種新的實驗現(xiàn)象沒法用舊有理論解釋時，正是新理論誕生之機.黑體輻射、光電效應(yīng)、氫原子光譜等現(xiàn)象的解釋都遵循這一規(guī)律.學生很自然意識到，一旦科學走到了這樣的轉(zhuǎn)折關(guān)頭，起關(guān)鍵作用的，往往不是具體的知識，而是觀念的轉(zhuǎn)變.

因此，本節(jié)內(nèi)容除了知識本身的價值，還對物理觀念的轉(zhuǎn)變，對直覺經(jīng)驗和經(jīng)典理論的局限，對包含問題、證據(jù)、解釋的實驗探究.對權(quán)威和自身過往知識經(jīng)驗的質(zhì)疑創(chuàng)新甚至比知識本身更為重要，這些能力對學生個體的終身發(fā)展和社會發(fā)展彌足珍貴.教學過程也相當于提供一個轉(zhuǎn)變觀念、實驗探究和科學思維的范本.

2.2 從該教學內(nèi)容與其他內(nèi)容的聯(lián)系入手

本節(jié)內(nèi)容之前，學生已經(jīng)比較系統(tǒng)地學習了經(jīng)典的物理理論，建立物質(zhì)連續(xù)性的經(jīng)典觀念.同時，伴隨黑體輻射誕生的能量量子化觀點初露端倪，物質(zhì)世界的不連續(xù)性第一次出現(xiàn)在學生面前.普朗克的理論是在經(jīng)典理論遇到困難時，不得已而為之的假設(shè)，它雖然違背人們的直覺經(jīng)驗，卻與實驗對接得天衣無縫.量子這個“小精靈”初生的日子，到處不受待見，不得不在物理的荒野游蕩，直到愛因斯坦接受它，并用它來解釋光電效應(yīng)現(xiàn)象的疑難獲得巨大的成功.至此，人們才認識到量子論的重大意義.后面將要學習的氫原子光譜，也遇到了經(jīng)典理論無法解決的疑難，玻爾也大膽引入量子觀點才得以成功解釋實驗事實.這些事例為學生認識和了解物質(zhì)的波粒二象性、物質(zhì)波、不確定關(guān)系等做了充分的鋪墊.愛因斯坦對光電效應(yīng)的解釋是科學的重大轉(zhuǎn)折，本節(jié)內(nèi)容在教材中的地位承前啟后，非常重要.物理觀念的轉(zhuǎn)變，包括問題、證據(jù)、解釋、交流等要素的實驗探究，質(zhì)疑創(chuàng)新的科學思維等核心素養(yǎng)都已潛藏其中.

2.3 從對接核心素養(yǎng)可能出現(xiàn)的困難入手

量子觀點違背日常的直覺經(jīng)驗與經(jīng)典物理理論.量子誕生初期，連量子之父普朗克本人也是疑慮重重、惶惑不安.量子理論誕生一百年來，在應(yīng)用實踐中大獲成功，但是量子物理行為是如此怪異，以致至今仍屬于物理學研究的前沿領(lǐng)域.量子論巨子玻爾曾說，誰要是宣稱自己懂得量子論，就說明他根本不懂量子論.科學界尚且如此，要讓初次接觸量子論的學生接受它，難度可想而知.這是知識本身帶來的困難.從對連續(xù)性習以為常的經(jīng)典理論轉(zhuǎn)變?yōu)橐圆贿B續(xù)性為特征的量子觀念的轉(zhuǎn)變，“物理觀念”的核心素養(yǎng)落實非常困難.

如果僅僅在黑板上“做”教材中的實驗，相當于在學習者和所學的知識之間隔了千山萬水，實驗成了久遠的傳說，真實性值得懷疑、實踐性完全喪失，物理觀念的轉(zhuǎn)變成了無本之木，提升核心素養(yǎng)就是一紙空談.事實上，光電效應(yīng)的定量實驗在中學課堂并不容易做，這是對接核心素養(yǎng)的攔路虎之一.

另外，光電效應(yīng)的實驗現(xiàn)象比較復(fù)雜，看穿復(fù)雜的現(xiàn)象，厘清實驗規(guī)律，并嘗試用現(xiàn)有理論解釋新的現(xiàn)象，學生面臨問題的多樣性和復(fù)雜性前所未有.自己實驗、自己總結(jié)規(guī)律、自己嘗試解釋，不僅要調(diào)動頭腦中原有知識儲備，還要提取合適的部分應(yīng)用于具體問題，為自己的觀點提供論據(jù).關(guān)鍵還要對原有知識理論提出質(zhì)疑創(chuàng)新，何其難也！科學思維的核心素養(yǎng)落實面臨巨大的挑戰(zhàn).

3 基于教學設(shè)計 融入核心素養(yǎng)

圍繞核心素養(yǎng)的培養(yǎng)目標，教學設(shè)計應(yīng)包含教學內(nèi)容的選擇與組織、教學內(nèi)容的表征與實現(xiàn)手段、學生的學習活動設(shè)計等方面.核心素養(yǎng)以半隱性形態(tài)貫穿其中.教學設(shè)計對接核心素養(yǎng)的具體策略包括合理組織教學內(nèi)容、選擇合適實現(xiàn)手段、設(shè)計有效學習活動等.

3.1 合理組織教學內(nèi)容 順暢有序融入核心素養(yǎng)

教材對教學內(nèi)容的組織存在內(nèi)在邏輯性、自成體系，但從學習者的角度來看，并不意味著這一定是最佳的組織方式.比如本節(jié)中，逸出功這個知識點出現(xiàn)在光電效應(yīng)定量實驗之后提出，在解釋實驗規(guī)律時突然冒出，學生毫無心理準備，既沖淡了經(jīng)典理論遭遇的困難沖突，又顯得突兀莽撞.這個編排不夠合理.其實在光電效應(yīng)定性實驗(圖1)之后，提出光電效應(yīng)的概念時，就應(yīng)該將“逸出功”概念一語帶出，不僅自然，而且為后面的理論解釋埋下伏筆，形成知識儲備，更有利于突出光電效應(yīng)現(xiàn)象解釋面臨的疑難.

圖1 光電效應(yīng)定性實驗

下面為教學片段之一.

演示：打開紫外燈,用紫外光照射帶負電的鋅板，觀察驗電器指針張角變化.

提問：說明了什么？

回答：說明鋅板上的電子跑走了！

指明：照射到金屬表面的光，使金屬中的電子從表面逸出的現(xiàn)象，稱作光電效應(yīng)(板書).逸出的電子常被稱為光電子(副板書).光電子不是新東西，它就是電子.電子原來與金屬內(nèi)部的其他粒子擠擠挨挨、磕磕碰碰，無規(guī)律做熱運動.不過它也并非完全自由，若要從金屬表面逸出獲得自由身份，必須先要克服阻力做功.我們把與其他粒子結(jié)合得最為松散的電子逸出所需要的最小能量稱為逸出功(副板書：逸出功W0)，逸出功由金屬本身決定，它主要反映金屬對電子的束縛能力.

在這里，不僅自然得出逸出功的概念，還喚醒一個核心觀念——能量觀念(物理觀念)，為后續(xù)學習做好了心理準備.之后的實驗探究、嘗試解釋、經(jīng)典理論與新的實驗事實的矛盾疑難，以及新理論的適時出世邏輯合理、連貫順暢，知識的學習猶如移步換景，妙不可言.

3.2 選擇合適實現(xiàn)手段 突出實驗探究

空談?wù)`“學”.任何一個培養(yǎng)目標的實現(xiàn)，只有空談不起作用.無論物理觀念的建立,還是實驗探究，抑或科學思維的培養(yǎng)，都離不開恰當?shù)氖纠Ⅲw驗和點撥.

比如，課題引入時，可以用“橫看成嶺側(cè)成峰”(見圖2)類比說明觀察角度對認識的影響.

圖2 橫看成嶺側(cè)成峰

客觀世界豐富多彩，客觀事物復(fù)雜多樣.如果觀察事物的角度不同，得到的結(jié)果也不同.所謂的“橫看成嶺側(cè)成峰,遠近高低各不同” 形容的就是這個道理.比如我們已經(jīng)從光的干涉衍射認識到光是一種電磁波.那么是否可以從另外的角度重新認識它呢？如果可以，應(yīng)該能更全面地反映光的本質(zhì)吧.

比如，實驗探究，應(yīng)該創(chuàng)造條件讓學生能夠親眼見證實驗事實的發(fā)生.教材中的實驗裝置如圖3所示，這個電路圖的缺點是控制電路過于復(fù)雜，對主要知識學習形成較大干擾，因此用圖4所示的數(shù)字式可調(diào)電源來替代控制電路，電流表也用數(shù)字式微電流表.如此，既簡潔方便又突出學習重點.

圖3 光電效應(yīng)實驗裝置

圖4 簡化后的光電效應(yīng)實驗裝置

(1)將電流表與光電管串聯(lián)，自然光照射下得到光電流.但它實在很小(5×10-8A)，能不能使光電流再大些？(提出問題)

(2)將電源、電流表和光電管按圖4所示情形連接，用黃光照射光電管.實驗并記錄電壓和電流的數(shù)據(jù).(改進方案)

(3)利用Excel表格數(shù)據(jù)描繪I-U圖像.展示新作的圖像.(數(shù)據(jù)處理)

(4)通過觀察圖線，得到電流隨電壓變化的規(guī)律，順勢得出飽和電流的概念.(得出結(jié)論)

(5)將電壓反向，繼續(xù)實驗.順勢得出遏止電壓.換成藍光照射，繼續(xù)實驗，得到更完整的圖線，如圖5和圖6所示.(深入探究)

圖5 電流與光強的關(guān)系

圖6 遏止電壓

3.3 設(shè)計有效學習活動 引發(fā)科學思維

除了親身參與實驗活動之外，獨立思考與小組討論結(jié)合、場景模擬辯論都能充分調(diào)動學生的學習積極性、增強課堂參與度.為保證討論的有效性，應(yīng)該提供討論提綱.

討論提綱(問題)：

(1)從我們以往學過的知識來看，你認為最容易解釋的是哪一條？怎樣解釋？

(2)從經(jīng)典理論來推演，遏止電壓與光強應(yīng)該是怎樣的關(guān)系？

(3)從經(jīng)典理論來推演，是否會發(fā)生光電效應(yīng),應(yīng)該與光的什么因素有關(guān)？

學生討論后覺得疑點重重(交流、質(zhì)疑).

正在這一籌莫展的時候， 教師指出：

同學們，我們遇見的困難也是當時物理學家遇見的困難.

一旦科學走到了這樣的轉(zhuǎn)折關(guān)頭，起關(guān)鍵作用的，往往不是具體的知識，而是觀念的轉(zhuǎn)變(物理觀念).

當時已經(jīng)知道能量的存在形式有連續(xù)和分立兩種.能量連續(xù)的觀點不能解釋，那能量分立的觀點行不行？最早是普朗克提出能量分立的觀點，認為電磁輻射時能量是一份一份的，每一份大小是hν，叫做能量子.但是他這個假說與經(jīng)典物理觀念完全不同，以致他本人都惶惑不解，大家注意到照片中那惶惑的眼神，似乎表明他心中的糾結(jié)……年輕人往往更容易接受新觀念.時年26歲的愛因斯坦最先意識到能量量子化的意義……(創(chuàng)新)

將思維的方向轉(zhuǎn)向量子觀點，為學習愛因斯坦對光電效應(yīng)的解釋指明方向.

引入光電效應(yīng)方程，對實驗結(jié)果做出正面解釋.這時仍有學生覺得知識過于抽象，似懂非懂，引入類比往往能有出其不意的效果.

從方程可以看出，對于某種確定的金屬，光電子的最大初動能(或遏止電壓)只與光的頻率有關(guān)，而與光的強度無關(guān).

這個過程好比(板畫)一個位于深井中的人，他如果要躍出深井，至少需要W0(板書)的能量，井很深，顯然依靠他自身的力量跳不出來.正著急之時，一個大小為hν0的能量包從天而降，正好砸中他，那么,他吸收能量hν0后將剛好到達井口(圖7).如果具有更多能量hν的能量包從天而降砸中他，那他吸收能量后不僅躍出深井，并且還有動能盈余，可以向外跑.

圖7 深井中的人躍出深井

4 結(jié)束語

素養(yǎng)是“可教、可學”的[2]，是經(jīng)由后天學習獲得的，它可以通過有意的人為教育加以規(guī)劃、設(shè)計與培養(yǎng)，是經(jīng)由課程教學引導(dǎo)學習者長期習得的.物理核心素養(yǎng)與教學素材之間的關(guān)系猶如大地與礦藏，教師要做好“挖掘洗煉”工作,然后對接課堂教學.教師是核心素養(yǎng)與學生之間的橋梁.作為一線教師，不僅要深刻領(lǐng)會核心素養(yǎng)，也要結(jié)合具體教學內(nèi)容挖掘核心素養(yǎng)并將它融入課堂教學.

1 唐果南，周智良，張穎.物理·選修3-5教師教學用書.北京：人民教育出版社，2010.56

2 柳夕浪.從“素質(zhì)”到“核心素養(yǎng)”——關(guān)于“培養(yǎng)什么的人”的進一步追問．教育科學，2014(03):7