基于核心素養的高中物理概念教學研究

摘要：物理概念的建立過程既是科學觀念的培養、建立過程，同時也貫穿著科學探究及科學思維的培養。文章通過對智慧教室背景下“簡諧運動”課例中概念教學設計的實踐與反思，探討在物理概念教學中如何養成學生的學科核心素養。

關鍵詞：智慧教室;學科核心素養;高中物理;概念教學;簡諧運動

中圖分類號：G631;G633.7文獻標志碼：A文章編號：1008-3561（2019）06-0022-02

《義務教育普通高中物理課程標準（2017年版）》提出物理學科核心素養主要包括“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態度與責任”四個方面的內容。物理概念是人們在認識客觀世界的過程中對物理事物、物理事實的共性及本質屬性的抽象、概括和認識，既是物理學科知識的重要基礎，也是物理學科核心素養中物理觀念的重要組成部分。物理概念的建立過程既是科學觀念的培養、建立過程，同時也貫穿著科學探究及科學思維的培養。物理概念教學是培養學生科學態度，明確學生科學責任的重要陣地。智慧教室作為一種新型的現代化教學手段，以一種新的教育形式為教學創新、發展提供了有利的技術保障。這套系統可以實現良好的教學互動，即時測評反饋，為教師在課堂上以學定教提供了強有力的技術支持。

本文通過對“簡諧運動”課例中概念教學設計的實踐與反思，探討智慧教室背景下如何在中學物理概念教學中培養學生的學科核心素養。

一、反思傳統常規教學，提出教學中存在的問題

“簡諧運動”選自魯科版高中物理選修3-4第一章第一節，是高中物理的難點之一。學生在動力學基礎上進行簡諧運動的學習，同時也為后續單擺等內容的學習做好鋪墊，在教材中起到承上啟下的作用。本節作為本章的基礎章節，有“機械振動”“回復力”“（簡諧運動的）位移”“平衡位置”“簡諧運動”等諸多概念需要建立。

在傳統的常規教學中，許多一線教師是按照“給出概念——強調關鍵詞及含義——分析相關物理量在一個振動周期內隨時間變化的規律——規律應用、例題講解”大體環節對本節進行講授的。以上教學安排讓學生看似學習了概念，但對概念并不能深入理解，在遇到問題、解決問題時仍然常常感到迷茫困惑，難以做到靈活變通、準確遷移、正確應用。

在物理教學中，不少教師對概念教學未給予足夠重視，在學生概念教學構建上草草了事，未能下功夫進行教學分析和設計。再加上高中階段從未直接考查概念本身，也造成許多學生主觀上對概念學習不夠重視，未能用心對概念的內涵及外延進行充分理解。在日常答疑中，由于學生對概念認識的偏差或模糊不清導致的錯誤常有發生。

對比《義務教育普通高中物理課程標準（2017年版）》的要求，物理學科核心素養的養成要求學生在學習過程中要重視理解和內化，培養自己具有物理學科特點的觀念、思維和能力，以適應終身發展和社會發展的需要。

二、智慧教室背景下基于學科核心素養的高中物理概念教學的組織與設計

1.從核心素養的四個方面內容切入，制定“簡諧運動”教學設計的具體目標

（1）物理觀念。1）知道什么是機械振動及機械振動的必要條件。2）理解回復力的含義，掌握簡諧運動回復力的特征。3）理解簡諧運動的條件，能夠鑒別簡諧運動。4）掌握在一次全振動過程中位移、回復力、加速度、速度的變化規律。5）了解彈簧振子是理想化模型，并能在具體情境中加以判斷。

（2）學科思維。1）培養學生觀察、對比、質疑、分析、歸納以及科學探究的能力。2）通過彈簧振子的建立，讓學生學會利用理想化方法，突出主要矛盾，忽略次要因素，提高他們解決物理問題的能力。3）通過對彈簧振子振動情況的觀察和分析，提升學生觀察及“個別→一般”的科學思維能力和概括總結能力。4）通過對簡諧運動過程中相關物理量的變化規律的分析，培養學生觀察、邏輯思維、分析推理、辯證思維的能力。

（3）科學探究。1）構建理想化模型——彈簧振子。選擇水平方向彈簧振子，為振動探究做好研究對象上的準備。2）構建實驗探究方案。通過振動具有周期性的分析，引導學生對一個周期內的運動規律進行探究，并根據三個特殊位置，把一個周期的運動過程劃分為四個階段。明確要探究的各物理量概念、矢標性、如何判斷及觀察，為正式展開實驗探究做好知識上的準備。3）實施實驗探究。在實驗基礎上，通過智慧教室慢放及Flash課件模擬，讓學生分組進行個性化實驗觀察和探究，通過實物展臺分享實驗數據，進行小組交流、匯報和評價、修正，為下一步規律探究做好數據上的準備。利用電子白板批注功能在師生分析實驗數據過程中對實驗數據進行批注和記號，有利于學生記筆記及橫向對比。通過問題設置，幫助學生構建思維的腳手架，引導學生探究思考、準確表達、分析論證、歸納總結、評估反思。4）培養學生團隊合作、理論聯系實際的能力。

（4）科學態度與責任。1）通過教師啟發、引導，學生能積極思考，主動汲取物理知識，大膽提出物理問題（甚至能對“權威”提出質疑），用心體會科學方法在探究中的應用。2）通過對“位移”概念的重新定義，認識到科學研究的發展性。3）通過對簡諧運動、回復力概念的生成，了解規律的提煉基于物理事實，又高于物理事實;通過對機械運動、簡諧運動的判斷，了解規律既來自實際生活，又能指導人們認識自然。4）認識到隨著人們對客觀世界認識的深入，概念（規律）也是與時俱進、不斷更新的。

2.“簡諧運動”的教學組織與設計

（1）重視物理概念的自主生成，促進物理觀念的構建。教學設計1：機械振動概念。1）列舉生活中的例子——感受身邊的振動。2）重點觀察、對比振動的共同點，由學生總結并得出機械振動定義。例子：A.彈簧下端懸掛一重物的振動。B.擺球的擺動。C.一端固定的鋼尺的振動。3）由學生舉例，用所學知識有方向地尋找符合特征的運動。4）展示小球在圓形軌道內做圓周運動，讓學生用振動概念對物體的運動是否振動進行判斷。教學設計2：回復力概念。在教師的引導性提問中，逐步思考、探索、生成概念，知道“是什么”，理解“為什么”。1）展示并分析滑塊在氣墊導軌上的運動。通過對滑塊動起來的瞬間受力情況分析，引導生成“回復力”概念，明確回復力概念的內涵。情況：A.滑塊拉開一段距離，導軌不充氣，釋放滑塊。B.導軌充氣。2）在生成回復力概念后，引導學生思考并得到回復力的作用，拓展回復力概念的外延。教學設計3：簡諧運動概念。（詳見“2”中表述。）

（2）重視物理實驗的自主探究，促進科學探究能力的培養。教學設計：實驗探究——彈簧振子的振動規律。1）在探究之前：通過問題引導幫助學生梳理探究思路，找到探究方案，分配探究任務。2）在探究過程中：從分組實驗到視頻慢放運用了放大微小量（時間）的科學方法;從實驗情景到課件模擬運用了理想化的科學方法。從個人個性化探究到小組合作交流、班級交流與評估，讓探究過程從實驗操作層面進入數據確定與分析的層面。3）數據分析階段的問題引導思路：一是讓學生觀察原始數據（彈簧形變量x、彈簧彈力F、加速度a、速度v在振子位置處于B、B←O、O、O←C、C位置/階段數據，用箭頭符號形象標出），初步尋找規律;二是讓學生在探究的基礎上，分析數據、生成概念。這樣能讓學生明白：概念從何來？為什么要引入？為什么能表達相關的物理信息？A.引導學生明確例子中彈簧振子的回復力“由彈簧彈力提供”及其作用“始終指向平衡位置，讓振子返回平衡位置”。B.引導得出據胡克定律回復力F=kx中k是彈簧的勁度系數，x是彈簧的形變量，兩個都是標量，kx只能表示回復力的大小，不能表示回復力的方向，提出表達式表達回復力矢量信息不完備的矛盾。C.提出“能不能在式子中也表示出回復力的方向”，啟發學生深入思考，尋找解決方案。D.引導學生思考：“如果要讓表達式F=kx既體現回復力大小又體現回復力方向，表達式應該升級為（）式？”“如果F是矢量，那么等式右邊也應該是矢量，對新引入的物理量有什么要求？”通過問題引導，學生發現：形變量是將彈簧長度與原長比較獲得的。當彈簧保持原長，振子位于平衡位置;當彈簧處于其他位置，彈簧的形變量與振子所在的位置有關。為解決“B”中的矛盾，需要引入一個新的物理矢量：（相對平衡位置的）位移，從而給出“位移”新的定義。E.表達式F=kx中“x”可以直接看作位移大小。繼續追問：“位移方向與回復力方向有什么關系？”引導學生通過對比實驗數據，自主獲得“二者方向總是相反”的結論。進而啟發：“如何表示這種F、x始終相反的方向關系呢？”這樣，能讓學生得到回復力的完整表達式F=-kx，從而生成簡諧運動的概念，并獲得其特征方程。F.提問，明確簡諧運動特征方程中每個物理量含義及表達式含義。

（3）重視對學生思考的引導，促進學科思維的養成。教學設計1：按照由簡單到復雜梳理高中階段學過的運動類型，引入更加復雜的運動類型——機械運動。這樣，能讓學生對所學的運動類型建立整體、有機聯系，體會認識事物和規律的過程是由簡入繁、由易變難的過程。教學設計2：觀察滑塊在氣墊導軌上運動一段時間后，滑塊的振動幅度越來越小。在教師的問題引導下思考、總結，得到物體做機械振動必須滿足兩個必要條件。教學設計3：在前一實驗演示基礎上，對氣墊導軌上的彈簧振子進行抽象化處理，建立理想化模型——彈簧振子。教學設計4：辨析平衡位置是合力為0的位置嗎？本節初始，令物體靜止處于平衡位置，未能從動力學角度進行深入分析，學生對這一概念的理解是粗淺的。在給出簡諧運動特征方程的基礎上進行理論分析，學生就很容易理解在動態振動過程中為什么把這一位置定為“平衡位置”。教學設計5：簡諧運動是什么性質的運動？分析簡諧運動的性質，從新角度給簡諧運動下定義，完善學生對運動類型的認識體系。教學設計6：展示豎直方向彈簧振子，讓學生學習從水平方向簡諧運動的被組織轉向自組織狀態。教師引導提問，學生分析解答：1）振子靜止時的位置是什么位置？（把振子向下拉開一段距離，松手，振子振動）2）振子是不是在做機械振動？3）什么力來提供振子振動的回復力？4）嘗試判斷并證明：豎直方向彈簧振子的振動是不是簡諧運動？教學設計7：利用智慧教室選人模式隨機選擇學習小組對本節課進行小結。回顧梳理本堂課主要內容及內容間的邏輯關系，加深重點、難點在學生心中的印象，幫助學生優化整合學習知識，建構知識體系，提升學習效率。

（4）重視教學過程的嚴謹認真，促進科學態度與責任的樹立。教學設計1：通過現場演示“魚洗”，激發學生強烈的好奇心和探索的欲望。

【其他滲透于教學組織與設計“（1）、（2）、（3）”中，內容參考教學設計的具體目標（4）“科學態度與責任”】

三、總結與啟發

智慧教室背景下基于學科核心素養的高中物理概念教學立足于學生的終身學習和成長，目標集中在學生終身發展所需要的重要習慣和關鍵能力的養成上。所以，基于學科核心素養的高中物理概念教學更加尊重學生的認知基礎、情感體驗，更加注重在概念探究和生成過程中科學方法的應用、科學探究的引導，更加重視對教學過程中生成資源的即時利用，通過信息技術和學科教學的融合，客觀反饋生情學情，準確定位問題所在，適時調整課堂教學，從而實現課堂教學的高效益。

參考文獻：

[1]周靈.及時評量以學定教促進發展——給予“智慧教室”的教學實踐與思考[J].福建基礎教育，2016（11）.

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