從物理核心素養培養談物理課堂情境化實驗引入
——記第十三屆全國中學物理青年教師教學大賽反思

梁沛林

(深圳市西鄉中學 廣東 深圳 518102)

全國青年物理教師教學大賽是兩年一度的全國性物理教學盛事，來自全國各地的青年物理教師同臺競技，相互交流學習.今年有幸作為選手參加了這一賽事，選取的課題為“劃時代的發現——探究產生感應電流的條件”.幾個月的備課讓筆者獲益頗豐.備課過程正好伴隨著2017版新課標的頒布落實，核心素養的觀念逐步改變著我的教學思路.備賽階段得到了許多名師的指點，經歷了數次的修改，從實驗的創新、教具的使用、課堂環節的過渡……都有調整.

然而課堂的引入是最為關鍵的環節，與指導教師們的交流中產生了許多思想的碰撞，教學設計經歷了多次修改，每次修改都伴隨著對物理核心素養的深入認識.

1 情境化實驗

“情境化實驗”，即根據學生熟悉的生產實踐或學習生活情境提取出與研究的物理概念或規律緊密關聯的實驗素材，并根據教學內容設計的非常規實驗[1].非常規實驗是指區別于教材中的直指物理概念或規律的創新實驗.情境化實驗是以學生的感性認識為起點，搭建的感性認識和理性認識間的橋梁，情境化實驗的要點在于情境檢驗和實驗聚焦，以情境還原物理真實，以實驗聚焦物理知識.

1.1 情境化引入

物理概念或規律往往以某一生活情境的形式存儲在大腦中并以畫面的形式呈現.例如當人們提到圓周運動這一概念時，在大腦中會出現某一圓周運動的情境，或過山車豎直軌道，或賽車拐彎，或自行車車輪轉動……圓周運動的概念特征和物理規律就依附在這些情境中.經過專門訓練的人能夠從過山車運動中聯系到圓周運動的線速度、角速度、向心加速度、向心力、離心運動等物理概念.

教學中如果能夠以某一實際情境引入，幫助學生建立情境與概念或規律之間的聯系，那么學生就能夠建立以情境為依托的系統化的概念體系，既縮短了概念建立的邏輯鏈[1]，又能夠實現概念的系統化、模塊化.因此創設情境進行教學，對培養學生的物理觀念具有關鍵的作用.《普通高中物理課程標準(2017年版)》對情境的創設描述如下：“構建新的物理概念，必須在客觀情境中概括事物的共同屬性，抽象事物的本質特征.物理規律的構建則需要讓學生從情境中發現和提煉問題，進而對問題提出猜想，設計實驗方案，處理實驗獲得數據，再通過真實情境檢驗實驗數據得到的結論.”[2]因此情境化的引入是新課程標準的要求，也是物理核心素養理念的體現.

從創設情境的內容看需要考慮如下3方面因素：學生對情境的熟悉程度、情境的真實性、情境與教學主題的關聯度，具體分類如圖1所示.

圖1 創設情境的內容

(1)熟悉度：情境的構建應盡可能取材學生熟悉的素材，最好以學習生活或者生產實踐中的常見事物作為素材.例如作用力與反作用力可以選取鼓掌這一常見的情境引入.熟悉的情境已經在頭腦中根深蒂固，畫面感很強，在此基礎上進一步學習能夠大大降低情境代入的難度.從熟悉的情境出發學習物理概念和規律有利于形成理論和實踐的關聯，培養學生觀察身邊事物，提煉物理概念、規律的能力和素養.

(2)真實性：引入的情境盡可能是原始的生活實踐情境，而不是經過抽象或加工的實驗情境或模型情境.原始情境指生產實踐或學習生活中的真實畫面，包含了巨大的信息量.而實驗情境則聚焦物理知識，忽略了物理知識與生產實踐、學習生活的關聯.模型情境進一步把實驗中出現的摩擦損耗、熱損耗、形狀、大小等因素都忽略，只保留了核心的物理信息.其蘊含的信息量進一步壓縮，如圖2所示.

圖2 信息量比較

例如風力發電機發電過程是電磁感應現象的真實應用，其發電的情境包含了許多信息，部分信息或許與要研究的物理問題無關，但這些信息并不是可有可無的，學生需要體驗從真實的物理情境中排除次要因素的干擾，提取有用信息，進而把原始情境轉化為實驗情境和模型情境的過程.這個過程是學生學習不可或缺的一部分，也是培養學生物理核心素養的關鍵環節.如果直接從直指物理規律的實驗情境或模型情境出發，忽略了從真實情境中抽象和簡化的過程，久而久之學生的思維會片面化或脫離實際.

(3)設疑：從情境中提取與課題學習關聯的因素，并設置疑問，作為課堂學習的線索.設疑可以分為應用設疑和解釋設疑，展示實際應用的事物引出其運用的物理原理，或者根據一個物理現象運用物理原理進行解釋.設疑是課堂引入的重要環節，它回答了“為什么要學”的問題.相反，如果把順序顛倒，先講解知識或規律，然后把所學的內容應用于解釋或者解決實際問題，雖然同樣是解決了實際問題，但忽略了學生的學習動機.學生不知道為什么而學，就像在黑暗中摸索，全靠教師帶領，無法以主人公的角色完整經歷概念或規律的探究過程，也無法從整體上把握知識間的聯系.這不利于學生物理觀念的形成以及科學思維、科學探究素養的培養，也不利于調動學生學習的積極性.

1.2 體驗實驗

如果要向一個沒有吃過蘋果的人介紹蘋果的味道，那最好的辦法就是讓他親自嘗一口.相反，如果離開了體驗，無論你多么善于表達，都無法僅通過語言說明蘋果的味道.一方面是因為蘊含在蘋果味道中的信息量非常巨大，果香、口感、甜度以及它們的搭配等一系列信息根本無法用言語表達清楚.另一方面是因為人與人之間的感官體驗是有差異的，同一個蘋果，甲覺得很好吃，但是乙可能覺得酸.要向沒有任何感官體驗的學生講明白一個物理概念或物理規律也會遇到同樣的困境.人們對物理規律雖然有共識，但是學生之間是存在課堂環境的感知差異的，學生是感知的主體也是學習的主體.是學生自己學會物理，而不是教師教會了物理.教師的職責是給學生提供學習的素材和學習方法的示范.只有通過學生本人的感官體驗才能收集到既全面同時又個性化的信息，進而進行有效的學習.

其次，體驗實驗的目的是通過感官體驗與需要闡述的物理概念或者物理規律建立聯系.感官體驗一方面增強了情境的畫面感，另一方面成為概念或規律記憶的觸發點.學生獲得感官體驗的形式很多，包括閱讀(語言描述、閱讀資料)、觀察(觀看圖片或者視頻)、實驗(教師演示實驗、學生上臺演示實驗、學生分組實驗或游戲)，這些體驗活動形式蘊含的信息量是逐步遞增的，其體驗效果也是逐步遞增的，如圖3所示.

圖3 感官體驗效果

體驗互動的信息量越大，則建立的情境就越豐滿，越容易形成長久的記憶.從建立體驗效果角度看，現場分組實驗或游戲是最為有效的.

而感官體驗根據接受的器官又可以分為：視覺、聽覺、味覺、觸覺和嗅覺.感官體驗的種類越豐富，建立的情境畫面就會越深刻.例如把鮮花帶到課堂中，既可以讓學生觀察鮮花的顏色和外形，同時也能夠聞到鮮花的芳香，再以此引入擴散現象能夠給學生帶來飽滿的畫質感，其建立的體驗也會更難忘.其次越是新鮮的體驗越能留下深刻的印象.

例如學生看到之前沒有接觸過的現象會比看見常見的事物更有興趣.引入設計越是新鮮，越能吸引學生，得到的體驗效果就會越好.感官實驗的設計要點如圖4所示.

圖4 感官實驗的設計要點

2 情境化實驗引入的應用

全青賽中筆者選取的課題為“劃時代的發現——探究產生感應電流的條件”，本課是一節實驗探究課，根據“情境化實驗”的思路，在備課過程中筆者設計了4個不同的方案，如表1所示.

表1 筆者設計的4個不同的方案

表1中列舉了4種引入方案在情境和體驗兩項核心要點中達成的情況，并以情境化實驗的效果標準對4個方案進行簡要的評價，如表2所示.

4個方案各有優勢，從情境設置中素材的熟悉程度看，方案一使用的手機和音響都符合貼近生活的特點，學生對這些素材都很熟悉，而且對這些熟悉事物的新應用感覺到好奇.但是方案一通過變壓器傳遞音樂信號，學生先得理解音樂信號在音響中是通過電信號傳遞的，音量、音頻變化都是通過電流控制的.另外，變壓器的概念學生還沒有建立，需要向學生講解變壓器的結構，這個過程顯得邏輯鏈過長，對研究的主題聚焦不足，從設疑角度看就是設疑不能直指電流產生的核心問題.從建立物理情境角度看方案一中的手機播放音樂顯得不夠自然，有點為實驗而實驗，并不是真實的情境，效果上自然有欠缺.從體驗角度看方案一是比較新穎的，信號能夠從兩個不相互接觸的線圈之間傳遞，通過音響播放，能夠給學生留下深刻的聽覺體驗.加上使用的是學生非常熟悉的手機和音響展示，既降低了學生理解實驗素材的難度，又增加了課堂的親和力.

方案二的風力發電機是真實情境，也是真實應用，是實際生產中的真實物品，在電磁感應現象的應用中具有典型性.但是該情境距離學生生活比較遙遠，學生對發電機往往不了解，大多數沒有接觸過，代入情境比較困難.但是發電機點亮燈泡產生的視覺效果新穎能夠留下深刻的感官體驗.

方案三和方案四都是使用學生熟悉的小風扇引入，從建立情境的角度看方案三通過視頻設置的情境更加生動，但是視頻引入缺乏感官體驗.而方案四則是通過真實的觸電體驗引入，直指電流如何產生這一核心問題，設疑簡潔、新穎且深刻.學生都知道通電后小風扇會轉動，從轉動的小風扇能夠發電的角度引入電磁感應現象，則能夠激起思維碰撞，并啟發學生從不同角度觀察生活中的事物.從體驗角度看同時兼顧觸覺和視覺(小燈泡發光)兩種感官，圍繞著電流產生這個主題形成深刻的體驗.個別學生課后反映“風扇觸電”是他體驗最深刻的一個物理環節.加上方案四引入后結合后面展示風力發電機的環節能夠起到首尾呼應的效果，綜合“情境化實驗”引入的各要素考慮，最終選擇了方案四作為比賽的引入方案.

賽后根據情境化實驗引入的思路觀看了全青賽的其他教學引入，發現大多數比賽選手都采用了符合情境化實驗要點的引入方式，并取得很好的效果.

表2 4個方案進行簡要的評價