探物明理 逐本溯源
——基于核心素養培養的物理教學主張

夏雄糾，吳 邵

(1.麻城市思源實驗學校,湖北 麻城 438300；2.南京市濱江中學，江蘇 南京 210015)

“探究式教學”“合作學習”“自主學習”等教學方式值得教師廣泛推崇。但是，如果教師對這些教學方式在理解上出現“泛化”或“神化”的偏差，導致不管對什么樣的教學內容都冠以“探究”的標簽，或者在探究活動中只求“主體”地位，忽視“主導”作用，只求形式，不求內涵，那便偏離了初中物理教育的本源。長此以往，學生的思維能力淺表化，核心素養得不到落實，更談不上創新能力的發展。

在大量調研及參與區域內眾多聽課、磨課、賽課等活動的基礎上，經過不斷地思考和探尋，筆者提出“探物明理 逐本溯源”的物理教學主張。“物理”從字面上理解，即“物”之“理”。“探”就是探索的意思，“物”指的是生產、生活實際或學習活動中所經歷的物理現象，“明”是明白、明辨之意，“理”即事理，指的是物理現象中揭示的物理規律，以及物理學科中包涵的物理思想。“探物明理”的含義是：物理教學既要探究自然界中的物理現象，注重科學與實際、科學與社會的聯系，也要明白物理現象所揭示的物理規律，以及物理學科中蘊含的思想方法，通過一定的科學教育，幫助孩子們形成對世界的完整認識，形成終身受用的物理觀念，發展學生的科學思維，掌握解決問題、改造世界的能力和本領。“探物”是手段，“明理”是目的，二者相輔相成，不可偏頗。從這個意義上講，“探物明理”這一教學主張的提出，回歸了初中物理教育的本源，并且與發展素質教育和培養核心素養的目標相一致。所以，“探物明理”是物理教學“逐本溯源”之策。

在物理教學中如何踐行“探物明理”的教學主張呢？筆者根據當前物理教學現狀，結合時代對教育提出的新要求，將重點放在以下四個方面。

1 關注生活，明應用之理

貼近學生生活來開展物理教學，符合學生認知特點，易于激發興趣，掌握知識與技能，為以后的學習、生活和工作打下基礎。

筆者在名師工作室的工作及區域教研活動中，提出了“清風物理·生態課堂”這一教學理念。清風源于自然，蘊含科學，清風充滿遐想，令人探索。“清風物理·生態課堂”體現了“從生活走向物理，從物理走向社會”這一課程基本理念，并且將“生活物理”“探索物理”等教學理念融合在一起，還揭示了物理教學要構建生態課堂，培育和諧共生的師生關系，“清風物理·生態課堂”與“以人為本”“和諧發展”的育人理念以及核心素養的培養目標相統一。“清風物理·生態課堂”的教學實踐，建立了物理與生活相聯系的有效途徑，為確保課堂高效率提供了有效的可操作的具體方法和策略。在課題研究中，我們收集到大量的“清風物理·生態課堂”的實驗成果(論文、導學案、創新題設計、創新實驗設計等)。這些成果從實踐層面詮釋了“清風物理”蘊含的教育教學理念，深入挖掘了初中物理教材中“清風物理”的元素：聲學、熱學、力學、電學等，體現了“清風物理”與核心素養的深度融合。通過“清風物理·生態課堂”的教學實踐，師生們在物理生活化方面取得了大量的成果，學生的學習興趣濃厚了，物理課堂變得生動有趣了，學生們學習的內容變得豐富多彩了，老師們在教學中變得更得心應手了。

關注生活開展物理教學，一方面要求教師在教學內容選擇上要注重挖掘生產、生活中的實例。在呈現方式上，可采用學生喜聞樂見的形式。教師還可以結合生活實際提出一些相關的小課題讓學生開展調查研究。例如，通常人們看完電視節目后只用遙控器關電視機而不斷開電源，電視機始終處于待機狀態。在學習電能的相關知識時，教師讓學生在家中用電能表、計時器這些工具測量電視機在待機狀態下所消耗的電功率，然后估算一個家庭一年由此所浪費的電能。

在平常的命題中，可選取貼近學生生活實際、社會熱點、科技動態等方面的素材。如下述幾則實例：

實例1在2020年抗擊新冠肺炎疫情期間，深圳某公司研發一套抗擊疫情的無人機巡查技術，并且成功應用到抗疫一線。如圖1所示是一款無人機正在巡查作業，在無人機勻速上升過程中，對其分析正確的是( )

圖1 無人機正在巡查作業

A. 動能增加 B. 動能減少

C. 重力勢能增加 D. 機械能不變

參考答案 C

實例2如圖2所示，中國“人造太陽”——大型核實驗裝置“東方超環”(EAST)取得重大突破，創造世界新紀錄，在上億度的高溫狀態下，物質呈現等離子態，它們可以被磁場約束。“東方超環”就是利用強大__________所產生的強大磁場把等離子體約束住。“東方超環”的反應原理與太陽類似，通過__________(填“裂變”或“聚變”)釋放巨大的核能，原子核能又轉化為__________，從而獲得上億度的高溫。

圖2 大型核實驗裝置“東方超環”(EAST)

參考答案 電流；聚變；內能

這些題材拓展了學生的視野，激發了學生“探物明理”的興趣，讓他們從關注生活之中，明白所應用的物理原理。

另一方面，要開展綜合實踐活動，帶領學生進行社會調研，開發和利用社會資源。如參觀污水處理廠、生活垃圾處理場、風力發電站、火力發電廠等，把科技展品引入學校供家長、學生參觀學習。這些活動，使學生在近距離接觸中學到物理知識，體驗科技的奧秘。因此，關注生活是學生“探物明理”的重要方式。

2 創新實驗，嘗發現之理

實驗是物理課程的特點，也是物理教學的基礎，是落實科學素養的重要途徑。正如物理學家帕格爾斯所言：“沒有實驗的物理理論是空洞的，沒有理論的實驗是盲目的。”[1]

如圖3所示，86.7%的學生表示喜歡有較多的動手操作或親身實踐、討論交流或自學等課堂教學方式，12%的學生喜歡以老師講授為主的方式。由調查統計可見，實驗是學生最喜歡的課堂教學方式之一。

圖3 學生最喜歡的教學方式調查統計

筆者工作室的很多成員在實驗創新方面進行了大量的嘗試。一位老師為了幫助學生理解重力方向豎直向下，設計并制作了“重力方向探測器”，輕松解決教師難教、學生難學的問題。小制作，大用途，教師教得輕松、學生學得愉快。學生既學到了知識，又陶冶了情操；既培養了協作意識，又增進了感情。另一位老師演示液體的熱脹冷縮時，設計了“酒精‘爬樹’”的精彩實驗，抓住了學生的好奇心，激發學生的求知欲望。將一根塑料細管纏繞在綠植小樹上，當滴入了紅色墨水的酒精受熱膨脹時，紅色液體沿著細管上升，慢慢向上攀爬，一會兒到達樹頂。現場演示讓所有學生都十分震驚！實驗采用給酒精加熱來代替傳統給水加熱，因為酒精膨脹比水更明顯。在酒精中加入了紅墨水，讓紅色的酒精繞著綠樹爬升，增加了觀賞效果和現場震撼力。還有很多老師自制了大量實驗教具，如“滑躍式光電顯示變阻器”“低壓觸電實驗模擬演示器”“阿基米德原理數字化改進裝置”“固定在講桌上的可升降多方位演示臺”等等，在課堂教學中發揮了重要作用。

長期以來，實驗成為了物理教學的薄弱環節。雖然很多老師思想上認識到實驗的重要性，但是在實際教學中為省事而弱化了這一環節，采取說實驗或以虛擬實驗代替真實實驗的做法。這是我們物理教學的誤區。物理教學中要利用學校的實驗條件，開發一些實驗資源，使實驗教學真正落到實處。實驗教學的另一個誤區是為實驗而實驗，或者是“玩實驗”，只求氣氛上的活躍，或者形式上的創新，而沒有真正發揮實驗教學的功能。

實驗是科學探究的重要方式。如圖4所示，物理實驗的教學功能表明，實驗教學對核心素養的形成起到重要作用。在物理實驗中，教師要引導孩子們像科學家那樣不只是觀察現象，還要弄清楚現象背后的奧秘，要以“懷疑”的眼光審視所觀察到的現象，并就觀察所得進一步提出可以通過科學探究來解決的問題。學生開展物理實驗，進行科學探究，這正是“探物明理”的自覺行動。

圖4 物理實驗的教學功能

霍金說：我們都是魚缸里的一條“金魚”。由于光在進入水時發生了折射，在我們看來做直線運動的一個物體，在金魚的眼中就是沿著曲線運動的[2]。如果金魚足夠聰明，那么，金魚也可以在它們的世界里總結出一套物理學規律。雖然，這樣的規律對于金魚缸外的我們來說，根本就是胡說。但是，相對于更廣闊的世界而言，我們不也是處在一個我們沒有觀察到的“圓形金魚缸”里嗎？(圖5)

圖5 “圓形金魚缸”中的我們

換一個角度就是另一個世界，物理實驗不能缺少“學生”的視角。江蘇省著名特級教師湯金波老師多年從事學生自主創新實驗研究，他以豐富的實踐經歷表明“創新實驗是點燃智慧的發動機，也是不斷豐富智慧的永動機”。受湯老師影響，筆者也在不斷創造條件讓學生獨立開展實驗，讓學生網購實驗器材，自主完成課本實驗；發動他們利用身邊的器材自制教具；或者在家里創造實驗條件，開展自主創新實驗。特別是在2020年網課期間，學生宅居在家里完成了大量的物理創新實驗，這不僅豐富了他們的網課生活，更重要的是在動手實驗中體驗到了“刷題”過程中無法感受到的靈感和快感。

研究表明，孩子養成做物理實驗甚至創新實驗的習慣，經歷發現問題、分析問題、解決問題的過程，對開發學生的智力、發展學生的思維、豐富學生的智慧起重要作用。開展物理創新實驗是物理教學中“探物明理”的重要手段。

3 構建模型，悟形成之理

所謂物理模型，是人們為了研究物理問題的方便和探討物理事物的本身而對研究對象所作的一種簡化描述[3]。

例如，在研究小孔成像原理的教學中，教師可先介紹一段科學史話：兩千四百多年以前，我國的學者墨子和他的學生做了世界上第一個小孔成像的實驗，并解釋了小孔成像的原因，早于牛頓2000多年就已經總結出相似的理論，這也是世界上對光沿直線傳播的第一次科學解釋。然后利用蠟燭、打火機、小孔屏、塑料薄膜光屏等器材進行小孔成像的實驗探究，按圖6中甲、乙、丙、丁所示的操作方法放好蠟燭、小孔屏和薄膜光屏。點燃蠟燭，調整蠟燭和屏的高度，使燭焰、小孔和薄膜光屏的中心大致在一條直線上。調整燭焰和小孔屏的距離，直到在薄膜光屏上看到燭焰倒立清晰的影像。實驗中會觀察到點燃的蠟燭發出的光經過小孔后，成倒立的影像。

進而引導學生思考：小孔成像的原理是什么？教師作出該裝置的模型圖(如圖6戊)，通過分析可知，燭焰上某點A發出無數條光線，在空氣中沿直線傳播，其中有條光線剛好穿過小孔，照射在光屏上形成點A的影像A'，燭焰上其它各點的光同樣在光屏上都能形成對應的像點，這樣在光屏上就形成了燭焰倒立的實像。由此得出，小孔成像的原理是光沿直線傳播。

圖6 研究小孔成像原理

還可進一步探究：小孔成像的大小與什么因素有關？學生提出猜想和假設：小孔成像的大小可能與物距有關，小孔成像的大小可能與像距有關……再次設計并進行實驗，可探究得出：“小孔成像的大小與物距和像距都有關(當物距一定時，像距越大，像越大；當像距一定時，物距越大，像越小)”的結論。然后利用光沿直線傳播原理通過光路作圖驗證該結論是否正確。

該案例中，學生親身體驗觀察小孔成像的特點，然后用作圖等手段將實驗情景抽象為物理模型，從而真正明白小孔成像的原理，知道了小孔成像的有關規律。這樣既鍛煉了學生的探究和模型建構能力，又加深了學生對物理知識的理解，使知識內化為物理觀念，促進了科學思維的發展。

再看下面幾則實例：

實例3家庭電路用電器漏電時，通過火線與零線的電流不相等，漏電保護器中檢測裝置(如圖7，在圖中虛線框內，未畫出)檢測到這一差異后，便切斷電源，起到保護作用。漏電保護器中另有試驗電路，由開關S與電阻R組成，如圖7所示，火線與零線間的電壓為220V，導線的電阻忽略不計。下列有關說法正確的是( )

圖7 漏電保護器中檢測裝置模擬電路

A.漏電時，用電器兩端的實際電壓低于220V

B.當開關S閉合時就能模擬用電器漏電

C.漏電時通過 A、B兩處的電流IA>IB

D.不論是否漏電，通過 A、B兩處的電流IA=IB

參考答案 B

實例4如圖8甲，2020年6月21日，我國時速600公里高速磁浮試驗樣車，在上海同濟大學磁浮試驗線上成功試跑，標志著我國磁懸浮技術已達到世界領先水平。列車上電磁體始終通有直流電，鐵軌上線圈通電后，電磁體和線圈會變成一節節帶有N極和S極的電磁鐵，列車所受磁力如圖8乙所示。下列有關說法錯誤的是( )

A.磁懸浮列車是利用同名磁極相互排斥的原理懸浮在軌道上的

B.圖中列車在磁力作用下正在向右行駛

C.要保證列車一直向前行軌道駛，線圈的N極和S極就要不斷變換，則鐵軌上線圈中應通直流電

D.為了節約能源，列車行駛時應對鐵軌上線圈分區段供電

參考答案 C

實例5手機無線充電方便了人們的生活，其中電磁感應無線充電是應用最多的無線充電方案。如圖9所示，它的原理是送電線圈通過一定頻率的交流電，線圈的周圍形成交變的磁場，通過電磁感應在受電線圈中產生一定的感應電流，從而將能量從發射端轉移到接收端。下列選項中和受電線圈工作原理相同的是( )

圖9 電磁感應式無線充電

A. 電動機 B. 揚聲器

C. 電磁繼電器 D. 動圈式話筒

式中，A為車體的振動加速度；f為車體的振動頻率；F(f)為與振動頻率有關的修正系數，詳見文獻[9]。經過計算，將不同車速交會下的車輛運行橫向與垂向平穩性指標列于表3。由計算結果可知，在各種工況下的車輛橫向平穩性指標均大于垂向平穩性指標，說明車體的橫向振動受到會車流場的影響較垂向振動更大。

參考答案 D

上述實例3設計了一個漏電保護器的模擬電路，學生看圖便能弄清家庭電路中漏電保護器的原理；實例4將高速磁浮試驗樣車運行的原理，圖形化為由一些磁體組合而成的簡單模型，學生能直觀地根據電磁鐵及磁極間相互作用的規律理解這一領先技術中應用的最基本的原理；實例5展示手機無線充電的原理，即“電磁感應”，盡管該裝置和教材上提供的“磁生電”實驗裝置有些差別，但學生根據“電磁感應式無線充電”工作原理圖和圖中標注，很容易弄明白該裝置的工作原理。

物理模型以觀察和實驗為基礎，采用理想化的辦法來創造，能再現事物本質和內在特性。學生在分析實際問題中，建立與之相適應的物理模型，是形成物理觀念、發展科學思維的重要途徑。

初中物理教學中的模型有很多，例如：勻速直線運動、力的圖示、重力場、連通器、杠桿、物質結構的微觀模型、光線、電路圖、磁感線、宇宙模型、原子模型、微觀粒子模型等等。通過讓具體的物理現象不斷地“模型化”，并且運用分析綜合、推理論證等方法，對不同觀點和結論提出質疑、批判，進而抽象形成能反映客觀事物的本質屬性、內在規律及相互關系的概念、原理或方法。不但能為學生進入以后的學習留下發展空間，而且能幫助學生深化對科學本質的認識。構建物理模型，是科學方法教育的重要手段，也是物理觀念形成、科學思維發展的有效途徑，能促使學生由具體到抽象，親身經歷知識形成的過程。

4 綜合滲透，達素養之理

“探物明理”這一教學主張還表現在，物理教學中必須讓學生了解自然界事物的相互聯系，注意知識間的前后聯系以及學科間的滲透。教學中經常通過一定的載體，把教材內容進行整合，建立知識間橫向與縱向的聯系，把課內與課外相結合，把書本內與書本外相結合，讓學生真正體會學習的快樂，能力真正得到提升。

例如，“瓶”是一種常見的生活用具，在人們的日常生活中充分展示了它的魅力，在物理教學中也有不俗的表現，無論是力、熱、聲、光、電都有它的身影。

“小小音樂會”：利用8個相同的玻璃瓶，向其中灌入不同高度的水，可制作水瓶琴，說明音調與頻率的關系(圖10)。

圖10 水瓶琴

“自制溫度計”：在小瓶里裝滿帶顏色的水，給小瓶配一個橡皮塞，橡皮中插入一根細玻璃管，使橡皮塞塞住瓶口。教學中教師可以借用這一實驗很好引入溫度計的原理、結構和使用方法(圖11)。

圖11 自制溫度計

圖12 降溫沸騰實驗

瓶子裝滿水就是凸透鏡(圖13)。將一支鉛筆水平地放在空玻璃瓶的后方，透過玻璃瓶觀察到的情形；將玻璃瓶灌滿水后，將鉛筆由靠近玻璃瓶的位置向遠處慢慢地移動，同時透過玻璃瓶觀察鉛筆的像。與前面用凸透鏡所做的實驗相比，學生可更深入地體驗和理解凸透鏡成像的規律。

圖13 透過裝水的玻璃瓶觀察鉛筆

“噴水”實驗(圖14)，在瓶子不同方向開口，水都能噴射出來，說明液體內部各個方向都有壓強；在不同高度開口，水噴射的距離不同，開口越是往下水噴射越遠，說明深度越深液體內部壓強越大。

圖14 噴水實驗

以瓶子為載體，還可做“瓶子形變”“自制氣壓計”“氣體分子擴散”等很多實驗。

“讓我們蕩起雙槳，小船兒推開波浪，海面倒映著美麗的白塔，四周環繞著綠樹紅墻。”請結合其中的一句，找出其中包含的物理知識。思路點撥：“讓我們蕩起雙槳”，劃槳時，槳是一個杠桿；“讓我們蕩起雙槳”，劃槳時，手對槳施力，手是施力物體，槳是受力物體；“小船兒推開波浪”，船漂浮在水面上時所受浮力與重力是一對平衡力；“海面上倒映著美麗的白塔”，水面相當于平面鏡，水面下的“白塔”是白塔的等大的虛像，這是光的反射現象；“四周環繞著綠樹紅墻”，綠樹反射綠光，紅墻反射紅光……

物理考題中經常出現詩詞、音樂、體育、科技、史實等多方面的題材,需采用物理科學方法結合數學、哲學等工具解決問題，甚至將初高中物理知識進行銜接，這些方式都是豐富學生科學思維，發展學生能力素養的有效手段。

綜合滲透這一手段的運用，要求教師在物理教學中應當整合跨學科資源，注重跨學科知識的滲透，注意前后知識之間的銜接，適當延伸教材內容，關注智力發展和道德成長相統一。將物理觀念、科學思維、科學方法、科學態度與責任等要素，自始至終貫穿在教學活動之中。

總之，“探物明理，逐本溯源”這一教學主張的提出，是物理學科知識建構的需要，是物理教育本源的回歸，是學生學習方式變革、構建高效課堂和教育高質量發展的的客觀要求。呼喚“探物明理”，是走出當前教育誤區、發展學生的核心素養的有效途徑，只有正確處理好物理教學中 “探物”與“明理”的辯證關系，才能讓我們的課堂充滿生命靈動，才能使我們的物理教學步入正確的軌道，才能為社會培養出更多的具有實踐能力和創新精神的高素質人才。