“知”“行”合一：初中物理探究教學實踐路徑
——以“機械運動和力”單元學習為例

2022-11-03 09:59:00許幫正

物理教師 2022年10期

許幫正

（無錫市教育科學研究院，江蘇無錫 214001）

義務教育物理課程是一門以實驗為基礎的自然科學課程，探究方法融合了觀察、實驗、理論思維和數學方法應用，不做實驗，而傾全力于“理論思維”的物理深度教學都是畸形的教學.物理教學中，忽視實驗探究、囿于探究形式忽視科學思維的培養、側重探究結論缺少循證改進依據等實踐偏差，制約著課程理念的落實.因此，構建初中物理探究教學實踐路徑尤為重要.

自2009年起，筆者帶領團隊，立足課堂，對初中物理探究教學進行了系統的研究，提出了初中物理探究教學的實踐路徑（圖1）.路徑遵循“核心素養—課程標準—單元設計—學習評價”的教學鏈環，注重“知（物理認知）”“行（探究行為）”合一.學習項目設計上，指向物理課程核心素養，設計單元學習目標，厘清概念進階，設計實驗序列；實施教學時，基于課時目標，設計問題鏈，運用實驗等資源載體，凸顯探究行為，培養科學思維，完成概念建構；基于物理關鍵能力設計評價支架提供循證改進依據.現結合初中物理蘇科版教材中“機械運動和力”單元的學習加以說明.

圖1 初中物理探究教學實踐路徑

1 學習項目的設計：指向素養目標，構建學習進階，設計實驗序列

物理學科核心素養集中體現了物理學科的育人價值，是三維目標的整合、提煉與發展，其中既有繼承又有創新.要在“知識與技能”的學習中關注物理核心概念的建構，并使知識體系結構化，認知方式結構化，能用物理知識解決實際問題，具有實踐應用能力，形成正確的物理觀念；在“過程與方法”中培養科學思維和科學探究能力；在“情感·態度·價值觀”中強調“科學態度與責任”.就初中物理的學習而言，需要依托科學探究，發展學生的科學思維，形成物理觀念，培養科學態度.

在具體設計學習項目時，應指向素養目標，構建物理學習進階.厘清概念建構的層級，形成物理認知體系；以實驗項目為載體，以“探究行為”為核心學習行為.格物致理，“知（物理認知）”“行（探究行為）”合一.

案例1：“機械運動和力”學習項目設計.

（1）概念進階分析.

“機械運動和力”單元隸屬于“運動和相互作用”主題，蘇科版教材中的任務群包括“物體的運動”“力”“力與運動”“壓強和浮力”，基于大概念進階的學習層級要求是：能描述物體的運動；知道力是物體與物體的相互作用；從力與運動關系的角度認識牛頓第一定律，知道物體具有慣性；了解壓力并建立壓力作用效果的模型——壓強，了解浮力并建立物體浮沉條件的模型.這些層級要求具體落實在基礎概念群中，其中的核心概念為“速度”“力”“牛頓第一定律”“壓強和阿基米德原理”.單元的概念進階和基礎概念群如圖2.

圖2 “機械運動和力”概念進階和基礎概念群

（2）學習項目設計.

解讀課程標準的課程內容和學業質量要求，確定“機械運動和力”的素養目標指向，包括：基于系列化實驗項目的科學探究目標，經歷物理模型建構和規律獲得過程的科學思維目標，指向概念建構的物理觀念目標.依據素養目標，分解教材中的任務群，設計序列化的實驗項目，開發指向單元目標的綜合實踐活動和實踐性任務.具體如表1所示.

表1 “機械運動和力”的素養目標指向和學習項目設計

續表

在探究教學中，我們需要設計基礎性實驗以建立物理概念，依托序列實驗認識物理規律，需要基于單元目標，開展綜合實踐，開發單元學習項目，以促進物理觀念的形成.其中的測量類實驗和探究類實驗相互關聯、各有側重，旨在體現物理學習的實踐性特點.

2 探究教學的實施：創設問題情境，通過實驗探究，構建物理模型

作為一種學習樣態，探究學習應構建以“探究行為”為核心學習行為的初中物理課堂.作為一種教學模式，探究教學應提供物理學科核心素養的落地路徑，創設問題情境，通過實驗探究，構建物理模型，培養科學思維.

具體實施時，以任務為驅動，設計問題鏈和資源載體，讓探究行為真實發生.以實驗為基礎、以思維為主線、以行為為中心、以變式為手段，重視思維沖突和深入思考，在概念的建構中去養成良好的思維習慣.現以“物體的運動”任務群中“速度”的教學為例，加以說明.

案例2：“速度”教學實錄（部分）.

（1）創設問題情境.

負重賽跑：體驗運水的工人師傅的辛苦，安排兩名學生搬純凈水，分別站在兩條筆直跑道上前進.

問題：比一比誰跑得快，如何比？

（2）開展實驗探究.

教師：今天老師請來了兩位紙錐運動員，也給它們安排好了跑道，接下來我們就用紙錐來研究物體運動的快慢.器材：將兩個等大的紙片做成錐角不等的紙錐，套在PVC管上.

活動1：讓紙錐從同一高度釋放，比較紙錐下落得快慢.

比較方式1：分別釋放，比較它們到達地面所用時間，相同路程比時間.

比較方式2：同時釋放，看誰跑在前面，相同時間比路程.

小結：看來比較物體運動快慢有兩種方法，相同路程比時間和相同時間比路程.

活動2：從不同高度、不同時間釋放，這種情況如何比較物體運動快慢呢？

投屏：通過希沃授課助手展示連拍照片，記錄下連續過程.高度給出，時間通過現場數連拍照片得到，手機連拍間隔為0.1s（圖3）.

圖3

（3）構建物理模型.

追問：剛才比較物體運動快慢的兩種方法還能用嗎？（小組討論）

生：可以，轉化到1m 或者1s內.

追問：如何轉化呢？

生：用時間除以路程或者用路程除以時間.

師：板書（具體運算過程如圖4）.

圖4

討論：這兩種方法都可以用來比較物體運動的快慢，生活中都有應用，如跑步用的腕表上的配速、汽車速度表.

路程除以時間更符合我們的思維.到此，我們可以定義一個新的物理量——速度.用它來描述物體運動的快慢，其大小就等于物體在單位時間內通過的路程.公式：速度=，用字母可表示為v=.

評價設計：（1）測量紙錐下落的速度（略）；（2）計算汽車從無錫到上海的時間（略）.

物理學習總是在探索著概念世界與現象世界的關聯，用物理概念和規律描述自然界實在的物理圖景.學習物理需要注重實驗，實驗的實質是在幫助我們建立觀察世界的模型.

3 評價支架的設計：指向關鍵能力表現，設計實踐性任務，設計情境化試題

探究教學的評價遵循教育評價的一般規律，依據初中物理探究教學的實踐路徑，由指向課時目標的“形成性評價”和指向單元目標的“總結性評價”組成.

探究教學的評價有它的特質，以“行”促“知”，強調通過解決問題的“探究行為”促進物理的“概念建構”.基于實踐，我們給出探究教學的兩類評價支架：一類是指向課時學習目標，關注探究行為，設計表現性評價任務，如上述案例2中的評價設計；一類是指向單元學習目標，聚焦物理學科的關鍵能力，設計實踐性任務和命制情境化試題.下面筆者結合案例重點闡述基于單元目標的評價支架的設計.

3.1 實踐性任務設計

實踐性任務，是指讓學生通過實際應用知識和技能來展現其對學習目標掌握情況的復雜性活動.在探究教學中，我們可以設計考查項目或具體的探究任務，包括“實驗操作”“探究活動”及“設計制作”等，來評價學生基于單元學習后獲得的探究能力、科學思維發展.

案例3：制作“深潛器”模型.

任務：設計能在水中實現浮沉的“深潛器”，并計算下潛速度.評價：（1）物體浮沉的力學模型；（2）速度計算.設計：（1）到無錫市博物館參觀“奮斗者”號模型，了解其下潛和上浮原理.

原理：“奮斗者”號在海水中通過布放壓載鐵，改變自身重力和受到的海水浮力實現無動力下潛和上浮.

（2）用空心圓柱體制作深潛器，用鐵塊制作壓載鐵，用電磁鐵控制壓載鐵的布放.

制作：（1）計算空心柱體浸沒在水中后所受浮力大小，在中部裝上重物和電磁鐵裝置.

（2）計算空心圓柱體外部所需要安裝的鐵塊重量.保證其放入水中能下潛，釋放鐵塊后能上浮.

實驗：做深潛器下潛、上浮實驗（圖5），測量運動速度.

圖5

3.2 情境化試題設計

情境化試題是指具有問題情境、包涵知識結構的問題.這里的情境可以來自學生在學習中解決問題的經歷，可以是生活、生產中的實際問題.

案例4：“探究紙錐下落的快慢”試題及分析.

試題：在“探究紙錐下落的快慢”的活動中，小明制作了一個直徑8.00cm 的紙錐，某次實驗用頻閃照相機拍攝得到如圖6所示的照片，已知頻閃照相機每隔0.25s曝光1次.

圖6

（1）請你根據照片測量紙錐從A下落到G的平均速度.

要求：①把下面的數據記錄表格補充完整；

②將測量數據記錄在表2中；

表2

③不需要算出平均速度的值.

（2）請你描述紙錐從A到G過程中，下落速度的變化情況.

（3）請你運用“力與運動關系”的知識分析判斷從A到G過程中，紙錐受到的空氣阻力是如何變化的.

考查內容：（1）測量物體運動的速度；（2）用速度描述物體運動的快慢；（3）認識力可以改變物體運動的快慢.

試題分析：試題以“探究紙錐下落的快慢”的活動為背景，提供頻閃照片，考查學生對速度測量方法的掌握、刻度尺的使用、設計實驗表格的能力；對速度大小的認識，能否正確運用物理語言描述速度的變化；對物體進行受力分析，建立簡單的力學模型，從物體運動狀態的變化分析物體受力變化.學生在第（1）問作答正確率僅為30.4%；第（2）問作答正確率為36.5%；第（3）問作答正確率僅為18.4%，說明教學中需要增強實際測量技能的培養和運用概念和原理解釋物理現象的表達能力.

評價支架的設計應依據學業質量標準，梳理出科學探究素養的關鍵能力表現，基于關鍵能力，設計指向學習目標的表現性任務、實踐性任務和情境化試題，獲取探究教學循證改進的依據.