基于核心素養的初中物理概念教學
——以壓強教學為例

馮 楠 高銀莉

(銀川市第十三中學 寧夏 銀川 750004) (銀川市第十七中學 寧夏 銀川 750000)

在初中物理概念教學中,教師要深入理解概念教學的認知機制,知識概念的本質特征,概念建立的思想方法,科學把握學生的認知規律,注重知識概念的內在邏輯,才能促使學生撥開迷霧看到概念的本質特征,正確建立概念,發展科學思維,促使學科核心素養的養成．

1 物理概念教學的認知機制

物理概念是客觀事物本質屬性在人們頭腦中的反映,是物理事實的抽象與概括,是觀察、實驗與科學思維相結合的產物[1]．物理概念教學的認知機制包括5個方面:實驗事實、方法論問題、物理概念、數學、延伸與應用[2]．

首先,以實驗事實為起點,實驗事實要回到學生的實際生活,回到學生的認識起點．創設與學生已有認知經驗相結合的生活情境或實驗情境,當學生用已有認知經驗無法解釋情境中的現象時,誘發認知沖突,產生想要探究的欲望,自然地提出問題,主動投入科學探究中,積極建構概念．其次,在積極主動的建構活動中,對感性材料進行思維加工,正確運用科學方法,包括物理方法和思維方法,借助物理方法和思維方法對概念進行意義建構,在不斷了解、積累科學方法的同時,知曉概念從何而來,撥開迷霧看到概念的本質屬性．然后,將物理概念的表述上升到理性的定量層面,用符號表述物理量,用數學公式表達物理概念的邏輯結構,進而運用數學進行推演運算,加深對概念本質的理解．最后,延伸與應用是從物理走向社會的實踐路徑,也是知識輸出的過程,知識只有運用在解決生產、生活實踐中真實存在的具體問題中,才能發揮出它原有的價值．

2 基于核心素養的壓強概念教學

2.1 壓強概念的教學分析

壓強概念的本質是物體在壓力作用下所產生的壓縮形變的大小或是壓力對物體的破壞程度．學生已有認知:生活中常接觸壓力,對壓力方向、作用點思考很少,存在錯誤的前概念,將重力、壓力混淆,將壓力、壓力作用效果混淆.初始能力:具備運用控制變量法設計實驗的能力,有較強的動手能力．已學過速度、密度概念,對用比值定義物理量有一定了解．信息素養:能對收集的信息進行分析、比較,運用概括、歸納的邏輯思維得出實驗結論．依據壓強概念的本質分析、學生學情分析,設計如圖1所示壓強知識內在邏輯圖與體現學生認知發展的壓強知識-能力結構圖,兩圖一一對應,以邏輯圖為內容載體,知識-能力結構圖為實踐路徑,一步步撥開迷霧看見壓強概念的本質,促使學生順利建立壓強概念,提升學科核心素養．

創設情境,以認識壓力為認知起點,與原有知識、經驗(力是物體與物體間的相互作用、力的三要素、力的作用效果)相關聯,運用控制變量法和轉換法,探究壓力作用效果(物體被壓縮的形變程度)的影響因素,分析獲取的實驗信息,得出結論．觀察結論,發現受力面積和壓力大小都不相同時,無法比較物體被壓縮的形變程度,原有經驗無法解決新情境的現象,對原有概念產生質疑,提出問題,如何比較受力面積和壓力都不相同時,物體被壓縮的形變程度?在問題解決中運用科學方法(比值定義法、比較思維)對感性材料(比較坦克和人雙腳站立在地面時的壓力作用效果)進行思維加工,抽象出壓強的本質屬性,建立壓強概念．對概念進行表述,運用數學知識將文字轉換為符號,推理得出壓強概念的定義式、單位,完成壓強概念的內化建構．科學概念只有運用才具有意義,最后體驗生活中增大、減小壓強的事例,將抽象的概念“返回”具體的現實中,以鞏固、深化和活化壓強概念(圖1),實現學以致用．

圖1 壓強知識內在邏輯圖與體現學生認知發展的

在真實情境中提出問題,運用科學方法進行思維加工、表述概念,用數學方法進行推理表達,這是正向建構的過程,而后是逆向理解的過程,用表達式研究壓強概念,用概念建構過程的思維形式研究科學方法,以達到更深層次的理解概念建構全過程的內在認知機制．

最后厘清壓強概念在力學體系中的地位,從壓強概念出發,壓強描述的是壓力作用效果,壓力作用效果是壓力作用的表現形式,壓力是一種力,力是物體與物體之間的相互作用[圖1(a)]．從觀念的角度講,壓強是物體與物體之間相互作用的一種表現形式,將壓強概念建構到運動和相互作用的知識體系中,幫助學生以物理學的視角觀察物質世界,逐漸形成物理觀念．

2.2 壓強概念的教學過程設計

(1)創設科學實驗情境,誘發認知沖突

“提出一個問題比解決一個問題更重要”,科學正是在不斷地提出問題、解決問題中前進的,提出問題是科學探究活動的開始,也是科學探究活動的一個重要環節．播放大型科學實驗視頻,汽車過釘板(圖2),引導學生提出問題:40 顆釘子都扎不破的輪胎,為什么會被8顆釘子扎破?實驗現象與學生的日常認知形成沖突,學生頭腦中的前概念是生活中1顆釘子能扎破輪胎,兩顆釘子能容易的扎破輪胎,40顆釘子應該更能輕松的扎破輪胎,但是實驗事實與學生的認知相悖．

圖2 汽車過釘板

輪胎被扎破,從受力角度分析,輪胎受到了什么力?力有兩個作用效果,在輪胎被扎破的過程中,力產生的作用效果是什么?學生基于觀察科學實驗,對實驗情境中的現象進行質疑,在教師的不斷啟發和指引下,逐漸提出問題:輪胎發生形變的程度與什么因素有關?

(2)創設探究實驗情境,促進概念形成

在創設探究實驗情境時,提出引領性問題:

1)如何體現壓力作用的效果?

2)如何改變壓力的大小和受力面積的大小?

3)設計和進行實驗時要控制哪些變量?

提供包括生活常用物品在內的不同器材,讓學生逐漸感受生活用品是很好的探究器材,逐漸意識到實驗探究不只是在物理實驗室中進行,生活處處有物理,探究處處能進行．學生展示自己的實驗設計方案,選擇合適的實驗器材進行探究,在真實、深刻的實驗情境體驗中,發揮實驗教學的育人功能,促進學生核心素養的養成．

師:利用身邊的物體(氣球、鉛筆、海綿等)感受壓力產生的作用效果?壓力作用效果可能與什么因素有關．

生:在活動中感受、體驗,壓力作用效果使物體發生形變,提出合理猜想,物體被壓縮后的形變程度可能與壓力大小和受力面積有關．

師:引導學生采用控制變量法對問題進行探究,明確研究對象、恒量、變量;運用轉換法體現壓力作用效果．

生:選擇自帶、自制的實驗器材,完善實驗方案,進行實驗探究,分析現象得出實驗結論．

器材1:沙子、小桌、銅塊.

器材2:木塊桌、面團、銅塊.

器材3:海綿、礦泉水等.

器材4、器材5……

學生分享實驗過程,觀察實驗現象(圖3～5),總結實驗結論．

圖3 探究壓力作用效果影響因素1

圖4 探究壓力作用效果影響因素2

圖5 探究壓力作用效果影響因素3

發散思維是個體創造性思維的重要組成部分,從問題原點出發,知識的得出路徑可能有多種方式,提供多種實驗器材,讓學生在深度發散中質疑創新,在發散思維中促進科學思維品質的整體提升．在多樣化的實驗情境下,學生運用控制變量的物理方法,設計不同的實驗方案,運用分析、比較的邏輯思維方法,得出不同方案之間的優劣,最終得出最優方案,歸納、總結得出影響壓力作用效果的因素．通過思維發散的檢驗,進行質疑、驗證、完善與創新,促進科學思維意識和能力的整體提升．

(3)創設對比情境,理解科學方法

在壓強的概念教學中,構建對比情境,學生通過圖6、圖8、圖10的情境回顧速度概念的定義方法并開展討論:比較物體運動快慢,可相同時間比路程,或相同路程比時間,在路程和時間都不相同時,可比較1 s內通過的路程,1 s內通過路程長的運動快．學生由此類比,如圖7、圖9、圖11比較壓力的作用效果．相同受力面積,比壓力,壓力大的壓力作用效果更明顯;相同壓力,比受力面積,受力面積小的壓力作用效果更明顯;在受力面積、壓力都不相同時,可比較1 m2的面積所受的壓力,1 m2的面積所受壓力大的作用效果更明顯．在此基礎上運用比值定義的方法,引出壓強的概念、公式和單位．

圖6 相同時間比路程 圖7 相同受力面積,比壓力

圖8 相同路程比時間 圖9 相同壓力,比受力面積

圖10 路程、時間都不相同 圖11 受力面積、壓力都不相同

科學方法支配著物理知識的獲得和應用,是形成知識結構的綱領和脈絡,支撐著學科核心素養的形成與發展．就知識的來源而言,深度理解強調學習者采用學科公認的標準和方法,基于自身理解來建構知識．創設類比情境,運用類比思維,比較速度概念和壓強概念的建立過程,明確比值定義法在物理學概念建立中的重要作用．在教學中構建對比情境,學生運用類比的思維,對比速度、壓強概念的建立過程,掌握科學方法,發展科學思維,同步提升自我認同感、獲得感和學習興趣,充分發揮物理學科獨特的育人價值．

(4)創設生活實踐情境,深度遷移應用

皮亞杰的認知理論提出概念的建立需要內化建構和外化建構,創設物理情境,進行思維加工是知識的獲得,屬于認知的內化建構,運用概念規律是知識的應用,屬于認知的外化建構．遷移與應用是將所學知識轉化為解決實踐情境中復雜問題的能力,“遷移”是經驗的擴展與提升,“應用”是內化知識外顯化的過程.創設生活實踐情境,實現深度遷移運用,將問題與生活實踐中的真實情境相融合,運用所學知識解決實際問題,培養學生物理學科核心素養．

(5)創設模擬實驗情境,解決物理原始問題

從本質看,核心素養是一種情境性知識運用的能力,創設模擬實驗情境,引入原始物理情境,解決真實情境中的原始物理問題,形成知識內化建構與外化建構的統一．自制釘板,用裝有水的氣球模擬汽車輪胎,水氣球放在釘有72顆釘子在釘板上,完好無損(圖12),放在釘有4顆釘子的釘板上,水氣球形變程度很大,氣球破裂．學生感受真實的模擬實驗情境,在感受實驗的過程中,思考實驗現象產生的原因,將內化的知識外顯化,引出增大壓強和減小壓強的方式,完善壓強的概念建構．

圖12 氣球釘板實驗

(6)創設小故事情境,理論聯系生活

在增大和減小壓強的教學環節,依據生活編制小故事“小華的一天”．“早晨,小華背著媽媽為她新買的背帶很寬的書包去上學,雖然書很重,但是感覺肩膀輕松了很多．上學路上,突然,車子出故障了,乘客緊急轉移,可是車門怎么也打不開,只能敲碎車門的玻璃,請你選擇破窗的工具(圖13)．

圖13 選擇破窗的工具

生物課上,同學們發現啄木鳥的喙又尖又長,駱駝的腳掌又寬又大,這對它們的生存有什么作用?班會課上,同學們觀看安全教育短片,在短片中,消防員是怎樣開展冰面救援的(圖14)?回家后,小華坐在軟沙發上,感覺比坐硬板凳要舒服多了．媽媽在準備晚餐時,發現切菜很費力,這是為什么呢?你能幫小華想想如何讓媽媽切菜輕松嗎?”

圖14 冰面救援

創設小故事情境,使學生融入到故事情境中,體驗利用所學知識解決真實問題,在真實問題的解決過程中,有效地遷移和應用知識,掌握增大和減小壓強的方法,逐步形成物理觀念．將情境從課堂延伸到課外,讓學生走出課堂,聯系生活中的情境,驅動學生在學中用、在用中學,學生們之間進行交流合作,逐步形成團隊意識,培養學生的科學態度和社會責任感．

物理與生活聯系密切,很多內容都與安全教育有關,在教學過程中,結合教材內容,運用具體事例,滲透安全教育,使學生既深刻理解了物理知識,又加強了自我防范教育和具備自救自護的素養,培養了安全意識,有效避免了傷害事故的發生,把安全教育貫穿于教學中,使學生牢固樹立“珍愛生命,安全第一”的意識．

3 結束語

物理學科教學最終留給學生們的是什么?不是冷冰冰的知識概念,而是在建立知識體系的過程中凝練和升華的科學方法,如壓強概念建立時運用的控制變量法、轉換法、比值定義法等物理方法,以及比較、歸納、分析、概括等科學思維方法．這些思想方法在潛移默化中會影響每一位學生看待問題、分析問題、解決問題的思維方式．厘清概念教學的認知機制,把握科學的認識規律,彰顯教學邏輯,在一步步建構概念的過程中顯化科學方法,最終撥開迷霧看見壓強概念的本質特征,并在學生頭腦中留下一些可以“帶得走”的東西．