構(gòu)建“簡明悟理”課堂 直臻物理核心素養(yǎng)

陳野

摘? ?要：落實核心素養(yǎng)是新課改背景下課堂教學(xué)的根本任務(wù)，在教學(xué)實踐中構(gòu)建“簡明悟理”的課堂教學(xué)模型，有助于提升學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。文章基于高中物理教學(xué)實踐案例，從課堂教學(xué)要素至“簡”、課堂教學(xué)過程至“明”、課堂教學(xué)方法至“悟”、課堂教學(xué)結(jié)果至“理”四個角度進行探討，充分呈現(xiàn)“簡明悟理”的課堂教學(xué)內(nèi)涵特征，以期促成物理學(xué)科核心素養(yǎng)的形成與發(fā)展。

關(guān)鍵詞：高中物理;簡明悟理;課堂教學(xué);核心素養(yǎng)

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2020）8-0004-4

《普通高中物理課程標準（2017年版）》明確指出：“高中物理課程應(yīng)在義務(wù)教育的基礎(chǔ)上，進一步促進學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的養(yǎng)成和發(fā)展”，這為當前高中物理教學(xué)指明了根本任務(wù)，即“發(fā)展學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)”[1]。學(xué)生在面對客觀物質(zhì)世界運動的豐富性和學(xué)習過程中表現(xiàn)出來的群體與個體心理的復(fù)雜性，教師究竟怎樣進行物理課堂教學(xué)才能實現(xiàn)這一根本任務(wù)，值得深思。

辯證唯物主義的科學(xué)觀認為，客觀世界運動變化現(xiàn)象的豐富性背后蘊藏著富于規(guī)律的簡潔性，物理教學(xué)過程的復(fù)雜性背后隱藏著基本教學(xué)規(guī)律極為質(zhì)樸的特性。因而，物理課堂教學(xué)過程的構(gòu)建可向著探索建立“簡明悟理”的課堂教學(xué)模型演化，以實現(xiàn)物理教學(xué)的高效率，直臻物理核心素養(yǎng)。本文以高中物理常態(tài)化教學(xué)中的典型教學(xué)過程為例，闡釋“簡明悟理”課堂教學(xué)模型的基本特質(zhì)。

1? ? 繁復(fù)中追求課堂教學(xué)要素的至“簡”

高中物理涵蓋的學(xué)習內(nèi)容包羅萬象，可以說物質(zhì)世界有多復(fù)雜，高中物理教學(xué)涉及的領(lǐng)域就有多廣闊。繁復(fù)精彩的物理世界，是否都一股腦原封不動地呈現(xiàn)在課堂教學(xué)過程之中？受教學(xué)時空資源、學(xué)生學(xué)習水平與能力所限，不可能不加精簡地一一呈現(xiàn)。老子“大道至簡”、莊子“大美天成”的中國傳統(tǒng)哲學(xué)智慧，我國第一部教育論著《學(xué)記》“約而達，微而減”“能博喻然后能為師”的論述體現(xiàn)出的“由繁到簡，由博到約”的教育思想，無不啟發(fā)我們基于科學(xué)方法論的原理，在繁復(fù)中追求課堂教學(xué)要素的至“簡”。裁剪教學(xué)素材，在概念、規(guī)律的學(xué)習起始階段，對涉及的教學(xué)要素“能簡則簡”，讓復(fù)雜源于簡單，讓學(xué)生體驗如何化復(fù)雜為簡約，真正讓學(xué)生易于入手掌握主要內(nèi)容，讓有限的教學(xué)時空發(fā)揮較高的教學(xué)價值[2]。

案例1 向心力與向心加速度的教學(xué)。

該內(nèi)容一直是不少高一學(xué)生較難理解的，其原因在于教學(xué)探究過程的要素較為繁多，學(xué)生對向心力的物理觀念尚未完全建立時，教材便列舉了向心力作用的諸多實例，以便鞏固對向心力的理解。由于力作用的抽象性，學(xué)生便難以從這些實例中進一步領(lǐng)會向心力的方向特征，而針對該教學(xué)內(nèi)容，現(xiàn)行的各類教材在編排或者提供的素材上大同小異，延續(xù)了近半個世紀。此外，幾乎所有高中物理教材都出現(xiàn)了利用變速塔輪、長短槽和彈簧測力套筒組成的“向心力演示器”說明向心力大小的規(guī)律，其本意是通過控制變量法定量探究向心力大小的規(guī)律，但該演示器定量演示的效果較差，一般用于定性說明。即便如此，為了體現(xiàn)控制變量法的思路，需要教師較為繁復(fù)地說明該器材的結(jié)構(gòu)、使用方法、操作方法等，實際上儀器本身的使用方法已成了這一節(jié)課不少學(xué)生學(xué)習的難點。

解決這一問題的思路是“簡”。簡化與向心力探究無關(guān)的繁復(fù)瑣屑的教學(xué)因素，讓需要探究的物理對象更為簡潔、直觀地展示出來，引領(lǐng)學(xué)生聚焦于當前需要解決的問題——勻速圓周運動的物體究竟需要怎樣的力學(xué)條件？簡約后的教學(xué)過程，可更為直觀也更深刻地揭示向心力和向心加速度的本質(zhì)。

如圖1所示，水平光滑玻璃板上，有一個用強力膠固定的拉力傳感器，輕質(zhì)細繩一端系一個質(zhì)量為m的小鋼球，另一端連接在拉力傳感器上。在小球繞傳感器做圓周運動的路徑某處，安裝一個光電門，用于測量小球的瞬時速度。某一次實驗，測出小球到光電門的距離r，然后沿著垂直于細繩方向擊打小球，讓小球離光電門不遠處開始運動，記錄小球通過光電門時的速度v及拉力傳感器的示數(shù)F（可以通過展示臺放大呈現(xiàn)）。

通過不同的擊打力度，讓小球獲得不同的速度，從而記錄多組數(shù)據(jù)。讓學(xué)生作出F-v和F-v2圖像。通過實驗，學(xué)生發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)-v2圖像近似為一條過原點的傾斜直線。通過上述簡化后的實驗及學(xué)生獲得的數(shù)據(jù)圖像，進而讓學(xué)生討論以下遞進問題：①小球的運動可近似看成什么運動？②擊打后的小球受力情況如何？③為什么可以認為繩子的拉力是其合力？④小球的加速度方向如何？⑤F-v2圖像近似為一條過原點的傾斜直線，說明了什么？⑥該圖像的斜率你能算出來嗎？是多少？⑦其斜率與質(zhì)量m還有半徑r之間有什么關(guān)系？⑧綜上所述，說明做勻速圓周運動的物體所受合力與m、r、v之間的關(guān)系是什么？通過上述連串追問，引發(fā)學(xué)生思考的同時，還可以直觀而又簡潔地將向心力的特點探究出來。

一直以來，幾乎所有的教材和相關(guān)教輔資料都始終圍繞F=mω2r來探究向心力的大小特點，然后通過v=ωr的關(guān)系式，得到F=mv2/r。教學(xué)實踐表明，該教學(xué)效果并不理想。

上述簡化方案，起始于對繁復(fù)瑣屑的反思，最后回歸到簡單的物理本質(zhì)，另辟蹊徑，從最直觀的關(guān)系F=mv2/r入手，方可洞見復(fù)雜中的真諦。實際上，這完全契合了愛因斯坦提倡邏輯簡單性的原則，愛因斯坦認為“物理真實的東西一定是邏輯簡單的，應(yīng)將邏輯簡單性作為建構(gòu)理論的基本方法論原則”，他一生對“簡單性”的堅定信仰與追求，無不體現(xiàn)著超凡的科學(xué)智慧[3]。

2? ? 晦暗中追求課堂教學(xué)過程的至“明”

高中物理的學(xué)習，涉及的對象和研究的過程多，從單一物體到多物體系統(tǒng)，從單一過程到多過程，從力學(xué)、電磁學(xué)到熱學(xué)等知識板塊的綜合，這些對學(xué)生來講，都是不小的挑戰(zhàn)。每當學(xué)生在對某物理過程所涉及的物理量特征理解不透，或是在具體問題解決中物理思維能力表現(xiàn)不足，亦或是受限于已有知識水平而導(dǎo)致思維處于朦朧晦暗中，最終讓其對學(xué)習的內(nèi)容產(chǎn)生“聽不懂、想不通”的感嘆，進而喪失了對物理學(xué)習的興趣和信心。

針對上述困境，教師可以通過多樣化的途徑，明晰物理概念，明示思維過程，明辨問題與結(jié)果的物理關(guān)聯(lián)，在晦暗中追求課堂教學(xué)過程的至“明”，促進學(xué)生科學(xué)思維與科學(xué)探究等核心素養(yǎng)的發(fā)展。

案例2 牛頓第二定律中加速度的瞬時性的教學(xué)。

瞬時加速度這一概念體現(xiàn)了牛頓運動定律中力與物體運動狀態(tài)的變化兩者之間的關(guān)系，表達了牛頓力學(xué)的核心觀念——力與加速度的瞬時對應(yīng)關(guān)系。不少學(xué)生對此部分內(nèi)容感到疑惑。對此，我們采用“明”的策略收效甚好，可從下述三個方面進行。

首先，明晰物理概念。①瞬時加速度與瞬時速度的區(qū)別?？梢酝ㄟ^實例辨明，例如，小球豎直上拋處于最高點的瞬間，彈簧彈出小球的瞬間等。讓學(xué)生在處理涉及瞬時加速度問題時排除瞬時速度的干擾。②恒力和變力的差異。通過具體的實例展示恒力和變力的差異，特別注意彈力的大小是取決于物體的形變程度，而非速度、位移、加速度。③慣性與力的差異。通過具體實例說明物體慣性的表現(xiàn)在于不能瞬時產(chǎn)生可觀的位移，但可產(chǎn)生瞬時的加速度。

其次，明示思維過程。如圖2所示的常見彈簧問題，開始質(zhì)量都是m的A、B兩個小球靜掛在彈簧和細線下，在某瞬間細線斷裂，此瞬間兩個小球的加速度如何？教師應(yīng)該向?qū)W生有序展開自己解決此問題的思維過程，并與學(xué)生分享，明示“潛在的思維步驟”，讓自己的思維透明化，而不是一味地追求形式上的學(xué)生探究。學(xué)生正是缺失思維過程的范式啟發(fā)與方法點撥才會導(dǎo)致思維晦暗?？上纫龑?dǎo)學(xué)生明確要解決此瞬間之前的問題，就應(yīng)該回溯此瞬間之前的兩個物體的受力情況。然后，明示“斷繩”這一瞬間對瞬間前存在的各個力帶來的影響。這里特別值得分析的是具有慣性的兩球瞬時位移為零，因而彈簧形變及其彈力均不變。最后是分析每個小球此瞬間的受力情況，進而得出加速度情況。

最后，明辨結(jié)果與條件的關(guān)聯(lián)。繩子產(chǎn)生的彈力瞬時改變了，彈簧產(chǎn)生的彈力沒有瞬時改變，造成了繩斷瞬間的加速度如題中分析。

在高中物理教學(xué)中，由于學(xué)生知識、能力與思維策略水平以及想象力等限制，物理教師采用以上“明”的策略，可以很好地幫助一大批中等及以下學(xué)習水平的學(xué)生提升核心素養(yǎng)，真正讓物理問題的解決過程成為思維提升與方法掌握的過程。

3? ? 混沌中追求課堂教學(xué)方法的至“悟”

高中物理課堂中，不少教師發(fā)現(xiàn)學(xué)生在學(xué)習過程中面對某些問題貌似能夠解決，但是經(jīng)常出現(xiàn)“要么不能徹底解決，形成所謂的‘就差最后一點點，要么‘歪打正著，形成不知所以然的局面”。不少教師往往歸結(jié)于學(xué)生粗心，這實際上反映了學(xué)生對問題的物理本質(zhì)和物理方法的認知存在“混沌”之處，沒有達到問題解決所需要的程度。

解決這一困局關(guān)鍵在于物理教師要精心構(gòu)設(shè)并拋出與問題相關(guān)的系列化的“問題鏈”。構(gòu)成“問題鏈”的若干小問題本身要短小，涉及知識著重在于關(guān)鍵點上，最好是有一定難度且易錯，特別是容易引起學(xué)生產(chǎn)生似是而非的混沌認知的問題。這可促使學(xué)生的深度思考，領(lǐng)悟問題的物理本質(zhì)，領(lǐng)悟物理方法的運用過程，領(lǐng)悟物理思維的自我提升。

案例3? 一道曲線運動綜合問題的教學(xué)過程。

如圖3所示，在距水平地面高h處，水平固定長直光滑桿，桿上P處固定一可繞水平軸無摩擦轉(zhuǎn)動的定滑輪（大小不計），P點右邊桿上套一個質(zhì)量為m的滑塊A。半徑為R的光滑半球形軌道豎直固定在地面上，其圓心O在P點正下方，軌道上套有一個質(zhì)量為m的小球B。不可伸長的柔軟細繩通過定滑輪連接小球和滑塊。桿和半圓形軌道在同一豎直面內(nèi)，A、B均可視為質(zhì)點。現(xiàn)對滑塊施加一個水平向右的恒力，試求：B球從地面拉到半圓形軌道頂點C的瞬間，其速度大小。

不少“會做”這道題的學(xué)生對B球運用動能定理，得到：-mgR+F[■-（h-R）]=■mv■■，其中，-mgR為重力對B球所做的功，F(xiàn)[■-（h-R）]為拉力所做的功，方程右邊為B球的動能變化。

做出如此解答后，學(xué)生們在反思中卻陷入迷惑，導(dǎo)致后期類似的多個物理問題的解決過程都處于混沌之中。教師可以此題為載體，經(jīng)過學(xué)生的作答反饋，梳理學(xué)生的迷惑之處，然后設(shè)置系列化的小問題在課堂中提問。這些小問題雖然是孤立知識點上的小問題，但是構(gòu)成了一個系列化的富于啟發(fā)性和引領(lǐng)性的“問題鏈”，目的是讓學(xué)生在思考中“悟”出自己的錯誤出在哪里。①本題的研究對象是誰？②若研究對象是B球，作用在B球上的繩子拉力是變力，而且是方向變化的變力，公式W=Fxcosα只適用于恒力做功，“F[■-（h-R）]為拉力對B球所做的功”是否有問題？③若認為“F[■-（h-R）]為作用在A滑塊上的水平拉力F做的功”，那么本題的研究對象是否應(yīng)該為A和B構(gòu)成的系統(tǒng)？④若是對A、B系統(tǒng)使用動能定理，A滑塊的初動能為零，那么A滑塊的末動能是多少？⑤有什么依據(jù)或方法判定A滑塊的末動能？⑥在整個拉動過程中，力F和繩子對B球的拉力大小相等嗎？教師拋出的系列化的“問題鏈”，讓學(xué)生結(jié)合題目情境，體悟整個物理過程中的物體狀態(tài)變化特點、加速度、位移、力、功、動能的關(guān)系，使得學(xué)生經(jīng)過“悟”的階段，獲得真正的收獲，最終在混沌中追求至“悟”。上述感悟過程，讓學(xué)生從根本上理解了運用系統(tǒng)觀念解決問題時應(yīng)該注意的問題，有助于徹底理清動能定理的內(nèi)涵，以及關(guān)聯(lián)的物體系統(tǒng)內(nèi)速度關(guān)系、加速度關(guān)系、力的關(guān)系和功的關(guān)系，從而實現(xiàn)由混沌到達至“悟”的學(xué)習境界。

4? ? 感性中追求課堂教學(xué)結(jié)果的至“理”

學(xué)生在物理學(xué)習的過程中，一般遵循著認識對象由感性的物理現(xiàn)實向理性的物理觀念過渡，故而教師要充分把握“思維要從感性認知逐步向理性認知發(fā)展”的教學(xué)原則。但近年來，出現(xiàn)了不少針對應(yīng)試的急功近利的教學(xué)過程，往往在感性階段要么匆匆走過場，要么嘩眾取寵地鋪陳，感性教學(xué)過程膚淺或者過度，沒有真正實現(xiàn)在感性中誘發(fā)學(xué)生產(chǎn)生理性的問題探究需求，最終學(xué)生僅僅被動接收了教師灌輸?shù)膸讉€概念，模仿性地解決所謂的“典型應(yīng)試題”。一旦出現(xiàn)新情境、新問題，學(xué)生便茫然無措，導(dǎo)致對同樣問題可能使用不同的物理原理或是同一原理不同情境下的運用錯誤百出。

如何破解這一困境？高中物理課堂教學(xué)應(yīng)追本溯源，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容的實際需求，恰當?shù)匾愿行圆牧稀⒏行赃^程、感性方法誘導(dǎo)學(xué)生（進行）理性思考，理性分析探究過程中的數(shù)據(jù)、現(xiàn)象。對每一個物理原理力求搞清前提、對象、過程，特別是它在物理規(guī)律、方法體系中的地位，然后進一步思考“它是哪個層次的規(guī)律，比它高一層次的規(guī)律是什么？比它低一層次的規(guī)律又是什么？在運用中表現(xiàn)出來的差異是什么？在物理本質(zhì)上如何看待？”等問題。這便是我們提倡在感性中追求課堂教學(xué)結(jié)果的至“理”。

案例4 安培力做功問題的教學(xué)。

長期以來，不少學(xué)生和部分教師在電磁感應(yīng)問題中將“安培力做功的多少等于感應(yīng)電路上產(chǎn)生的電熱”作為一條“潛規(guī)則”深信不疑，造成不少誤解。

實際上，物理規(guī)律具有自己的特定使用層次。例如，與能量轉(zhuǎn)化守恒定律比較起來，麥克斯韋方程組是低一層次的規(guī)律，而法拉第電磁感應(yīng)定律與麥克斯韋方程組相比較，也是低一個層次的規(guī)律。事實表明，有不少實例是能量轉(zhuǎn)化守恒定律與麥克斯韋方程組可以解釋的，而法拉第電磁感應(yīng)定律以及楞次定律無法徹底說清楚。從能量轉(zhuǎn)化與守恒觀念看，安培力做功的多少與感應(yīng)電路上產(chǎn)生的電熱之間沒有必然的等量關(guān)系。因此，針對“涉世未深”的高中學(xué)生，物理教師首先應(yīng)該創(chuàng)設(shè)問題情境，通過具體實例，讓學(xué)生獲得感性認識，然后在具體實例的解決、解釋中加強對問題的理性分析。比如，安培力做正功的許多情境中，安培力做功的絕對值并不等于電路上電流產(chǎn)生的電熱。然后，進一步結(jié)合實例，給學(xué)生適當普及物理規(guī)律的層次性，提醒學(xué)生類似的所謂“規(guī)律”和“原理”在具體運用中存在的問題，獲得科學(xué)方法論的熏陶以及辯證思維的訓(xùn)練與體悟，真正達成物理學(xué)科核心素養(yǎng)的養(yǎng)成。

5? ? 結(jié)束語

物理教學(xué)的價值在于立德樹人，途徑千變?nèi)f化，目標在于提升學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。上文所述的“簡、明、悟、理”的教學(xué)過程實踐與理論思考，是基于中國傳統(tǒng)文化的傳承以及物理學(xué)科的內(nèi)秉屬性，對當前真實的物理教學(xué)過程中所存在的一些問題進行剖析并嘗試找到破解之法。期待在此拋磚引玉，獲得同行的指正，以利切磋。

參考文獻：

[1]廖伯琴.普通高中物理課程標準（2017年版）要點解讀[J].物理教學(xué)，2020，42（2）：2-5.

[2]王高.大道至簡 簡中求道——對物理教學(xué)回歸本真的思考[J].江蘇教育研究，2016（7）：104-107.

[3]愛因斯坦.物理學(xué)的進化[M].上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，1962.

（欄目編輯? ? 趙保鋼）