指向核心素養(yǎng)的“四主”教學模式的教學設計

周楓 曹會

[摘? ?要]以“核心素養(yǎng)為主旨，學生為主體，教師為主導，情境演進為主線”為核心框架的“四主”教學模式是在新一輪高中課程標準修訂中，課題組基于認知科學等理論依據(jù)構(gòu)建出來的。在《機械能守恒定律》的教學設計中以學生對常見的能量分類和幾種功能關(guān)系為認知起點，設計合適的情境，以問題鏈形式引導學生合作探究得出規(guī)律，充分體現(xiàn)了“四主”特點，把培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng)落到實處。

[關(guān)鍵詞]核心素養(yǎng);“四主”教學模式;教學設計

[中圖分類號]? ? G633.7? ? ? ? [文獻標識碼]? ? ?A? ? ? ? [文章編號]? ? 1674-6058（2021）20-0037-03

《普通高中物理課程標準（2017年版）》（以下簡稱《標準》）實施以來，培養(yǎng)學生學科核心素養(yǎng)，實現(xiàn)學科育人的目標已成為高中教學的主旋律[1]。在教學形式方面，《標準》特別建議在教學設計和教學實施中要重視情境的創(chuàng)設，以“核心素養(yǎng)為主旨，學生為主體，教師為主導，情境演進為主線”為核心框架的“四主”教學模式（如圖1）應運而生。 “四主”教學模式多次嘗試以“實驗”“模型”“事例”等來創(chuàng)設教學情境，運用情境的演進串設課堂教學主線，搭建基于學生視角的臺階，學生通過情境體驗、科學探究等學習活動，實現(xiàn)物理觀念、科學思維、科學探究、科學態(tài)度與責任等物理核心素養(yǎng)的發(fā)展[2]。我們以公開課《機械能守恒定律》的教學設計為例，談談在這一節(jié)課中如何設計有效的教學環(huán)節(jié)，引導學生自主探索與解決問題，最終達到提升學科核心素養(yǎng)的目的。

一、教材、學情分析

《機械能守恒定律》是新人教版高中物理必修2第8章第4節(jié)的內(nèi)容。通過前面幾節(jié)內(nèi)容的學習，學生知道了重力做功會引起重力勢能的變化，彈簧彈力做功會引起彈性勢能的變化，合外力做功將引起動能的變化。學生對在初中學過的一些定性的東西逐漸找到了定量的聯(lián)系，對功能關(guān)系的認識加深了，也萌發(fā)了繼續(xù)探究的興趣。那么，在動能、重力勢能和彈性勢能都參與轉(zhuǎn)化的過程中，情況又將如何呢？這是學生亟待解決的問題，機械能守恒定律的建立已經(jīng)到了“水到渠成”的時候了。從知識發(fā)展的線索來看，本節(jié)內(nèi)容，既是對前面幾節(jié)內(nèi)容的總結(jié)，也是對學習能量守恒定律的鋪墊[3]。

本節(jié)教學設計以學生的認知情況為起點，在學生已經(jīng)具有了一定的功能關(guān)系的認知基礎(chǔ)上不斷創(chuàng)設新的情境，提出新的問題，然后聚焦問題，不斷啟發(fā)學生認真思考，提出方案，合作探究，運用科學思維方法從實驗探究和理論探究兩個方面對相關(guān)問題進行科學實驗、邏輯推理、找出規(guī)律、形成結(jié)論。

二、教學環(huán)節(jié)設計

環(huán)節(jié)一：看視頻，做實驗，萌生問題

情境1：首先播放一段郭晶晶跳水的視頻，請同學們欣賞。

情境2：找一名同學來做“小球碰鼻子”的實驗（如圖2），注意觀察該同學在小球朝著鼻子沖過來時的表情。

問題：通過觀看剛才的視頻和實驗，結(jié)合前面學過的內(nèi)容，同學們能提出哪些問題？

學生經(jīng)過思考提出如下問題：（1）動能和勢能是怎么轉(zhuǎn)化的？（2）動能和勢能在轉(zhuǎn)化過程中遵循怎樣的規(guī)律？

環(huán)節(jié)評價： 觀看視頻、參與實驗這些情境體驗，不僅激活了課堂氣氛，而且調(diào)動了學生的學習積極性。接下來教師的開放性提問促使學生積極參與、認真思考。學生結(jié)合前面所學內(nèi)容和剛才的情境體驗，提出了本節(jié)課所要解決的兩個問題，充分體現(xiàn)了教師的主導性和學生的主體性。

環(huán)節(jié)二：聚焦問題，解決問題

聚焦問題1：動能和勢能是如何轉(zhuǎn)化的？

針對這一問題，教師可以啟發(fā)學生從做功的角度去考慮，因為功是能量轉(zhuǎn)化的量度，能量之間的轉(zhuǎn)化是通過做功來實現(xiàn)的。教師帶領(lǐng)學生一起分析，可以先從簡單的單擺模型入手。

情境3：從做功角度分析單擺模型（如圖3）。如果忽略空氣阻力，擺球只受到重力和繩子的拉力，繩子的拉力不做功，只有重力做功;從高到低擺動的過程中，重力做正功，重力勢能減小，動能增加;從低到高擺動的過程中，重力做負功，重力勢能增加，動能減少。

提出新問題：如果在小球運動的過程中，用直尺擋一下，改變小球圓周運動的圓心和半徑，發(fā)現(xiàn)小球仍然擺到原來的高度，這說明了什么問題？

情境4：接下來再分析一個彈性勢能和動能相互轉(zhuǎn)化的例子——彈簧振子模型（如圖4）。忽略空氣阻力和摩擦阻力，對彈簧振子來說只有彈簧彈力做功，如果彈力做正功，彈性勢能減少，小球動能增加;如果彈力做負功或者克服彈簧彈力做功，彈性勢能增加，動能減少。

提出新問題：滑塊只在一固定范圍內(nèi)往返運動，這又反映了一種什么思想？

這個時候機械能概念的界定已經(jīng)迫在眉睫而且水到渠成，教師可以順勢進行概念的界定：重力勢能、彈性勢能與動能統(tǒng)稱機械能。通過重力或彈力做功，機械能可以從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式。動能和勢能在轉(zhuǎn)化過程中，機械能的總量怎么樣呢？ 學生通過思考提出猜想：機械能的總量保持不變。

聚焦問題2：動能和勢能在轉(zhuǎn)化過程中機械能的總量是否不變？

1.實驗探究

首先引導學生選定并建立模型，學生通過討論選定比較簡單而常見的自由落體運動模型;然后探討實驗方案，結(jié)合以前學過的研究運動的實驗方法，學生很容易想到可以利用打點計時器來進行研究（如圖5），關(guān)于這個實驗方案，學生可以在下一節(jié)課去實驗室完成。

情境5：在這節(jié)課的教學過程中，我們介紹一個自由落體演示儀（如圖6），利用自由落體演示儀，同時借助兩個光電門和數(shù)字計時器來測量速度，通過測量小球從不同位置下落的高度和速度，來研究小球減少的重力勢能和增加的動能是否相等。

活動過程：找?guī)酌麑W生協(xié)助操作實驗，改變兩光電門距離及小球釋放位置的高度，多次實驗。具體實驗時可利用小球通過兩光電門的時間差來計算小球通過光電門時的速度，同時讓其他學生共同記錄實驗數(shù)據(jù)，最后處理實驗數(shù)據(jù)（如表1）。分析數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)：小球減少的重力勢能總是比增加的動能稍大，這時教師應引導學生進行誤差分析：主要原因是小球在下落過程中受到了空氣阻力。如果忽略空氣阻力，小球減少的重力勢能和增加的動能相等。

2.理論探究

情境6：在只有重力做功的情況下（如圖7），根據(jù)重力做功與重力勢能的關(guān)系[WG=EP1-EP2]，再根據(jù)動能定理[WG=Ek2-Ek1]，聯(lián)立兩個方程可得：[EP1+Ek1=EP2+Ek2]。同理，可以證明在只有彈簧彈力做功的系統(tǒng)內(nèi)，彈簧和滑塊組成的系統(tǒng)機械能守恒。

環(huán)節(jié)評價：這一環(huán)節(jié)是本節(jié)教學設計中的重點環(huán)節(jié)，采用了問題聚焦的方式。針對第一個問題采用了“模型情境”的方法，引入“單擺模型”和“彈簧振子模型”從做功角度進行分析，讓學生對動能和勢能轉(zhuǎn)化的過程有一個清晰的認識，接下來界定了機械能的概念，很好地發(fā)展了學生的物理觀念。針對第二個問題，教師引導學生通過實驗探究和理論探究兩種方式展開探索。在探究中，學生經(jīng)歷了“提出猜想——建立模型——進行驗證——得出規(guī)律”這樣的科學探究過程，在實驗探究的過程中經(jīng)歷了“探討實驗方案——實驗操作——數(shù)據(jù)處理——誤差分析——得出結(jié)論”的過程，學生通過合作交流、自主探索并通過用不同方法解決問題這一系列活動，發(fā)展了科學思維，培養(yǎng)了科學探究能力。

環(huán)節(jié)三：得出規(guī)律

通過實驗探究和理論探究，順理成章地得出機械能守恒定律的內(nèi)容：在只有重力或彈力做功的系統(tǒng)內(nèi)，動能與勢能可以相互轉(zhuǎn)化，而總的機械能保持不變?？梢詫C械能守恒定律做如下解讀。

解讀1.機械能守恒的條件：只有重力或彈力做功?？梢岳斫鉃椋何矬w只受重力或彈力，不受其他外力，或者物體受其他外力但其他外力不做功，或者其他外力做功代數(shù)和為零。

解讀2.機械能守恒的判斷方法：可以從機械能守恒的條件進行判斷;也可以從能量轉(zhuǎn)化形式上去判斷，在系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化過程中只有動能和勢能相互轉(zhuǎn)化，沒有其他形式的能出現(xiàn)。

解讀3.機械能守恒的表達式：[EP1+Ek1=EP2+Ek2]或者[?Ek=-?EP]。

解讀4.機械能守恒的是系統(tǒng)，單個物體機械能往往不守恒。

環(huán)節(jié)評價：本環(huán)節(jié)從機械能守恒定律的內(nèi)容、條件、判斷方法、表達式以及守恒的對象等多角度進行解讀，引導學生由表及里、由淺入深地思考，把物理觀念目標落到實處。

環(huán)節(jié)四：學以致用

教師列舉一些生活中存在的運動形式。

情境7：比如從滑梯上勻速下滑的小孩、勻速下降的降落傘、拋出去的籃球等，讓學生根據(jù)所學知識判斷機械能是否守恒。

情境8：談談要想跳得高，為什么背越式跳高比跨越式跳高優(yōu)越。

情境9：某些地鐵或列車站的站臺都設計有一個小的坡度，這是為什么？

環(huán)節(jié)評價：“學以致用”環(huán)節(jié)中，學生通過運用所學知識和規(guī)律解決了日常生活中的常見問題，既鞏固了課堂所學知識，又使學生在理解“科學、技術(shù)、社會、環(huán)境（STSE）”關(guān)系的基礎(chǔ)上，逐漸形成對科學和技術(shù)應有的正確態(tài)度和責任意識，發(fā)展了學科核心素養(yǎng)。

環(huán)節(jié)五：歸納總結(jié)

本節(jié)課的上課流程可以用圖8表示：

環(huán)節(jié)評價：本環(huán)節(jié)是本節(jié)課的一個收尾總結(jié)，可以帶領(lǐng)學生重溫上課的歷程：觀察現(xiàn)象、提出問題;設計方案、實驗探究;建立模型、理論探究;得出規(guī)律、定律內(nèi)容解讀;學以致用、鞏固所學知識。該環(huán)節(jié)強化了知識、規(guī)律的形成過程，有助于學生在頭腦中建立自己的知識體系，形成正確的物理觀念。

三、教學反思

本節(jié)教學設計的預設和生成配合得非常好，充分體現(xiàn)了“四主”教學模式：以探索動能和勢能轉(zhuǎn)化過程中遵循的規(guī)律為載體，在學生認知的基礎(chǔ)上，通過看視頻、做實驗、模型分析、生活情境分析等一系列具有物理特色的情境主線“串燒”出獨具“物理味”的知識、思維和情感，凸顯了教師的主導地位，貫徹“生本教育”理念，讓學生主動學習，自主發(fā)現(xiàn)問題，提出問題，并聚焦問題，解決問題。學生在探討方案、科學實驗、處理數(shù)據(jù)、交流反饋等一系列情境和活動中理解了動能、勢能、機械能的相關(guān)物理概念，樹立了能量守恒的物理觀念，培養(yǎng)了科學思維習慣，掌握了科學探究的方法，發(fā)展了科學探究能力，樹立了科學態(tài)度與責任意識，把核心素養(yǎng)的理念落到了實處。這種教學模式不僅適用于物理概念和規(guī)律等新授課，同樣也適用于習題課的教學，我們在教學實踐中多次嘗試這種教學模式，課堂氣氛顯得生動活潑，有血有肉，收到了良好的效果。

[? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?]

[1]? 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2017：53-59.

[2]? 曹會，郁建石.指向核心素養(yǎng)的“四主”教學模式的構(gòu)建與實踐研究[J].中學物理教學參考，2019（11）：1-4.

[3]? 人民教育出版社課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心.物理必修2教師教學用書（2010年版）[M].北京：人民教育出版社，2018：121-122.

（責任編輯 易志毅）