基于原始物理問題培養(yǎng)學科核心素養(yǎng)的教學模式探究
——以高中物理光學為例

內(nèi)蒙古 張永剛 寧夏 朱巧萍

1 問題的提出

英國哲學家、批判理性主義的創(chuàng)始人卡爾·波普爾(Karl Popper)曾經(jīng)說過“科學和知識的增長永遠始于問題，終于問題”。物理學科的本質(zhì)特征就是基于現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)問題、設(shè)計實驗解決問題。原始物理問題源自“原汁原味”的自然現(xiàn)象和實際生活，具有真實性、多面性、復(fù)雜性等顯著特征，對全面培養(yǎng)和發(fā)展學生物理學科核心素養(yǎng)至關(guān)重要。物理教學過程是基于物理學科特征和學生認知發(fā)展規(guī)律的教育實踐活動，必然會突出地強調(diào)原始物理問題的教育價值。本文中的原始物理問題采用“基于對自然界及社會生活中客觀存在的、未被加工的物理現(xiàn)象的觀察，而產(chǎn)生的對現(xiàn)象背后自然本因的疑問，具有思辨性特點，其回答可解釋物理現(xiàn)象、揭示事物的內(nèi)在規(guī)律”。

在科技快速發(fā)展的今天，高中物理教學遠離實際、脫離生活的現(xiàn)象還普遍存在?；诖?，原始物理問題的教育價值愈顯重要。近年來，有關(guān)原始物理問題的教育價值受到普遍性的關(guān)注，相關(guān)方面的教學研究也是碩果累累、精彩紛呈。如原始物理問題對于契合學生的直接經(jīng)驗和間接經(jīng)驗、培養(yǎng)學生的創(chuàng)造性思維、推動高考物理改革、促進科學方法教育等方面的價值；引入原始物理問題對提高學生思維品質(zhì)的深刻性、靈活性、批判性、敏捷性、獨創(chuàng)性等方面的價值。這些研究對繼續(xù)挖掘原始物理問題的教育價值都具有重要作用。

如何把原始物理問題帶入課堂，在縱向上融入學生已有物理知識經(jīng)驗，使之能夠激發(fā)學生探究其中科學知識的積極性；在橫向上使原始物理問題與中國傳統(tǒng)文化有機融合，引導(dǎo)學生感悟傳統(tǒng)文化魅力，樹立文化自信，助力物理課程育人價值的順利實現(xiàn)。兩個方向上的教學模式在本質(zhì)上都是圍繞原始物理問題培養(yǎng)和發(fā)展學生物理學科核心素養(yǎng)的教學實踐探究。因此，本研究的主旨就是以高中物理光學為例，探究原始物理問題教育價值的雙向融合模式。

2 縱向上原始物理問題與學生已有知識經(jīng)驗的融合模式

我國高中物理教學多以分析理想情境中的處于理想狀態(tài)的問題為主，導(dǎo)致學生分析原始物理問題的能力處于“原始狀態(tài)”。原始物理問題中伴隨著多種自然現(xiàn)象，包含著豐富的科學知識，具有啟發(fā)學生深度思考、引導(dǎo)學生知識遷移的重要作用，這也正是探究原始物理問題與學生已有知識經(jīng)驗縱向融合教學模式所蘊涵的教育價值的根本所在。

2.1 基于學生已有知識經(jīng)驗，分解原始物理問題中的現(xiàn)象，循環(huán)進階的教學模式

原始物理問題中包含著令學生十分好奇又非常疑惑的物理現(xiàn)象，當學生運用已有知識經(jīng)驗不能解釋這些物理現(xiàn)象時，學生就會急切地想知道現(xiàn)象背后的物理規(guī)律，這是非常寶貴的物理學習動機。利用一個包含著多種自然現(xiàn)象且相對復(fù)雜的原始物理問題進行教學時，應(yīng)該基于學生已有知識經(jīng)驗確定教學目標。先提取和分析原始物理問題中的某一個現(xiàn)象并進行講授，把前一個物理現(xiàn)象的研究結(jié)果作為學習下一個物理現(xiàn)象的“生長點”，以此類推，采用逐一分析、各個突破、循環(huán)進階教學的方法來講授原始物理問題中的現(xiàn)象。這樣才能在滿足學生好奇心、答疑解惑的基礎(chǔ)上，把原始物理問題情境融入學生已有知識經(jīng)驗的體系之中，實現(xiàn)運用知識、發(fā)展能力、提升素養(yǎng)的教學目的。具體的融合模式可以參考如下流程。

2.1.1 以“舊境”探新知，突出實質(zhì)聯(lián)系，側(cè)重知識的融合導(dǎo)向

事物之間的聯(lián)系是千變?nèi)f化、錯綜復(fù)雜的，原始物理問題中的現(xiàn)象也具有多樣性和交織性的特點，利用原始物理問題進行教學的根本困難，就在于教師和學生都難以駕馭原始物理問題情境中一系列物理現(xiàn)象背后的本質(zhì)性聯(lián)系。因此，在縱向融合的教學模式中，應(yīng)該側(cè)重于知識的實質(zhì)性聯(lián)系，定向設(shè)置疑問，忽略次要因素，突出主要因素，在物理學科視角范圍內(nèi)尋找和發(fā)現(xiàn)原始物理問題中物理現(xiàn)象背后的物理規(guī)律。

本著以“舊境”探新知，導(dǎo)向新舊知識相互融合的原則。利用已知情境回顧已有物理知識，借助分析原始物理問題中的某一自然現(xiàn)象，進行情境類比、本質(zhì)比較，再在原始物理問題的情境中建構(gòu)和運用某一物理知識解決新的問題，促進物理知識在新舊情境中的順向遷移，導(dǎo)向知識融合。

2.1.2 運用物理思維方法，再探原始物理問題，實現(xiàn)循環(huán)進階學習

由圖1的教學模式流程可知，對原始物理問題中的物理現(xiàn)象可以采用逐一分析、各個突破、循環(huán)進階的講授方法，來促進學生深刻理解源自于實際生活的物理知識的現(xiàn)實意義，加深原始物理問題對學生深度學習的認知影響。經(jīng)過對原始物理問題中一個問題的分析和求解之后，學生不僅獲得了好奇心、疑惑感方面的滿足，更重要的是學會了運用物理思維分析原始物理問題的方法。這才是實現(xiàn)探究原始物理問題，循環(huán)進階學習的關(guān)鍵所在。

圖1 分解原始物理問題促進循環(huán)進階學習的教學模式流程圖

2.2 聚焦物理學科視角，預(yù)設(shè)問題表，將原始物理問題融入學生知識體系的小組合作學習模式

在《普通高中物理課程標準(2017年版2020年修訂)》中，物理學科核心素養(yǎng)的“物理觀念”、“科學思維”兩個維度都明確強調(diào)從物理學視角出發(fā)。要結(jié)合學生基礎(chǔ)知識，全方位地將原始物理問題融入學生知識體系也必須從物理學科視角出發(fā)。因此，教師要在預(yù)設(shè)問題環(huán)節(jié)中發(fā)揮主導(dǎo)作用，在將原始物理問題融入學生已有知識經(jīng)驗的過程中，確保研究的物理問題不超出物理學科視角范圍。

2.2.1 結(jié)合教學目標，呈現(xiàn)原始物理問題情境，教師預(yù)設(shè)問題

根據(jù)高中物理光學部分中反射、折射、干涉、衍射等現(xiàn)象的教學目標要求，呈現(xiàn)原始物理問題的影像資料。以飛機的尾氣留痕為例，如圖2、圖3、圖4所示。

圖2

圖3

圖4

飛機的尾氣留痕也叫“云帶”“飛機云”“尾跡云”等等，是學生生活中常見的原始物理現(xiàn)象。以此為原始物理問題展開教學，教師提前預(yù)設(shè)可能涉及的物理問題，如下表所示。

基于飛機尾氣留痕現(xiàn)象預(yù)設(shè)的問題表

上述飛機尾氣留痕的影像資料中包含著幾十種與高中物理光學、熱學、動力學等知識相關(guān)的實際問題。教師要圍繞光學教學目標中的反射、折射、全反射、干涉、衍射等現(xiàn)象，將這些問題分類分組，以問題表的形式呈現(xiàn)給各個學習小組，供其學習討論。根據(jù)學情適當?shù)靥峁┕鈱W知識的原理。

2.2.2 小組自選問題表，結(jié)合已有知識經(jīng)驗合作探討問題

以小組長為代表，抽選上述問題表進行合作研究，學習和討論的重點是挖掘問題背后的物理知識，如何解釋和說明原始物理問題。此項學習任務(wù)需要留給學生充足的時間，這是真正發(fā)揮原始物理問題教育價值的根本保證。一般情況下，要給予學生兩周左右的調(diào)查時間，讓學生帶著原始問題融入自然、探索自然。最后，小組成員經(jīng)過交流討論形成答案，由組長匯報所討論問題的答案。

2.2.3 師生共同對小組的答案進行交流討論，實施多元化評價

教師和學生一起充當“評委”，師生可隨時提出問題；匯報組的成員亦可幫助組長補充問題的答案；充分發(fā)揮討論學習中“答辯”模式的教育功能。

2.2.4 豐富和完善教師預(yù)設(shè)的問題，保存課題研究成果

經(jīng)過上述環(huán)節(jié)的交流討論之后，學生會發(fā)現(xiàn)和提出基于原始物理問題情境的其他物理問題，這些問題自然而然地就擴充了教師提前預(yù)設(shè)的問題，豐富和完善了原始物理問題應(yīng)該折射出來的其他問題。為便于學生繼續(xù)深入地學習和研究，可將此次的課題研究成果存檔，便于后期的復(fù)習使用。

3 橫向上原始物理問題與傳統(tǒng)文化的融合模式

光是普遍的自然現(xiàn)象，在中國古代的文獻中也曾有著廣泛的相關(guān)記載，特別是唐詩中關(guān)于光現(xiàn)象的描述更為常見，詩人筆下的“光景”引人入勝。將唐詩中的詩情畫意與原始物理問題中的真實情境相互融合，可以有效地提高學生的民族文化自豪感和愛國主義情懷，促進學生物理學科核心素養(yǎng)的綜合提升。

3.1 唐詩意境與物理情境相互融合的情境創(chuàng)設(shè)模式

將包含著原始物理情境的唐詩做為“原始物理問題”引入課堂教學，通過發(fā)現(xiàn)唐詩意境中的物理現(xiàn)象，分析其中可能存在的物理規(guī)律。將唐詩意境與物理學問題相融合創(chuàng)設(shè)學習情境，引導(dǎo)學生運用物理知識分析唐詩意境中的物理問題，必然有助于學生深度感受唐詩的意境之美和文化魅力。

3.1.1 教師根據(jù)原始物理問題情境確定唐詩篇目，提出相關(guān)的物理問題

中國古代詩人滿懷探索宇宙的熱情，以李白的《把酒問月》為例，詩人通過“今人不見古時月，今月曾經(jīng)照古人”的賞月和問月方式，描述了時光流逝，歲月變遷。唐詩中蘊涵著大量的物理知識，主要表現(xiàn)在寫景之美的惟妙惟肖和細致入微等方面。

有關(guān)光學現(xiàn)象的唐詩比比皆是、數(shù)不勝數(shù)。以描寫光的反射和折射為例，具代表性的詩篇包括：白居易《憶江南》中的“日初江花紅勝火，春來江水綠如藍”；《慕江吟》中的“一道殘陽鋪水中，半江瑟瑟半江紅”；王安石《江上》中的“江水漾西風，江花脫晚紅”；楊萬里《曉出凈慈寺送林子方》中的“接天蓮葉無窮碧，映日荷花別樣紅”等等。

結(jié)合“飛機尾氣留痕的原始物理問題”情境，引導(dǎo)學生思考：為什么上述詩篇中只有在日初與日落時分才會出現(xiàn)“江花紅勝火；半江瑟瑟半江紅；映日荷花別樣紅；江花脫晚紅”等絕妙美景？這是光的什么現(xiàn)象？

3.1.2 結(jié)合原始物理問題情境聚焦研究對象，從物理學視角感悟唐詩的意境之美

基于物理學科視角感悟唐詩意境，首先需要發(fā)現(xiàn)和分析唐詩中的自然現(xiàn)象，再通過聚焦一個或一類研究對象并對其運用高中物理課堂中學過的光學知識進行解釋，最后研究唐詩中所包含的此類物理現(xiàn)象、分析原因、得出結(jié)論。其實質(zhì)是借助唐詩意境運用物理知識、發(fā)展學生能力、促進學生物理學科核心素養(yǎng)提升的過程。

在文學界，《憶江南》中的“江花”一直存有爭議，有觀點認為，江花是某種植物的紅色花朵；還有觀點認為，江花是水花、浪花或江面。教師可以采用“圖文并茂”的方式，引導(dǎo)學生體驗從物理學視角辨析“江花”實質(zhì)的審美過程。

以荷花為例，運用光的反射和折射現(xiàn)象解釋，日出時分，陽光經(jīng)過大氣層(外疏內(nèi)密的空氣層)發(fā)生折射，紅光的折射率最小，穿透能力最強，使得萬物“披紅光”。因紅色花瓣帶滿朝露(清晨的露珠)，露珠里面的光線折射出露珠表面時伴有全反射現(xiàn)象的發(fā)生，使得荷花看上去更加亮麗。隨著紅日的緩緩升起，在反射、折射和全反射的作用下，遠遠望去，紅色晨光中的荷花出現(xiàn)了火一樣的“亮感”。于是，有“日出江花紅勝火”的美景。

以江水為例也可以解釋。日出時分，陽光穿過大氣層并發(fā)生折射，照射在寬闊的江面上，經(jīng)過江面的反射和水中光線折射出江面時的全反射現(xiàn)象(江面顯得更加明亮)，使得江面發(fā)出紅色的亮光。伴隨著東方冉冉升起的紅日，在江面鏡面反射、水中光線全反射的共同作用下，江面上太陽的倒影隨著粼粼波光像“火光”一樣由近及遠。也會出現(xiàn)“日出江花紅勝火”的美景。

經(jīng)過上述分析，學生認為兩種觀點均有其合理性，僅從物理學科知識中光的反射、折射現(xiàn)象出發(fā)，還不能辨析江花的實質(zhì)。但是，學生初步感悟到了唐詩意境中的美輪美奐，被傳統(tǒng)文化的魅力所震撼，增強了民族文化的自豪感。教師可以鼓勵學生運用光路圖，仿照上述過程對“荷花別樣紅；江花脫晚紅”等意境進行分析和描述，進一步提高學生運用物理知識解釋自然現(xiàn)象的能力。

3.2 基于現(xiàn)實、提升觀念、發(fā)揮物理課程思政功能的教學模式

在以唐詩意境所涉及的物理情境為原始物理問題來引導(dǎo)學生學習和運用物理知識的過程中，唐詩中意境描述深深地吸引著學生對美麗景色的向往。在學生感嘆詩人絕妙的文筆之余，也意識到了“昔日美景今不在”。教師借此引導(dǎo)學生分析現(xiàn)實生活中的各種環(huán)境問題，提升學生的環(huán)保觀念，助力物理課程在保護環(huán)境、珍愛家園等方面育人價值的實現(xiàn)。

根據(jù)學生所熟悉的“江花紅勝火、春水綠如藍；半江瑟瑟半江紅；荷花別樣紅；江花脫晚紅”等唐詩意境中物理現(xiàn)象的光學原理。對比霧霾天氣可能會出現(xiàn)“江花霧蒙蒙、江水灰蒙蒙”的景象，使學生牢固樹立“綠水青山就是金山銀山”的生態(tài)環(huán)保理念，培養(yǎng)學生的科學態(tài)度與責任，發(fā)揮物理課程在轉(zhuǎn)變學生生態(tài)環(huán)保理念方面的教育功能，助力物理課程育人價值的完美實現(xiàn)。

4 結(jié)論

原始物理問題的教育教學價值影響重大、意義深遠。有利于學生科學思維能力發(fā)展的方面表現(xiàn)在“科學教育的根本任務(wù)是發(fā)展學生的科學思維，為發(fā)展學生的思維而教更是物理教學的基本理念，物理問題是思維的誘因和起點，也是推動思維發(fā)展的動力”；其中原始物理問題對學生思維能力發(fā)展的推動作用更是不可估量。豐富學生已有知識經(jīng)驗的方面表現(xiàn)在學生已有知識經(jīng)驗具有原始性，本身就源自于部分原始物理問題，學生原有知識經(jīng)驗構(gòu)成了建模的“基本原料”，如果學生缺乏這些“基本原料”，抽象思維就無法進行，物理建模也就無從談起；可見物理學科的建模教學同樣也離不開基于原始物理問題的學生已有知識經(jīng)驗的參與。當然，原始物理問題的教育教學價值還遠遠不止這兩個方面的表現(xiàn)。

在實際教學中，物理教師不應(yīng)該被某種教育理論或某種教學模式所局限，物理課堂應(yīng)該基于原始物理問題，密切聯(lián)系學生實際、加大學生參與、解放思想、大膽嘗試。以學生對系列原始物理問題的思考和解決來培養(yǎng)和發(fā)展物理學科核心素養(yǎng)，這不僅可以提高學生的問題導(dǎo)向意識，而且有利于學生質(zhì)疑能力、批判性思維能力和創(chuàng)新能力的進一步發(fā)展。將原始物理問題中的真實情境與傳統(tǒng)文化有機融合是在物理教學過程中培養(yǎng)學生愛國主義情懷，樹立民族文化自信的有效途徑；更是實現(xiàn)物理課程育人價值不可或缺的方式和方法。