運(yùn)用情境探究教學(xué)法 落實(shí)學(xué)科育人功能

劉長(zhǎng)燦

廣東番禺中學(xué)，廣州 511483

物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培育是物理學(xué)科育人價(jià)值的集中體現(xiàn)。探索有效課堂教學(xué)方法，培育物理學(xué)科核心素養(yǎng)，落實(shí)物理學(xué)科育人功能是推動(dòng)課程改革走向深入的關(guān)鍵，是當(dāng)前教學(xué)改革迫切需要解決的問(wèn)題。普通高中物理課程應(yīng)該在義務(wù)教育的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的養(yǎng)成和發(fā)展［1］。推進(jìn)普通高中育人方式的改革要求深化課堂教學(xué)方法，探索基于情境問(wèn)題導(dǎo)向的互動(dòng)式、啟發(fā)式、探究式、體驗(yàn)式的課堂教學(xué)方法［2］，促進(jìn)學(xué)生系統(tǒng)地掌握各學(xué)科基礎(chǔ)知識(shí)、基本技能、基本方法，培養(yǎng)他們正確的價(jià)值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力。

1 情境探究教學(xué)法

情境探究教學(xué)法是華南師范大學(xué)張軍朋教授團(tuán)隊(duì)提出的一種教學(xué)方法。該教學(xué)法是在情境中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，在體驗(yàn)探究中建構(gòu)概念、發(fā)現(xiàn)規(guī)律，在應(yīng)用中與實(shí)際、社會(huì)聯(lián)系起來(lái)的一種教學(xué)法。它由情境與問(wèn)題、引導(dǎo)與探究、應(yīng)用與拓展、感悟與升華四個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)組成，與當(dāng)前物理課程改革的要求一致［3］。

首先，教師創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，提出有效驅(qū)動(dòng)問(wèn)題。然后，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷探究過(guò)程，通過(guò)師生互動(dòng)激發(fā)學(xué)生思維，幫助其建立物理概念規(guī)律。第三，教師引導(dǎo)學(xué)生利用物理概念規(guī)律解決生產(chǎn)實(shí)踐中遇到的真實(shí)問(wèn)題。最后，學(xué)生在探究和應(yīng)用物理原理的過(guò)程中感悟思維方法，形成物理觀念，培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。情境探究教學(xué)法的四個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)滿足培育學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的四個(gè)要素。該教學(xué)方法讓學(xué)生在真實(shí)情境中建立物理觀念，在探究過(guò)程中培養(yǎng)科學(xué)探究能力，在應(yīng)用拓展中發(fā)展科學(xué)思維，在學(xué)知識(shí)過(guò)程中內(nèi)化方法、感悟思想、培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。

情境探究教學(xué)法從重視結(jié)果向重視過(guò)程轉(zhuǎn)變，從獲得知識(shí)向培養(yǎng)關(guān)鍵能力轉(zhuǎn)變，從知識(shí)本位向?qū)W科育人轉(zhuǎn)變。通過(guò)情境創(chuàng)設(shè)、問(wèn)題引導(dǎo)來(lái)激發(fā)學(xué)生的探究動(dòng)機(jī)，體現(xiàn)以學(xué)生為中心的人本主義心理學(xué)的基本要求。從探究中體驗(yàn)知識(shí)獲得的過(guò)程，體現(xiàn)認(rèn)知心理學(xué)的基本要求。

2 運(yùn)用情境探究教學(xué)法落實(shí)學(xué)科育人功能

2.1 運(yùn)用教材資源育人

教材是師生教與學(xué)的載體，是課程標(biāo)準(zhǔn)最直接的體現(xiàn)，也是學(xué)生最主要的學(xué)習(xí)工具，是最便捷的知識(shí)獲取途徑。充分發(fā)揮教材資源的價(jià)值，有助于落實(shí)學(xué)科育人功能。

共點(diǎn)力的平衡是高中物理必備知識(shí)，是高一物理的重點(diǎn)內(nèi)容。課程標(biāo)準(zhǔn)要求：能用共點(diǎn)力平衡條件分析生產(chǎn)生活中的問(wèn)題?！皸l件”是作為結(jié)論記住，還是經(jīng)歷知識(shí)的構(gòu)建過(guò)程來(lái)獲得呢？ 顯然，不同的理解會(huì)有不同的教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)過(guò)程，而不同的教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)過(guò)程在育人方面的作用和價(jià)值是不同的。

【情境與問(wèn)題】 如圖1 所示，燈籠被一根繩子懸吊并處于靜止?fàn)顟B(tài)，繩子拉力F 與重力G 平衡。在圖2 中，招牌被兩根繩子吊著也處于靜止?fàn)顟B(tài)。此時(shí)，兩根繩子的作用力F1，F(xiàn)2與重力G之間存在著怎樣的關(guān)系？

圖2 兩根繩子懸吊招牌

【引導(dǎo)與探究】

引導(dǎo)學(xué)生猜想：F1，F(xiàn)2和G 的關(guān)系？ 將F1，F(xiàn)2合成，合力大小會(huì)不會(huì)與G 等值反向？

引導(dǎo)：如何證明你的猜想？

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案：探究三力作用下物體平衡條件的實(shí)驗(yàn)。提供匯力圓環(huán)、三根細(xì)繩、三個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)、白紙、直尺等工具。同學(xué)之間合作，探究三力作用下物體平衡的條件。

探究：學(xué)生分組開(kāi)展探究活動(dòng)，收集證據(jù)。

交流：學(xué)生討論其觀測(cè)到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和收集到的證據(jù)，形成結(jié)論，并用物理語(yǔ)言準(zhǔn)確表述出來(lái)。

結(jié)論：三力作用下物體處于平衡，任意兩個(gè)力的合力與第三個(gè)力等值反向，合外力為零。

【應(yīng)用與拓展】

應(yīng)用：應(yīng)用所學(xué)知識(shí)，回應(yīng)導(dǎo)入問(wèn)題，闡述招牌受到兩根繩子的作用力F1，F(xiàn)2與重力G 的關(guān)系。如圖3 所示，將F1，F(xiàn)2沿力的作用線延長(zhǎng)并與重力作用線交于重心，用平行四邊形定則合成F1，F(xiàn)2，得到的F 與G 等值反向。

圖3 招牌在三力作用下平衡

拓展：如果物體在N 個(gè)力的作用下處于平衡，這N 個(gè)力之間存在怎樣的關(guān)系呢？ 三力平衡的研究思路是通過(guò)力的合成，用任意兩個(gè)力的合力替代這兩個(gè)力，將三力平衡問(wèn)題轉(zhuǎn)化為二力平衡問(wèn)題，合外力為零。同理，可以將任意兩個(gè)力合成一個(gè)力，將N 個(gè)力作用下的平衡問(wèn)題轉(zhuǎn)化為（N－1）個(gè)力作用下的平衡問(wèn)題，通過(guò)多次合成直到轉(zhuǎn)化為二力平衡問(wèn)題，合外力為零。所以，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了三力作用下的平衡條件是合力為零，再通過(guò)科學(xué)推理推廣到N 個(gè)力作用下物體平衡條件是N 個(gè)力的合力為零。

【感悟與升華】 研究問(wèn)題從簡(jiǎn)單逐步過(guò)渡到復(fù)雜。找準(zhǔn)關(guān)鍵問(wèn)題，三力平衡和二力平衡有本質(zhì)區(qū)別，三力平衡下三個(gè)力的方向不一定在一條直線上，而二力平衡下兩個(gè)力在同一直線上。所以，將任意兩個(gè)力合成為一個(gè)力后，用來(lái)替代的合力能否與第三個(gè)力平衡需要實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。但是，證明了三力平衡以后，四力、五力或更多力作用下物體平衡就不需要再驗(yàn)證了，僅僅需要增加合成（替代）的次數(shù)，多次轉(zhuǎn)化和一次轉(zhuǎn)化沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別。需要實(shí)驗(yàn)去證明關(guān)鍵問(wèn)題，其他步驟可以通過(guò)科學(xué)推理完成。

2.2 運(yùn)用實(shí)驗(yàn)資源育人

物理是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，實(shí)驗(yàn)探究是研究物理的重要方法。學(xué)生在課堂上經(jīng)歷科學(xué)探究過(guò)程，對(duì)培養(yǎng)科學(xué)的探究方法與探究習(xí)慣、培育科學(xué)思維方法、發(fā)揮學(xué)科育人功能有著不可或缺的作用。

驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律是高中物理必做實(shí)驗(yàn)，它在理解機(jī)械能守恒定律、提高科學(xué)探究能力、培養(yǎng)科學(xué)思維素養(yǎng)、建立守恒觀念等方面有著重要作用。機(jī)械能守恒的條件是只有重力和彈簧彈力做功。中學(xué)階段，一般用落體法驗(yàn)證機(jī)械能守恒，重力勢(shì)能的減少量總是略大于動(dòng)能的增加量。這是由于重物和紙帶在下落過(guò)程受到空氣阻力和摩擦阻力的作用。即便是改用光電門裝置和數(shù)字計(jì)時(shí)器測(cè)量速度，重物下落時(shí)仍有空氣阻力作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)論往往表述為“在誤差允許的范圍內(nèi)，重力勢(shì)能的減少量等于動(dòng)能的增加量，機(jī)械能守恒”。在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不能完全佐證結(jié)論的情況下，“在誤差范圍內(nèi)”的表述總有“硬塞”給學(xué)生的感覺(jué)。雖然重物和紙帶在下落過(guò)程中會(huì)受到阻力作用是事實(shí)，與僅有重力和彈簧彈力做功的守恒條件有差異，但不利于能量守恒觀念的建立和實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度的培養(yǎng)。

【情境與問(wèn)題】

情境：在原有落體法基礎(chǔ)上，分析得到重力勢(shì)能減少量略大于動(dòng)能增加量。

問(wèn)題：請(qǐng)分析重力勢(shì)能減少量和動(dòng)能增加量不相等的原因，機(jī)械能守恒定律是否不成立？ 如果答案是否定的，如何改進(jìn)實(shí)驗(yàn)證明機(jī)械能守恒？

【引導(dǎo)與探究】

引導(dǎo)：如果誤差是由于摩擦和空氣阻力引起的，而又無(wú)法完全消除阻力的影響，能否設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明阻力的影響？ 能否逐步減少阻力對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響？

設(shè)計(jì)方案：用體積相同的紙錘、木錘和鐵錘作為重物帶動(dòng)紙帶做落體法實(shí)驗(yàn)。體積相同時(shí)，三個(gè)重錘下落時(shí)受到空氣阻力和紙帶的摩擦阻力相同。但是，紙錘質(zhì)量最小，鐵錘質(zhì)量最大（紙錘m紙＝80 g，木錘m木＝150 g，鐵錘m鐵＝200 g）。由可知，相同的阻力對(duì)紙錘的加速度影響最大，對(duì)鐵錘的加速度影響最小。如果機(jī)械能守恒定律成立，則mg△h＝mv2／2－0。作v2／2－△h 圖像，斜率為重力加速度g。相同阻力下，紙錘的斜率與g 相差最大，木錘的斜率與g 逐漸逼近，鐵錘的斜率與g 相差最小。通過(guò)實(shí)驗(yàn)作出三張圖即可驗(yàn)證猜想。

實(shí)驗(yàn)探究：在鐵錘作為重物的基礎(chǔ)上，再用相同體積的紙錘和木錘做落體法實(shí)驗(yàn)，將三次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)描繪在同一個(gè)v2／2－△h 坐標(biāo)中，可直觀地反映出紙錘斜率最小，木錘次之，鐵錘最大，且三者斜率逐漸逼近g［4］，從而獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

【應(yīng)用與拓展】

應(yīng)用：在運(yùn)動(dòng)阻力無(wú)法消除的情況下，逐漸增大重錘質(zhì)量，減少阻力對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，逐漸逼近理想情況。通過(guò)圖像斜率對(duì)比，機(jī)械能守恒的結(jié)論水到渠成。學(xué)生對(duì)僅有重力和彈簧彈力做功的守恒條件的理解更加深刻。僅用鐵錘做實(shí)驗(yàn)時(shí)，重力勢(shì)能減少量略大于動(dòng)能增加量，能作出合理解釋。

拓展：逐漸逼近的科學(xué)思維方式和理想實(shí)驗(yàn)的科學(xué)研究方法不僅能在本實(shí)驗(yàn)中使用，在之前的學(xué)習(xí)過(guò)程中也已經(jīng)接觸過(guò)。初中階段探究摩擦力對(duì)物體運(yùn)動(dòng)的影響實(shí)驗(yàn)中，讓滑塊從同一高度釋放，分別在毛巾、棉布和木板上滑行，滑行距離越遠(yuǎn)說(shuō)明接觸面越光滑，物體受到的摩擦力越小。雖然無(wú)法在絕對(duì)光滑的接觸面上做實(shí)驗(yàn)，但通過(guò)逐漸逼近的思想可以推斷物體在絕對(duì)光滑接觸面上運(yùn)動(dòng)時(shí)將不受摩擦力作用。高一學(xué)習(xí)牛頓第一定律時(shí)，伽利略通過(guò)逐漸減小上升斜面的傾角，使小球在斜面上運(yùn)動(dòng)的距離越來(lái)越遠(yuǎn)，來(lái)說(shuō)明物體有保持原來(lái)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的性質(zhì)。

【感悟與升華】 實(shí)驗(yàn)采用了逐漸逼近的科學(xué)思維方式和理想實(shí)驗(yàn)的科學(xué)研究方法。在學(xué)生經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)后，通過(guò)師生交流，提煉學(xué)習(xí)物理的科學(xué)思維方式和科學(xué)研究方法，有助于學(xué)生遷移能力的增強(qiáng)、科學(xué)思維和科學(xué)探究素養(yǎng)的培養(yǎng)。

2.3 運(yùn)用習(xí)題資源育人

習(xí)題是學(xué)生常用的學(xué)習(xí)資源，習(xí)題中的情境、素材、解決問(wèn)題的方法等也蘊(yùn)含著很多有價(jià)值的育人素材。教學(xué)過(guò)程中，利用好習(xí)題資源可以顯化習(xí)題育人價(jià)值，對(duì)提高學(xué)科育人功能有重要作用。

圖像是重要的物理語(yǔ)言，但不少剛升入高一的學(xué)生無(wú)法將圖像與實(shí)際情境結(jié)合在一起，感覺(jué)物理圖像抽象難懂。課程標(biāo)準(zhǔn)要求能用圖像等方法描述勻速直線運(yùn)動(dòng)并解決問(wèn)題。在本章學(xué)習(xí)中，如果能通過(guò)創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，讓學(xué)生體驗(yàn)圖像與情境的轉(zhuǎn)換，經(jīng)歷圖像的應(yīng)用過(guò)程，就能克服其學(xué)習(xí)物理的畏懼心理，提高其學(xué)習(xí)興趣并激發(fā)學(xué)習(xí)的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力。

【情境與問(wèn)題】

情境：三輛汽車以相同的速度v0通過(guò)路旁的一根電燈柱。甲車先加速后減速，當(dāng)經(jīng)過(guò)下一根電燈柱時(shí)速度也是v0； 乙車以速度v0一直勻速通過(guò)兩根電燈柱；丙車以速度v0先減速后加速，經(jīng)過(guò)下一根電燈柱時(shí)速度也是v0。

問(wèn)題：哪輛汽車最先到達(dá)下一根電燈柱？

【引導(dǎo)與探究】

不少高一學(xué)生認(rèn)為三輛汽車初末速度都相等，同時(shí)到達(dá)下一根電燈柱。也有學(xué)生認(rèn)為勻速運(yùn)動(dòng)的乙車沒(méi)有減速運(yùn)動(dòng)過(guò)程，乙車最快到達(dá)。只有少部分學(xué)生認(rèn)為甲車最先到達(dá)。

引導(dǎo)：由于兩根電燈柱的距離相等，比較三者的平均速度就可以比較它們的運(yùn)動(dòng)時(shí)間。除初末位置外，甲車瞬時(shí)速度一直大于v0，所以甲車的平均速度大于v0；乙車速度一直等于v0，所以乙車的平均速度等于v0；丙車瞬時(shí)速度一直小于v0，所以丙車的平均速度小于v0。故經(jīng)過(guò)相同的位移，甲車運(yùn)動(dòng)時(shí)間最短，乙車次之，丙車最長(zhǎng)，即t甲＜t乙＜t丙。由于高一學(xué)生剛剛接觸瞬時(shí)速度和平均速度的概念，對(duì)其理解不透徹，即使經(jīng)過(guò)以上分析引導(dǎo)，有些學(xué)生還是半信半疑。

為了打消學(xué)生的疑慮，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。將學(xué)生分成三組，在操場(chǎng)上選取一段約20 m的平直跑道，甲組模擬甲車先加速后減速，乙組模擬乙車一直勻速，丙組模擬丙車先減速后加速。設(shè)法讓三組學(xué)生同時(shí)經(jīng)過(guò)起點(diǎn)，且經(jīng)過(guò)起點(diǎn)和終點(diǎn)時(shí)速度大致相等，讓三組學(xué)生觀察誰(shuí)最先到達(dá)終點(diǎn)。經(jīng)過(guò)親身體驗(yàn)，學(xué)生很容易發(fā)現(xiàn)t甲＜t乙＜t丙。

【應(yīng)用與拓展】

應(yīng)用：學(xué)生在操場(chǎng)體驗(yàn)以后，將三組學(xué)生的運(yùn)動(dòng)過(guò)程畫成v－t 圖像（圖4）。聯(lián)系勻速直線運(yùn)動(dòng)的乙車，其位移s＝vt，即位移由v－t 圖像與橫軸所圍成的面積來(lái)表示。由于兩根電燈柱的距離相等，所以三個(gè)圖像與橫軸所圍面積相等時(shí)，汽車到達(dá)第二根電燈柱。根據(jù)v－t 圖像，容易判斷甲車的橫坐標(biāo)最短，丙車的橫坐標(biāo)最長(zhǎng)，t甲＜t乙＜t丙。

圖4 三組學(xué)生的運(yùn)動(dòng)v－t 圖像

拓展：若三輛汽車經(jīng)過(guò)相同的運(yùn)動(dòng)時(shí)間，則先加速后減速的汽車運(yùn)動(dòng)位移最長(zhǎng)，而先減速后加速的汽車運(yùn)動(dòng)位移最短。

【感悟與升華】

感悟：三輛汽車的運(yùn)動(dòng)猶如學(xué)生進(jìn)入高中學(xué)習(xí)的三種心態(tài)。學(xué)生進(jìn)入同一所高中，起點(diǎn)幾乎相同。但甲類學(xué)生從進(jìn)入高中第一天就以不斷進(jìn)步（先加速）的姿態(tài)對(duì)待學(xué)習(xí)，乙類學(xué)生不緊不慢按部就班（一直勻速），丙類學(xué)生認(rèn)為經(jīng)歷了艱苦的中考，稍作休息懈怠一下（先減速），等高三再努力。經(jīng)過(guò)三年的學(xué)習(xí)時(shí)間，甲類學(xué)生盡管高三時(shí)稍有松懈，但已經(jīng)有較好的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，他們大多能獲得較好的學(xué)習(xí)效果；乙類學(xué)生學(xué)習(xí)效果中等；丙類學(xué)生學(xué)習(xí)效果最不理想。通過(guò)以上習(xí)題解決和體驗(yàn)過(guò)程，鼓勵(lì)高一入學(xué)的學(xué)生拼搏奮斗，以昂揚(yáng)的姿態(tài)投入到高中學(xué)習(xí)中來(lái)。

升華：學(xué)習(xí)物理與做人做事是一致的。有的人永遠(yuǎn)保持著沖刺的姿態(tài)面對(duì)學(xué)習(xí)和生活，有的人滿足現(xiàn)狀不緊不慢，有的人取得一定成績(jī)后便懈怠。經(jīng)歷一段時(shí)間以后，相同基礎(chǔ)的三類人就得到截然不同的結(jié)果。面對(duì)學(xué)習(xí)、工作和生活，保持積極進(jìn)取、昂揚(yáng)拼搏的姿態(tài)才能在有限的時(shí)間內(nèi)取得最好的效果。學(xué)知識(shí)、悟道理，除了科學(xué)道理外，還包括做人做事的道理。在學(xué)習(xí)物理知識(shí)的過(guò)程中，培養(yǎng)陽(yáng)光、進(jìn)取、自信、自強(qiáng)、堅(jiān)毅、勇敢的品格，成為學(xué)生應(yīng)對(duì)個(gè)人終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展所必備的品格。

3 總結(jié)

教知識(shí)，學(xué)方法，悟思想。知識(shí)僅是育人的載體，培養(yǎng)思考問(wèn)題的方法、感悟物理學(xué)科思想、提高解決問(wèn)題能力、發(fā)展學(xué)科核心素養(yǎng)才是育人的根本目的。情境探究教學(xué)法重視創(chuàng)設(shè)貼近生產(chǎn)生活的實(shí)踐情境，通過(guò)問(wèn)題引導(dǎo)讓學(xué)生體驗(yàn)學(xué)習(xí)過(guò)程，帶領(lǐng)學(xué)生像科學(xué)家一樣經(jīng)歷知識(shí)的構(gòu)建過(guò)程，并在學(xué)習(xí)體驗(yàn)過(guò)程中感悟道理、內(nèi)化品質(zhì)、提升能力。情境探究教學(xué)法逐步培養(yǎng)學(xué)生將所學(xué)知識(shí)形成的能力遷移到新領(lǐng)域中，落實(shí)物理學(xué)科育人功能。