指向?qū)W科關(guān)鍵能力的物理實踐性學(xué)習(xí)任務(wù)的設(shè)計

吳明磊

(無錫市堰橋高級中學(xué),江蘇 無錫 214174)

教育的目標(biāo)在于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng),以使他們逐漸形成正確的價值觀、必備品格和關(guān)鍵能力.物理學(xué)科的關(guān)鍵能力是連接物理學(xué)科核心素養(yǎng)與教學(xué)活動的橋梁.高中物理學(xué)科的關(guān)鍵能力包括理解能力、推理論證能力、模型構(gòu)建能力、實驗探究能力和創(chuàng)新能力[1].這些物理學(xué)科的關(guān)鍵能力具體化了物理學(xué)科核心素養(yǎng),有助于教師將素養(yǎng)目標(biāo)轉(zhuǎn)化為具體的教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)行為,進行實踐性學(xué)習(xí)任務(wù)的設(shè)計.

1 分析物理數(shù)據(jù),培養(yǎng)觀察理解能力

分析物理數(shù)據(jù)是理解和應(yīng)用物理知識的重要一環(huán).通過開展實踐學(xué)習(xí)任務(wù),學(xué)生將接觸到真實的物理數(shù)據(jù),并對其進行整理、處理和分析,可以提高觀察理解能力,能夠有效地提取信息、找出規(guī)律和進行合理的推論.

例如,教學(xué)新人教版高中物理必修一第二章《勻變速直線運動的研究》第4節(jié)《自由落體運動》時,教師可以先帶領(lǐng)學(xué)生開展實驗,在實驗中得出一組關(guān)于物體的自由落體運動的數(shù)據(jù),要求學(xué)生分析并解釋重力加速度的概念.教師:“同學(xué)們,今天我們將討論自由落體運動以及重力加速度的概念.首先,我將給大家一組關(guān)于物體的自由落體運動的數(shù)據(jù),請你們分析并解釋重力加速度的概念,將你們的觀察結(jié)果和解釋寫在紙上.”學(xué)生們開始觀察數(shù)據(jù)并記錄他們的觀察結(jié)果和解釋,教師請學(xué)生分享他們的觀察結(jié)果.學(xué)生A:“我觀察到在每個時間間隔下,物體下降的距離是不同的.例如,在第一個時間間隔內(nèi),物體下降了2 m,在第二個時間間隔內(nèi),物體下降了4 m.”學(xué)生B:”我注意到在每個時間間隔內(nèi),物體下降的距離似乎是遞增的.在第一個時間間隔內(nèi),物體下降了2 m;分號在第二個時間間隔內(nèi),物體下降了4m,這意味著它下降的距離是遞增的.”學(xué)生C:“我覺得這些數(shù)據(jù)都表明重力對物體的下降產(chǎn)生了影響.物體在每個時間間隔內(nèi)下降的距離在增加,這可能意味著重力在加快物體的下降速度.”教師對學(xué)生的數(shù)據(jù)分析結(jié)果給予肯定并請學(xué)生對重力加速度的概念進行解釋總結(jié).教師:“非常好!你們對重力加速度的概念有了很好的理解.重力加速度的大小是9.8 m/s2,這意味著在自由落體運動中,物體每秒鐘的下降速度將增加9.8 m/s.這是一個重要的物理概念,對于我們理解自由落體運動非常重要.”通過數(shù)據(jù)分析初步了解了重力加速度的概念后,教師要求運用重力加速度的概念,通過計算來預(yù)測物體在不同時間間隔下的下降距離,并在小組中討論分享自己的想法.

通過觀察和分析數(shù)據(jù),學(xué)生可以親自動手進行實驗、觀察和記錄數(shù)據(jù),不僅有助于深入理解自由落體運動和重力加速度的概念,還能夠增強他們對實驗過程的理解和掌握,培養(yǎng)其實踐操作能力.

2 驗證物理結(jié)論,培養(yǎng)推理論證能力

在驗證物理結(jié)論的實踐過程中,學(xué)生可以親自參與實驗設(shè)計、數(shù)據(jù)采集和分析等科學(xué)探究過程,培養(yǎng)他們的觀察、實驗設(shè)計、推理和問題解決能力.這種實踐學(xué)習(xí)任務(wù)強調(diào)邏輯推理、實證驗證和證據(jù)支持,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力,使他們能夠更好地理解和應(yīng)用物理知識[2].

例如,教學(xué)新人教版高中物理必修二第八章《機械能守恒定律》的第5節(jié),教師可以指導(dǎo)學(xué)生通過開展實驗來驗證機械能守恒定律.教師:“今天我們將通過開展實驗來驗證機械能守恒定律.在這個實驗中,我們將使用一個簡單的裝置來觀察和測量機械能.首先,讓我們回顧一下機械能守恒定律的基本內(nèi)容.”學(xué)生回答:“機械能守恒定律是指在不受外力和非彈性碰撞影響的情況下,系統(tǒng)的機械能保持不變.機械能由動能和勢能組成,動能與物體的速度有關(guān),勢能與物體的位置有關(guān).”接下來,教師指導(dǎo)學(xué)生通過小組合作進行實驗來驗證這個定律.學(xué)生將使用一個小球和一個簡易的斜面來進行實驗.首先,學(xué)生可以使用測量工具,如尺子和計時器,來測量小球滾下斜面的滾動距離和時間.通過這些數(shù)據(jù),可以計算出小球的速度和高度.教師提醒學(xué)生在實驗過程中需要確保實驗環(huán)境的穩(wěn)定性,斜面應(yīng)該固定在桌子上,確保不會晃動;此外,小球的質(zhì)量需要保持不變,以便能夠準確地進行實驗.學(xué)生開始實驗,并記錄他們的數(shù)據(jù).教師要求學(xué)生完成實驗后將數(shù)據(jù)記錄在實驗報告中,并計算小球的機械能;然后,比較不同位置的機械能是否相等.學(xué)生在實驗過程中分享了自己的發(fā)現(xiàn),學(xué)生A:“小球滾動下來的過程中,動能逐漸增加,而勢能逐漸減少.”教師:“非常好!那么,在小球滾動的過程中,你們觀察到了什么現(xiàn)象?”學(xué)生B:“我們發(fā)現(xiàn),無論小球滾動到哪個位置,動能和勢能的和保持不變.”學(xué)生完成了實驗和數(shù)據(jù)分析后,教師請每個小組派一名代表上臺展示實驗結(jié)果和數(shù)據(jù)分析,并解釋他們的數(shù)據(jù)和結(jié)論.學(xué)生總結(jié):“我們的實驗結(jié)果表明,在只有重力做功的情況下,小球的機械能總量保持不變.”最后,教師總結(jié)課堂內(nèi)容,并強調(diào)機械能守恒定律的重要性.

通過設(shè)計驗證物理結(jié)論的實踐學(xué)習(xí)任務(wù)可以幫助學(xué)生培養(yǎng)科學(xué)思維方式,包括觀察、提出假設(shè)、設(shè)計實驗、收集數(shù)據(jù)、分析結(jié)果和得出結(jié)論等步驟.這種思維方式和實踐過程有助于培養(yǎng)學(xué)生的推理論證能力,增強動手能力.

3 構(gòu)建物理模型,培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)造能力

構(gòu)建物理模型可以幫助學(xué)生將抽象的物理概念轉(zhuǎn)化為具體的形象或圖像.通過實際操作和觀察,學(xué)生能夠更容易理解和記憶物理知識,更深入地理解物理原理和現(xiàn)象.同時,這種過程也培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維和解決問題的能力,激發(fā)了他們的學(xué)習(xí)興趣和探索精神.

例如,教學(xué)新人教版高中物理必修三第十三章《電磁感應(yīng)和電磁波初步》第3節(jié)《電磁感應(yīng)現(xiàn)象及應(yīng)用》時,教師可以指導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建一個簡單的電磁感應(yīng)裝置,用于解釋電磁感應(yīng)原理.教師:“同學(xué)們,今天我們將學(xué)習(xí)電磁感應(yīng)現(xiàn)象,為了更好地理解這個概念,我們將一起動手制作一個簡單的電磁感應(yīng)裝置.”學(xué)生各自準備好所需的材料:一個銅線圈、一個鐵芯、一個磁鐵和一個電流表.

教師簡單介紹電磁感應(yīng)現(xiàn)象的原理后,指導(dǎo)學(xué)生使用銅線圈和鐵芯來構(gòu)建一個簡單的電磁感應(yīng)裝置.教師:“請將鐵芯插入銅線圈的中心,確保鐵芯能夠完全穿過銅線圈.然后,將電流表的兩個引線分別與銅線圈的兩端相連.”學(xué)生按照指導(dǎo)開始組裝,完成后測試裝置,按照教師指導(dǎo)將磁鐵靠近銅線圈的一端,觀察電流表的讀數(shù).學(xué)生可以發(fā)現(xiàn)電流表的指針移動.教師請學(xué)生解釋此現(xiàn)象:“這說明實驗中產(chǎn)生了感應(yīng)電流.當(dāng)磁鐵靠近銅線圈時,磁場的變化導(dǎo)致了感應(yīng)電流的產(chǎn)生,從而使電流表的指針發(fā)生了偏移.”教師提問:“如果我們不同快慢改變磁鐵的位置會發(fā)生什么現(xiàn)象?”學(xué)生嘗試將磁鐵不同快慢移動,并觀察電流表的讀數(shù),發(fā)現(xiàn)當(dāng)磁鐵快速靠近銅線圈時,電流表的讀數(shù)較大;當(dāng)磁鐵緩慢離開銅線圈時,電流表的讀數(shù)較小.教師為學(xué)生解釋此現(xiàn)象:“這是因為當(dāng)磁鐵快速靠近銅線圈時,磁場的變化快,產(chǎn)生的感應(yīng)電流也較大.當(dāng)磁鐵緩慢離開銅線圈時,磁場的變化慢,感應(yīng)電流也相應(yīng)較小.”

構(gòu)建物理模型需要學(xué)生進行問題分析、創(chuàng)意設(shè)計和解決方案的實現(xiàn)過程,在構(gòu)建物理模型的過程中,學(xué)生需要運用科學(xué)的方法和思維,通過探究、實踐、修正等過程,逐步形成自己的科學(xué)思維,可以進一步拓展思路,提高創(chuàng)新創(chuàng)造能力.

4 設(shè)計物理實驗,培養(yǎng)問題探究能力

設(shè)計物理實驗需要學(xué)生分析問題、制定實驗方案、選擇合適的儀器和測量方法等,這樣可以培養(yǎng)學(xué)生的問題解決能力和創(chuàng)新思維能力.同時,在實驗過程中,學(xué)生還需要分析實驗結(jié)果、總結(jié)規(guī)律,培養(yǎng)學(xué)生的觀察、分析和歸納能力.

例如,教學(xué)新人教版高中物理選修三第一章《分子動理論》的第2節(jié),教師可以引導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計實驗——用油膜法估算油酸分子的大小.教師:“同學(xué)們,今天我們要進行一項實驗,通過油膜法來估算油酸分子的大小.首先,你們需要了解油膜法的原理,以及如何利用它來估算分子的大小.”在了解了油膜法后,學(xué)生將自主設(shè)計實驗步驟,教師可以給予一些指導(dǎo),但是具體的實驗方案需要學(xué)生自己討論和決定.學(xué)生首先確定了需要的實驗器材:油酸溶液、玻璃片、顯微鏡、毛細管、計時器和稱量器等.接下來,學(xué)生開始討論實驗步驟.學(xué)生A:“我認為我們可以先將一滴油酸溶液滴在玻璃片上,然后利用毛細管將玻璃片傾斜,使油酸溶液在玻璃片上形成一個薄膜.”學(xué)生B:“然后我們可以用顯微鏡觀察油膜的厚度.”學(xué)生C:“我覺得我們還需要測量油膜的面積,這樣我們可以計算出體積.”教師:“很好,你們的想法很不錯.接下來,你們需要確定如何測量油膜的厚度和面積,并且要注意如何控制實驗的條件以保證實驗結(jié)果的準確性.”學(xué)生繼續(xù)討論實驗步驟并且形成初步的實驗方案,由一名學(xué)生總結(jié):“我們計劃使用顯微鏡測量油膜的厚度,使用標(biāo)尺測量油膜的面積.我們還打算進行多次實驗,然后取平均值以增加結(jié)果的可靠性.”學(xué)生按照實驗方案開始實施實驗,并記錄實驗數(shù)據(jù)和觀察結(jié)果,教師在實驗過程中可以給予一定的指導(dǎo)和幫助.學(xué)生開始進行實驗,并記錄實驗數(shù)據(jù)和觀察結(jié)果,整理好實驗數(shù)據(jù),計算出油酸分子的大小.學(xué)生匯報實驗結(jié)果:老師,我們完成了實驗,并根據(jù)測量的數(shù)據(jù)進行了計算,我們得出的油酸分子的大小約為2 nm.”

5 結(jié)束語

物理學(xué)科關(guān)鍵能力是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成,在高中物理教學(xué)中注重關(guān)鍵能力發(fā)展是落實核心素養(yǎng)的重要內(nèi)容[3].因此,指向?qū)W科關(guān)鍵能力的實踐性學(xué)習(xí)任務(wù)的設(shè)計應(yīng)注重學(xué)生的主動參與和實踐操作,以培養(yǎng)學(xué)生的實際應(yīng)用能力和問題解決能力.通過實踐性學(xué)習(xí)任務(wù)的設(shè)計和實施,提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動力,提升他們在物理學(xué)科中的核心素養(yǎng).