劉炳昇

(南京師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210023)

·名師論壇·

從“物理核心素養(yǎng)”的視角思考物理復(fù)習(xí)教學(xué)問題
——以“力與運動”章后小結(jié)為例

劉炳昇

(南京師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210023)

名師簡介：劉炳昇，南京師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授，課程與教學(xué)論博士生導(dǎo)師，任《物理之友》主編、義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)初中物理教科書(蘇科版)主編、中學(xué)科學(xué)(7—9年級)課程標(biāo)準(zhǔn)研制組核心成員.主要從事物理教學(xué)論和中學(xué)物理實驗的研究工作，榮獲國務(wù)院特殊貢獻津貼、國家教委普通高校優(yōu)秀教學(xué)成果獎等.曾任中國教育學(xué)會物理教學(xué)專業(yè)委員會副理事長、世界銀行貸款“理科實踐教學(xué)和低成本實驗”研討班中方主持人.

本文試圖領(lǐng)會“物理核心素養(yǎng)”的內(nèi)涵，以初中“力與運動”章后小結(jié)課為例，探討以“核心素養(yǎng)觀”引領(lǐng)的物理復(fù)習(xí)教學(xué)問題，著重在物理思想、科學(xué)方法、科學(xué)價值觀的引領(lǐng).就該章復(fù)習(xí)，提出了以下建議：突出一章的物理思想，以線帶面，重組知識結(jié)構(gòu)；圍繞學(xué)生的前科學(xué)概念，讓學(xué)生領(lǐng)悟科學(xué)方法的魅力；拓寬視野，促進科學(xué)價值觀的升華.

物理核心素養(yǎng)；物理思想；前科學(xué)概念；人文精神.

2016年11月21—23日，江蘇省基礎(chǔ)教育青年教師教學(xué)基本功大賽(物理)在揚州舉行，其中課堂教學(xué)的課題有兩個：“力與運動”章后小結(jié)和“壓強與浮力”章后小結(jié).命題的指導(dǎo)思想是：在章后的復(fù)習(xí)課中要體現(xiàn)“核心素養(yǎng)”觀念的引領(lǐng).課題有很大的自由度和創(chuàng)造空間，有助于評價老師較深層次知識與能力的積淀.筆者聽了參賽選手的一些課，想以“力與運動”的章后小結(jié)為例，談?wù)勛约旱南敕?

近期以來，物理教育界的學(xué)者和老師都在討論一個話題，即物理學(xué)科的核心素養(yǎng).從現(xiàn)實看，在中學(xué)物理教學(xué)中不少老師都很重視物理的知識和技能，解決物理問題的思維訓(xùn)練也是比較多的.由于考試的壓力、所謂的教學(xué)效率的需要，使教學(xué)偏重于文字上解讀概念、規(guī)律和解題，物理課程的教育功能不能全面地發(fā)揮出來，這對于學(xué)生的全面發(fā)展和適應(yīng)社會發(fā)展的挑戰(zhàn)是不利的.在深化課程改革中，提出物理學(xué)科的核心素養(yǎng)是必要的.筆者認為首先是觀念意識上的引領(lǐng)，應(yīng)當(dāng)深刻理解“核心素養(yǎng)”的內(nèi)涵.愛因斯坦指出：“用專業(yè)知識教育人是不夠的，通過專業(yè)學(xué)習(xí)，學(xué)生可以成為一種有用的工具，但不能成為一個和諧發(fā)展的人.要使學(xué)生對價值(社會倫理、準(zhǔn)則)有所理解并產(chǎn)生強烈的感情，那是最基本的.”物理學(xué)的發(fā)展，既創(chuàng)造了物理學(xué)的理論成果、系統(tǒng)的科學(xué)方法，又創(chuàng)造了科學(xué)思想與人文精神融合的成果.物理文化是“與生俱來”的、非常珍貴的教育資源.在物理教學(xué)中，學(xué)習(xí)知識是重要的，但不能只關(guān)注作為科學(xué)結(jié)論的理論知識，而使作為創(chuàng)造的探究過程、豐富的科學(xué)人文教育的資源被白白地浪費掉.我們應(yīng)當(dāng)從更高的層面上設(shè)計物理課程和教學(xué)，讓科學(xué)思想、科學(xué)觀念、科學(xué)的美成為物理課程的重要目標(biāo)和內(nèi)容，發(fā)揮物理的人文教育功能.

在“物理核心素養(yǎng)”觀念引領(lǐng)下，章后復(fù)習(xí)課不同于現(xiàn)實“應(yīng)試教育”指導(dǎo)下的復(fù)習(xí)課.需要重點考慮如下問題：(1) 如何指引學(xué)生學(xué)習(xí)梳理物理知識，形成有序的知識結(jié)構(gòu)？(2) 如何從回顧探究的過程中，領(lǐng)悟科學(xué)方法？(3) 評價學(xué)生是否撼動了頭腦中的前科學(xué)概念？是否領(lǐng)會知識的得來過程？在解釋或解決實際現(xiàn)象和問題中是如何思考問題的？(4) 如何滲透人文精神，關(guān)注物理文化的熏陶？下面就“力與運動”章后復(fù)習(xí)提幾點建議.

1 突出一章的物理思想，以線帶面，重組知識結(jié)構(gòu)

不少老師在復(fù)習(xí)該章時，按教材順序，逐節(jié)、逐點回憶所學(xué)知識，逐個討論或再現(xiàn)所做實驗，并進行應(yīng)用概念規(guī)律的習(xí)題訓(xùn)練，還帶領(lǐng)學(xué)生梳理本章知識結(jié)構(gòu).例如，一開始復(fù)習(xí)“二力平衡”，首先討論運動狀態(tài)、平衡和不平衡狀態(tài)，再回憶二力平衡條件的實驗，提出了5個問題，不僅涉及實驗的現(xiàn)象、說明的原理，而且涉及實驗的設(shè)計、與其他方案的比較，然后用選擇題和填充題來評價學(xué)生對二力平衡知識的理解.筆者總的感覺是知識點多、注意點細、記憶量大、結(jié)構(gòu)松散、聯(lián)系不緊密，關(guān)鍵是缺少一條貫穿全章的思維主線，即少了靈魂.

該章的主題是力與運動的關(guān)系，它是人類認識史上的重大課題.為什么亞里士多德的觀點統(tǒng)治了數(shù)千年之久？因為他有經(jīng)驗和證據(jù)的支持.這種經(jīng)驗與人們經(jīng)?？吹降默F(xiàn)象大多是一致的.時至今日，還有很多人不自覺地支持他的觀點.他的觀點之所以錯，是因為沒有揭示事物的本質(zhì).伽利略、牛頓等物理學(xué)家經(jīng)過艱苦卓絕的探究，才揭示出亞里士多德的錯誤，改變了人們對自然世界中這一重大問題的認識，也提出了一種看待自然界的新方式.

復(fù)習(xí)“力與運動”這一章，不能不提及物理學(xué)史上這一智力苦斗的輝煌歷程，以探討力與物體運動的關(guān)系為主線也許是一個好的復(fù)習(xí)策略.

重組的結(jié)構(gòu)如圖1所示，它與教材提供的順序結(jié)構(gòu)不同.教材為什么把“二力平衡”放在第一節(jié)？那是因為二力平衡是現(xiàn)實中常見的平衡，可以直接通過實驗得出規(guī)律，在此基礎(chǔ)上探究力是不是物體運動的原因，認識力與運動的關(guān)系，這對學(xué)生而言，是困難較小的一種結(jié)構(gòu)安排.在復(fù)習(xí)階段，以物理學(xué)史中的這一場爭論所提出的問題為主線展開.如果沒有力，物體不能運動，那么力就是物體運動的原因；如果不是這樣，沒有力物體照樣運動，那么，“力是物體運動的原因”這一結(jié)論就不成立.由此引出了“探究阻力對物體運動的影響”的實驗，通過實驗與推理，認識了牛頓第一定律.牛頓第一定律既揭示了物體不受力時的運動狀態(tài)，也回答了“力是不是物體運動的原因”，提煉出“力是物體運動狀態(tài)改變的原因”.最后，用力與運動的關(guān)系來解釋現(xiàn)實中存在的平衡力與非平衡力作用(以二力為例)下物體運動狀態(tài)的問題.這樣的復(fù)習(xí)思路，突出了本章的核心思想，簡潔、內(nèi)在的邏輯性更強.

圖1

2 圍繞學(xué)生頭腦中的前科學(xué)概念，使其領(lǐng)悟科學(xué)方法的魅力

一章需要復(fù)習(xí)的內(nèi)容很多，很難做到面面俱到，抓住核心思想，就容易突出重點.學(xué)過這一章，看似學(xué)生解決了力與運動關(guān)系的問題，牛頓第一定律、慣性、力與運動的關(guān)系等內(nèi)容也都能背出來，但潛在的前科學(xué)概念還是相當(dāng)頑固的.復(fù)習(xí)中，應(yīng)當(dāng)圍繞學(xué)生思維中的前科學(xué)概念，激發(fā)認知沖突，努力撼動前概念的基礎(chǔ).例如，在引入環(huán)節(jié)，讓學(xué)生搶答(可讓全體學(xué)生用手勢搶答)：一列火車沿直線勻速行駛，車廂里的人豎直向上跳起，問該人落下時在起跳點的前方、后方還是原地？然后讓學(xué)生說明理由.不少學(xué)生仍回答“在起跳點的后方”，即使答案正確，但在說明理由時，仍有學(xué)生回答：“起跳后，在水平方向不再受力，但仍保持原有與車相同的向前的速度，所以落回原點”，教師追問：“起跳前，地板對人的作用是怎樣的？”學(xué)生回答：“有向前推動的作用”.這樣引入，就使學(xué)生頭腦中的前科學(xué)概念不自覺地暴露出來.

考慮初中學(xué)生的認知特點和水平，教材沒有用伽利略提出的理想斜面實驗，而是用“探究阻力對物體運動的影響”的實驗.應(yīng)當(dāng)問學(xué)生：為什么要做這個實驗？怎樣做實驗？實驗?zāi)芊竦贸雠ｎD第一定律？在從學(xué)生實驗得出牛頓第一定律的過程中，對學(xué)生想象力的培養(yǎng)是應(yīng)當(dāng)重視的.為什么小車前進的距離越來越大，直至永遠運動下去，就能得出做勻速直線運動呢？在對慣性是“原來運動的物體具有保持原有速度做勻速直線運動的性質(zhì)”的理解中，學(xué)生的想象也是困難的.為幫助學(xué)生思維上實現(xiàn)“從路程到速度”的轉(zhuǎn)換，可以將學(xué)生做過的實驗，用頻閃照相的形式表達出來(如圖2).

圖2

物理老師都清楚，基本概念是很重要的，它是某種物理事物本質(zhì)的抽象.如果理解上有偏差，在物理規(guī)律、原理的得出及其應(yīng)用環(huán)節(jié)就會出問題.因此，辨析概念常被重視，但常常停留在文字上的辨析.概念是人們思維和認識水平的反映，是隨科學(xué)探究的深入而發(fā)展的.例如“力”和“運動狀態(tài)”，在亞里士多德的年代，有靜止和運動的概念，但沒有力的科學(xué)概念，他認為輕物上升和重物下落都是由物體的本性決定的，是“自然”運動，還有一種“強迫”運動，要使物體運動或維持運動必須有外界的作用.伽利略在研究時，已經(jīng)認識到速度、加速、減速等的意義，認識到水平面上摩擦是物體減速的原因，如果沒有摩擦，速度將保持不變.他推廣到如果物體不受外界的影響，它將繼續(xù)保持運動.伽利略、牛頓認為：亞里士多德用物體從靜止到運動的經(jīng)驗，得出沒有外界作用(力)物體就不會運動的結(jié)論，實質(zhì)上是沒有力物體就不會由靜止變?yōu)檫\動；同樣，亞里士多德用運動物體“不受力”的經(jīng)驗得出沒有力物體就不能維持運動的結(jié)論，實質(zhì)上是阻力使物體由減速直至靜止下來.在此基礎(chǔ)上，牛頓提出了一系列的概念，如力、運動狀態(tài)、運動狀態(tài)的改變、慣性等，用“運動狀態(tài)改變”概括了力作用的各種情況，總結(jié)出了牛頓運動定律.正是這些概念的建立，使規(guī)律和理論的描述更簡潔、體系的邏輯性更強.在教學(xué)中，我們應(yīng)當(dāng)讓學(xué)生了解相關(guān)的概念是怎樣來的，這樣才能更好理解概念的物理意義.我們可以用表格呈現(xiàn)亞里士多德和牛頓關(guān)于力、運動的概念(如表1)，請學(xué)生比較兩者有何區(qū)別.

表1

課堂上給學(xué)生一些問題和練習(xí)，應(yīng)將重點放在對物理意義的理解上，關(guān)注優(yōu)化學(xué)生的認知結(jié)構(gòu)，要更多地讓“解題”轉(zhuǎn)變?yōu)椤敖忉尅?，讓“選擇題”轉(zhuǎn)變?yōu)椤昂喆痤}”，讓“你知道了什么”轉(zhuǎn)變?yōu)椤澳闶窃鯓又赖摹?要多一些“原生態(tài)的問題”，不應(yīng)人為復(fù)雜化，力求符合學(xué)生的認知水平.例如，在聽課中，有老師提出這樣的問題：車廂里掛著一只小球，汽車停止后，小球來回擺動，在擺動過程中，哪點小球所受的二力平衡？這個題目考查學(xué)生對運動狀態(tài)的理解，許多學(xué)生選擇在最低點重力和拉力平衡.這個題目就比較好,使學(xué)生的錯誤觀點暴露出來了.另一個問題是：運動的車廂內(nèi)懸掛一只小球，小球偏向左側(cè)擺動，問車廂受力情況如何？這一問題的情景較復(fù)雜，考查的目標(biāo)沒有針對本章的基本概念和規(guī)律，學(xué)生不具備分析小球受力的知識和能力，超越了學(xué)生的認知水平.

3 在總結(jié)階段拓寬學(xué)生視野，促進其科學(xué)價值觀的升華

在復(fù)習(xí)課總結(jié)階段，應(yīng)當(dāng)突出如下兩方面的收獲：

(1) 通過本章的學(xué)習(xí)，增進了我們對自然界物體運動的認識，宇宙萬物都在運動中，運動是物體的常態(tài)，靜止只是相對狀態(tài)，運動不需要力來維持；力是物體運動狀態(tài)改變的原因，正因為有力的作用，自然界物體的運動才會多姿多彩，可展示賽車、過山車、擺鐘、火箭發(fā)射、太陽系、擴散現(xiàn)象等運動圖片或視頻，表明：大到宇宙天體，小至微觀粒子，一切物體都在運動中.

(2) 在本章學(xué)習(xí)中，我們了解了一種重要的科學(xué)方法，那就是“理想實驗”的方法.理想實驗不是真實的實驗，是一種頭腦中的實驗，是通過推理和想象來進行的.在我們進行的“探究阻力對物體運動的影響”實驗中，摩擦力小到一定程度，我們已經(jīng)無法實驗，靠頭腦想象：摩擦力越來越小，行程越來越長，最終摩擦消失，物體將永遠運動下去.實際上，當(dāng)支持板延展到相當(dāng)長時，它的另一端已經(jīng)高于水平面，如圖3所示，支持板就相當(dāng)于一個斜面，即便摩擦可以消除，由于重力的作用，物體也不可能永遠運動下去.但是，我們想象：不僅摩擦力消失，而且重力也不存在，即物體不受力的作用，它將永遠地運動下去.

圖3

理想實驗的方法對物理學(xué)的發(fā)展有開創(chuàng)性的意義，在科學(xué)探究中具有廣泛的遷移作用.例如，牛頓就曾設(shè)計了一個理想實驗，論證了地球與月球間的引力作用，并為現(xiàn)代人造衛(wèi)星成功運行奠定了理論基礎(chǔ).難怪“阿波羅”8號宇宙飛船從月球返回地球的途中，當(dāng)?shù)孛婵刂浦行膯柤啊罢l在駕駛”的時候，指令長回答說：“我想現(xiàn)在是牛頓在駕駛.”

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，有些“理想實驗”中想象的現(xiàn)象已經(jīng)可以呈現(xiàn)出來，例如，用氣墊導(dǎo)軌，輕推滑塊就可以看到滑塊近似做勻速直線運動；用超導(dǎo)軌道幾乎可以實現(xiàn)無摩擦的運動；在“天宮實驗室”中，也可以看到精彩的失重現(xiàn)象.但是科學(xué)探究永無止境，許多未發(fā)現(xiàn)的規(guī)律，人們還不能完全用觀察和實驗來得出，理想實驗體現(xiàn)了人類心智的結(jié)晶，仍將發(fā)揮重要的作用.

筆者在上面提出的一些案例，并非要大家模仿，只是為了說明讓課堂設(shè)計更能體現(xiàn)培養(yǎng)學(xué)生素養(yǎng)的觀念.蘇科版初中物理教材在每章的章后創(chuàng)設(shè)了一個新的欄目“小結(jié)與評價”，內(nèi)含兩部分：知識梳理、反思與評價.前者重在幫助學(xué)生梳理一章的知識，使學(xué)生的知識有一定的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并學(xué)習(xí)梳理知識的方法；后者提出了幾個問題，意在使學(xué)生認識知識由來，理解重要知識內(nèi)涵，提升其科學(xué)方法，拓展其科學(xué)視野，這為老師們提供了復(fù)習(xí)的新思路.著眼于提高學(xué)生的核心素養(yǎng)，老師們可以把它們作為一種教學(xué)資源，結(jié)合實際進行再創(chuàng)造.

[1] [美]阿特·霍布森.物理學(xué)：基本概念及其與方方面面的聯(lián)系[M].上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2001.

[2] 劉炳昇.物理教育的靈魂——科學(xué)理性與人文精神的融合[J].物理教學(xué)，2007，(10).

[3] 劉炳昇等.義務(wù)教育教科書 物理(八年級下冊)[M].南京:江蘇鳳凰科學(xué)技術(shù)出版社，2012.