程柱建

(江蘇省如皋市教育局教研室,江蘇 如皋 226500)

《普通高中物理課程標準(2017年版)》(以下簡稱《課標》)指出:物理學科核心素養(yǎng)主要包括“物理觀念”、“科學思維”、“科學探究”、“科學態(tài)度與責任”4個方面．這4個方面相互依賴、共同發(fā)展,物理觀念是基礎,科學思維是核心,科學探究是手段,科學態(tài)度與責任是必備品格．本文將在對物理觀念內(nèi)涵進行梳理的基礎上,通過具體的課例片段或試題案例,給出物理觀念教學與評價的建議．

1 物理觀念的教學

《課標》給出的關(guān)于物理觀念的課程目標為“形成物質(zhì)觀念、運動與相互作用觀念、能量觀念等,能用其解釋自然現(xiàn)象和解決實際問題”．物理觀念的教學需要通過一定的物理情境幫助學生形成物質(zhì)觀念、運動與相互作用觀念、能量觀念等,同時建構(gòu)有優(yōu)化結(jié)構(gòu)的物理知識系統(tǒng),強化學生將物理知識與實踐情境關(guān)聯(lián)的自覺性,能夠解釋自然現(xiàn)象和解決實際問題.簡單講,形成物理觀念、構(gòu)建知識體系、應用觀念解決問題是物理觀念的教學目標．物理觀念的形成和應用過程,是學生發(fā)展科學思維、科學探究能力的過程,也是形成科學態(tài)度與責任的過程．

建構(gòu)主義認為“知識不是通過教師傳授得到,而是學習者在一定的情境即社會文化背景下,借助其他人(包括教師和學習伙伴)的幫助,利用必要的學習資料,通過意義建構(gòu)的方式而獲得”．可見,建構(gòu)主義教學理論既強調(diào)了學生認知主體的作用,又注重為學生的學習創(chuàng)造支持性的環(huán)境．物理觀念具有作用形式的內(nèi)在性和穩(wěn)定性,學生的物理觀念一旦形成,就會對其后續(xù)學習產(chǎn)生影響,所以需要研究物理觀念的教學環(huán)節(jié),更好地促進學生形成正確的物理觀念．

1.1 創(chuàng)設情境

創(chuàng)設情境是做好物理觀念教學的基石,需要教師課前予以充分的設計與準備．

首先,在研究課程內(nèi)容和教材的基礎上,依據(jù)學生的學情和學業(yè)質(zhì)量水平要求確定教學內(nèi)容和目標．

其次,將教學內(nèi)容要點化,要點問題化．將教學要點的邏輯關(guān)系進行梳理,形成2～3個主要問題,以便于學生形成完整的知識結(jié)構(gòu)和體系．

最后,將問題情境化,情境體驗化．情境是指提供給學生的學習材料,包括閱讀材料、實驗器材、多媒體資源、游戲方案等.這些材料要豐富多彩、充滿趣味,有助于學生物理觀念和思維的生成．體驗指提供的學習材料要注重聯(lián)系自然界、社會生活,盡可能應用物理實驗的方法增強學生的實踐意識．

在情境中呈現(xiàn)的系列問題是指通過學生對所提供的材料進行學習以后需要思考和解決的問題．所有的問題要基于學生的已有知識和真實存在的問題展開,設計要有思考性,指向要明確,答案可以是文字、圖像、實驗現(xiàn)象等.答案文字量不宜太大,要便于學生在課堂上展示,同時問題要有梯度,問題的結(jié)構(gòu)提倡是不良的.這樣有助于學生逐步地建構(gòu)相關(guān)的概念或規(guī)律,不斷改善、發(fā)展自己的認知結(jié)構(gòu)．

課例片段1： “速度”概念的教學.

(1) 我們處在一個運動的世界中,物體運動的快慢往往是不相同的．閱讀表1,回答相關(guān)問題．

表1 4個物體的運動數(shù)據(jù)

① 將4個物體的位移填入表中．

② 自行車和汽車誰運動得快,為什么?

③ 汽車和飛機誰運動得快,為什么?

④ 汽車和火車誰運動得快,為什么?

(2) 位移與發(fā)生這個位移所用時間的比值就是速度．

① 根據(jù)這個定義,可以寫出速度的定義式v=________．

② 速度的國際單位是m/s,讀成________．

③ 速度是矢量,方向由________決定．

④ 速度是比值定義的物理量．所謂比值定義法,就是用兩個基本的物理量的“比”來定義一個新的物理量的方法．一般地,比值法定義的基本特點是被定義的物理量往往是反映物質(zhì)的最本質(zhì)的屬性,它不隨定義所用的物理量的大小取舍而改變．“位移Δx越大,速度v越大”的說法對嗎?為什么?

課例片段2：奧斯特效應的教學.

磁體周圍存在磁場,電流周圍存在磁場嗎?1812年,丹麥物理學家奧斯特就有了電磁之間是統(tǒng)一的想法,并做了大量實驗．

實驗器材:導線若干,小磁針1個,電源1個,開關(guān)1個.

實驗步驟:

(1) 當時人們見到的力都沿著物體連線的方向,即都是所謂“縱向力”．受這個觀念的局限,奧斯特總是把磁針放在導線的延長線上．做一做該實驗,觀察小磁針是否發(fā)生轉(zhuǎn)動．

(2) 1820年4月,在一次講課中,奧斯特偶然地把導線沿南北方向放置在一個帶玻璃罩的指南針的上方,通電時磁針轉(zhuǎn)動了,終于發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(法國著名思想家、數(shù)學家笛卡爾說過:機遇總是垂青那些有準備的人)．

① 根據(jù)圖1、圖2中的電流方向做一做這個實驗,觀察小磁針的偏轉(zhuǎn)方向,在圖中畫出小磁針兩極的轉(zhuǎn)動方向,并解釋實驗現(xiàn)象的原因．

圖1 模擬奧斯特實驗

圖2 模擬奧斯特實驗

② 力是改變物體運動狀態(tài)的原因．你認為小磁針兩極受到的力沿什么方向?

③ 如果將通電導線沿東西方向放置在小磁針的上方,請猜想會觀察到什么現(xiàn)象?并利用實驗驗證你的設想．

物理學是一門以實驗為基礎的學科,許多物理觀念就是在大量實驗的基礎上總結(jié)出來的規(guī)律,教學中盡可能提供學生動手實驗的機會．雖然教材編寫時考慮了學校教學的一般性,所涉及的實驗是所有學校有條件開展的,但是教師可以根據(jù)學校的實際實驗條件改進實驗教學．磁場是客觀存在的物質(zhì),但是看不見、摸不著,怎么辦?電流和磁場之間有沒有內(nèi)在的、必然的聯(lián)系?這需要在教學中幫助學生形成正確的物質(zhì)觀．同時,學生形成物理觀念往往與歷史的形成過程有一致性,會大致重演歷史上所犯的錯誤,即“重演律”．結(jié)合物理學史進行教學,讓學生知道人們有時會通過提出并檢驗假設來解決問題和形成觀念,教學中可以突出物理學家產(chǎn)生新觀念的原因、過程、思維方法,甚至失敗的做法.這樣不僅有利于學生克服片面認識、防止形成錯誤觀念,而且可以讓學生學到物理學家思考問題和解決問題的方法以及正確的科學態(tài)度和責任．課例中的第(3)個問題的實驗現(xiàn)象是小磁針不轉(zhuǎn)動,因為小磁場受到的力沿小磁針南北極連線方向.這種方向的力不能使小磁針轉(zhuǎn)動,通過這個問題的解決可以促進學生利用相關(guān)作用與運動觀念解釋實驗現(xiàn)象．

1.2 學習交流

課堂是學生學習的主陣地,可以將學生合理地分成若干個學習小組,并積極創(chuàng)設良好的、有利于師生共創(chuàng)共生、合作交往和意義建構(gòu)的外部學習環(huán)境．

課堂教學中,教師可以合理利用多種教學方式．首先讓學生根據(jù)學習材料自主學習或探究學習,嘗試獨立地分析和解決問題．其次,在自主學習或探究學習的基礎上開展合作學習或有意義地接受學習．要加強學生學習成果的交流與展示,多問幾個“為什么”,增強學生的證據(jù)意識．教師在課堂教學中要堅持學生的主體地位,將第一思考時間、第一體驗過程、第一表達機會、第一認知反思留給學生．

課例片段3：地球同步衛(wèi)星的教學.

地球同步衛(wèi)星是相對于地面靜止的衛(wèi)星,又稱對地靜止衛(wèi)星．衛(wèi)星運行在地球同步軌道上,距離地心的距離約為4.24×104km,距離地球的高度約為3.6×104km,衛(wèi)星的運行方向與地球自轉(zhuǎn)方向相同、運行軌道為位于地球赤道平面上圓形軌道、運行周期與地球自轉(zhuǎn)1周的時間相等,即24 h,衛(wèi)星在軌道上的繞行速度約為3.1 km/s,其運行角速度等于地球自轉(zhuǎn)的角速度．若把3顆地球同步衛(wèi)星,相隔120°均勻分布,衛(wèi)星的直線電波將能覆蓋全球有人居住的絕大部分區(qū)域(除兩極以外),可構(gòu)成全球通訊網(wǎng)．

(1) 根據(jù)以上材料,填寫下面的“六個一定”表2.

表2 地球同步衛(wèi)星的“六個一定”

圖3 人造地球衛(wèi)星分布圖

(2) 圖3為當前人造地球衛(wèi)星分布圖,你能識別出地球同步軌道嗎?

圖4 3個不同位置的衛(wèi)星

(3) 如圖4所示,A為地面上的待發(fā)射衛(wèi)星,B為近地圓軌道衛(wèi)星,C為地球同步衛(wèi)星．

①________和________都是萬有引力提供向心力,可用“一定四定”,即r越大,v、ω、an、g′________(選填“越大”或“越小”),T________(選填“越大”或“越小”);________是萬有引力的分力提供向心力,不可用“一定四定”．

②________和________周期和角速度相同,可通過v=________和an=________比較兩者的線速度和向心加速度的大小．

③ 設3顆衛(wèi)星質(zhì)量相同,3顆衛(wèi)星的線速度大小分別為vA、vB、vC,角速度大小分別為ωA、ωB、ωC,周期分別為TA、TB、TC,向心加速度分別為aA、aB、aC,則

(A)ωA=ωC<ωB. (B)TA=TC

(C)vA=vCaB.

圖5 用圓錐擺驗證向心力表達式的實驗示意圖

課例首先呈現(xiàn)了有關(guān)地球同步衛(wèi)星的材料,然后學生根據(jù)材料填寫和計算描述同步衛(wèi)星的6個方面的特征或物理量,接著再從眾多的衛(wèi)星圖片中去尋找同步衛(wèi)星,并讓學生交流各自的證據(jù).這樣的教學設計與直接讓學生記憶規(guī)律相比,有利于學生形成物理觀念．根據(jù)刺激-反應心理學,如果兩個事件反復同時呈現(xiàn),它們之間會形成一種聯(lián)想．[1]材料中的“其運行角速度等于地球自轉(zhuǎn)的角速度”,第3個問題中“地面上的待發(fā)射衛(wèi)星A”,不斷地將地球同步衛(wèi)星與地球自轉(zhuǎn)周期的聯(lián)系進行著強化．另外,通過3顆衛(wèi)星受力特征的不同,將學生錯用結(jié)論的行為進行了去強化．

課例片段4：(實驗)用圓錐擺粗略驗證向心力的表達式.

(1) 思考實驗原理．

閱讀教材,思考并討論:如何利用圓錐擺模型(如圖5所示)驗證向心力表達式的正確性?

(2) 討論實驗方案．

① 請對小球進行受力分析,寫出小球所受的合力表達式,并根據(jù)設計的實驗方案推導出最終需要驗證的表達式．

② 實驗過程中需要測量哪些物理量?

③ 用秒表測量周期時,如何測量可以減小誤差?

④ 同心圓紙放置有何要求?如何測量小球做圓周運動的半徑?觀察小球位置時眼晴應如何看?

⑤ 如何讓小球盡可能做勻速圓周運動?

(3) 記錄處理數(shù)據(jù)．

(4) 得出實驗結(jié)論．

“探究向心力大小與半徑、角速度、質(zhì)量的關(guān)系”實驗為《課標》中新增加的學生必做實驗．該實驗最大的問題是如何讓小球盡可能做勻速圓周運動?對這個問題的突破,需要學生利用運動和相互作用觀念來思考,即如何施加力的問題．學生之間的交流碰撞出了思維的火花,大致形成了3種可行方案: ① 推動法:將繩子拉直,輕推小球,讓它做圓周運動;② 繩子帶動法:用手捏住緊靠懸點下方的繩子,輕輕轉(zhuǎn)動手腕,帶動小球做圓周運動;③ 圓盤帶動法:將畫有同心圓的白紙貼在一個圓盤上,小球靜止時在圓心處,此時繩子稍松弛,然后用電機帶動圓盤勻速轉(zhuǎn)動,圓盤再帶動小球做圓周運動,小球離開圓盤后做的就是勻速圓周運動．

1.3 反思完善

在注重概念、規(guī)律教學的基礎上,還要注意將這些概念規(guī)律適時加以提升,逐步形成正確的物理觀念．[2]教學中,必須使學生理解概念的內(nèi)涵,了解概念的外延,了解概念與有關(guān)概念的聯(lián)系和區(qū)別,懂得研究物理規(guī)律的方法,理解物理規(guī)律的物理意義,明確物理規(guī)律的適用條件,認清所研究的物理規(guī)律與有關(guān)的物理概念和物理規(guī)律之間的關(guān)系,所以課堂上需要留給學生一定的時間用以整合或重組與改造自己原有的認知結(jié)構(gòu)．

圍繞物質(zhì)、運動、相互作用、能量這些核心概念,學生從初中開始就陸陸續(xù)續(xù)學習了不少概念和規(guī)律,它們有進階性和系統(tǒng)性．為了幫助學生深刻地理解知識,提煉物理觀念,有效地解決問題,還需要在教學過程適時地幫助學生構(gòu)建知識體系．例如,能量觀念是通過逐漸學習動能、重力勢能、彈性勢能、機械能、電勢能、波傳播或攜帶能量、分子勢能、內(nèi)能、核能及能量轉(zhuǎn)化與守恒等而逐漸形成和發(fā)展的．

課例片段5：選用合適的運動學公式解決問題.

勻變速直線運動公式中共涉及5個物理量:v0、v、a、t和x,公式的選用可參考表3所列方法.

表3 勻變速直線運動公式的選用

以上4個公式都是矢量式,直線運動可以用正、負號表示矢量的方向．一般情況下,規(guī)定初速度的方向為正方向,與初速度同向的物理量取正值,反向的物理量取負值．當v0=0時,一般以a的方向為正方向．

請選用合適的公式解決下面的問題:汽車由靜止出發(fā)做勻加速直線運動,用10 s時間通過一座長140 m的橋,過橋后汽車的速度是16 m/s．求:

(1) 它剛上橋頭時的速度是多大?

(2) 橋頭與出發(fā)點之間的距離是多大?

學生學習了幾個運動學公式后,頭腦中比較混亂,本課例的設計可以讓學生了解4個運動學公式使用的最佳條件,形成關(guān)于勻變速直線運動規(guī)律的知識體系,從而在遇到具體問題時可以輕松選擇適合的公式進行解題,提升解題速度和正確率．

1.4 應用遷移

在學生形成物理觀念后,需要及時給他們提供應用觀念解決問題的機會．通過解決具體問題,學生可以鞏固、深化和活化對相關(guān)概念和規(guī)律的理解,可以體悟分析問題和解決問題的思路和方法,提升問題解決能力,認識物理學的價值與社會、生活、科技、環(huán)境間的聯(lián)系．

課例片段6：自由落體運動規(guī)律的應用.

日常工作中,有時需要人們反應靈敏,對于戰(zhàn)士、駕駛員、運動員等更是如此．從發(fā)現(xiàn)情況到采取相應行動經(jīng)過的時間叫反應時間．

(1) 請和鄰近的一位同學合作測出自己的反應時間．

操作方法:如圖6所示,圖甲中A握住尺的上端,B在尺的下部做握尺的準備(但不與尺接觸),當看到A放開手時,B立刻握住尺．若B做握尺準備時,手指位置如圖乙所示,而握住尺時的位置如圖丙所示,通過尺的下落高度可以計算反應時間．

圖6 用直尺測量反應時間

(2) 你和圖中的B同學誰的反應時間短?定性比較時需要計算出B同學的反應時間嗎?

(3) 某學生把“刻度尺”改造成“反應時間尺”,可以直接讀出反應時間．“反應時間尺”上的時間標度均勻嗎?

課例通過反應時間的測量與比較,不僅引導學生在體驗中應用自由落體運動的規(guī)律,同時拓展了物理與生活、社會之間的認識．課例中,反應時間的比較可以根據(jù)自由落體運動的位移公式,轉(zhuǎn)化為比較尺下落的高度.這樣的問題可以增強學生靈活解決問題的意識．學生生活中所見的測量儀器的刻度一般都是均勻的,如刻度尺、彈簧秤、電流表刻度盤等,課例中自制“反應時間尺”上不均勻的刻度,可以讓學生產(chǎn)生認知沖突,轉(zhuǎn)化前概念,為以后歐姆表的教學奠定基礎．

當然,不是所有物理觀念的教學均需要有以上的4個環(huán)節(jié)．例如,當學生通過閱讀教材就能很容易地“同化”某個概念時,教學中可以直接設置問題情境,讓學生應用此概念解決相關(guān)問題．

2 物理觀念的評價

評價是為了改進教師教學和促進學生學習,并最終提升學生的物理核心素養(yǎng)．

2.1 質(zhì)量水平

根據(jù)學生在不同復雜程度情境中運用重要概念、思維、方法和觀念等解決問題的關(guān)鍵特征,《課標》的“學業(yè)質(zhì)量”部分將核心素養(yǎng)的4個方面劃分了5級水平,關(guān)于“物理觀念”的5級水平描述如表4所示．[3]

從“初步了解”“了解”“理解”“清晰、系統(tǒng)地理解”等用詞,各級學業(yè)質(zhì)量水平循序漸進,學業(yè)質(zhì)量水平2是學業(yè)水平合格考試的命題依據(jù),水平4是用于高校招生錄取的學業(yè)水平等級性考試的命題依據(jù),水平5為高校自主招生的要求．布魯姆教育目標分類學的認知過程的有6個維度:記憶(回憶)、理解、應用、分析、評價和創(chuàng)造．[4]學業(yè)質(zhì)量水平1～2大致與記憶(回憶)和理解對應,水平3～4大致與應用、分析和評價相對應,水平5大致與創(chuàng)造相對應．

表4 “物理觀念”的5級水平

2.2 評價方式

《課標》指出日常學習評價通常有4種方式:課堂問答、書面評語、自我評價和同伴評價、階段性測試．[5]

課堂問答、自我評價和同伴評價主要發(fā)生在課堂教學中的“學習交流“、“反思完善”、“應用遷移”環(huán)節(jié),是發(fā)生在教師與學生、學生與學生和學生自己(元認知)之間的定性的過程性評價,正面積極的評價有助于學生學習潛能的開發(fā)．

書面評語是教師利用評語對學生書面作業(yè)進行的過程性評價,可具體說明學生的進步、存在的問題或努力的方向．書面評語能讓學生感受到教師對他的幫助和關(guān)心．

階段性測試是為了解學生經(jīng)過一個階段學習之后的學習水平與存在的問題．測試試題的命制要圍繞課程內(nèi)容和學業(yè)質(zhì)量要求的規(guī)定,科學、有效地反映出學生的水平．

2.3 試題案例

試題的探究性和情境性可以有效了解和探知學生物理觀念的質(zhì)量水平．[6]

圖7 裝置圖

試題案例：如圖7所示,將一質(zhì)量為m的可視為質(zhì)點的物塊放到傾角為θ的光滑木板上,物塊距木板底端的水平距離為L．已知重力加速度為g,求:

(1) 物塊從靜止開始運動到木板底端時的速度大小;

(2) 為使物塊與木板相對靜止,請分別設計出物塊在水平面內(nèi)做不同軌跡運動的兩種方案(需要根據(jù)題設條件求出相應情境下物塊運動的1～2個物理量)．

測試類型： 學完《課標》必修2“曲線運動與萬有引力定律”主題之后的階段性測試.

測試目標： 第(1)問達到物理觀念質(zhì)量水平2的要求,主要考查物理學科核心素養(yǎng)中“物理觀念”的運動與相互作用觀念和“科學思維”中的模型建構(gòu)．學生要能從物理情境中構(gòu)建物體做勻加速直線運動的模型,利用相互作用與運動的知識解決問題．第(2)問達到物理觀念質(zhì)量水平4的要求,主要考查物理學科核心素養(yǎng)中“物理觀念”的運動與相互作用觀念和“科學思維”中的模型建構(gòu)和科學論證能力．學生要能根據(jù)問題情境構(gòu)建運動的模型,并能運用證據(jù)描述運動模型．

參考答案：

(2) 方案1:做直線運動時,物塊與木板具有向左的共同加速度,由物塊受力分析得加速度大小為a=gtanθ,物塊與木板一起以a=gtanθ向左做勻加速直線運動．

問題拓展： 教師講評試題之后,鼓勵學生從不同角度思考問題．例如增加設問:“如無水平面的限制,為使物塊與木板相對靜止,還可以設計出哪些運動方案?”,強化學生的運動與相互作用觀念,培養(yǎng)學生的質(zhì)疑創(chuàng)新能力．