杜曉賀 倪 敏 郭強(qiáng)友 楊 陽(yáng)

(上海師范大學(xué)數(shù)理學(xué)院 上海 200234)

近兩年中學(xué)物理教學(xué)中關(guān)于物理學(xué)科核心素養(yǎng)的討論熱度越來(lái)越高，由普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)我們知道物理學(xué)科核心素養(yǎng)包括科學(xué)思維、物理觀念和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任等.科學(xué)思維也就是要求學(xué)生將他們所熟悉的實(shí)際問(wèn)題中的對(duì)象和過(guò)程轉(zhuǎn)換成物理模型，具有問(wèn)題意識(shí)，從不同角度思考物理問(wèn)題；物理觀念層面要求學(xué)生能從物理學(xué)的視角正確地描述和解釋自然現(xiàn)象，能靈活運(yùn)用所學(xué)物理知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題；科學(xué)態(tài)度與責(zé)任層面要求學(xué)生有學(xué)習(xí)和研究物理的內(nèi)在動(dòng)機(jī)，能與他人合作[1].本文在解讀核心素養(yǎng)的基礎(chǔ)上，分析了常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中容易忽視的核心素養(yǎng)培養(yǎng)因素，并以DIS簡(jiǎn)單邏輯電路為例，提出了核心素養(yǎng)指導(dǎo)下的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改進(jìn)策略.

1 常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中忽視了核心素養(yǎng)的培養(yǎng)

1.1 物理觀念的培養(yǎng)意識(shí)淡薄

(1)最近這幾年我國(guó)高中物理教材按照課程標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行了很多次改革，加入了很多貼合生活實(shí)踐的知識(shí)，但高考那一張?jiān)嚲砣匀幻獠涣艘曰A(chǔ)理論知識(shí)等記憶性內(nèi)容為考查的主體，所以在高考試卷的導(dǎo)向作用下，上到教師下到學(xué)生都還是注重記憶基礎(chǔ)理論知識(shí)而很少注意科學(xué)物理觀念的形成和應(yīng)用[2].而且有很多學(xué)生從小就聽說(shuō)物理這門課難度高，從心理上就對(duì)物理沒(méi)有好感，其實(shí)物理學(xué)有很多與生活實(shí)踐的融合，有很多接地氣的知識(shí)，但是學(xué)生們帶著對(duì)物理的疏離感就沒(méi)法接觸到物理知識(shí)的本質(zhì)，沒(méi)有辦法形成正確的物理觀念.

(2)很多教師為了追趕教學(xué)進(jìn)度，為了更快速地把知識(shí)傳授給學(xué)生，他們甚至不帶領(lǐng)學(xué)生做實(shí)驗(yàn)，而是在多媒體上進(jìn)行演示，并且提前告知學(xué)生實(shí)驗(yàn)步驟，注意事項(xiàng)[3].這樣學(xué)生不可能得到很好的物理觀念的訓(xùn)練.

1.2 科學(xué)思維的培養(yǎng)力度不夠

(1)應(yīng)付高考考試仍舊是學(xué)校教學(xué)的重點(diǎn)，這也就使得高中物理教學(xué)中對(duì)于物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的投入相對(duì)較少，這也就造成學(xué)校在高中物理實(shí)驗(yàn)室建設(shè)以及實(shí)驗(yàn)設(shè)施的購(gòu)置投入較少，導(dǎo)致許多實(shí)驗(yàn)器械已經(jīng)無(wú)法被再次投入使用，無(wú)法讓每個(gè)學(xué)生都在實(shí)驗(yàn)課上有操作的機(jī)會(huì)，這些問(wèn)題的長(zhǎng)期存在使得高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效性變得非常低下，也就沒(méi)有辦法讓學(xué)生很好地感受物理實(shí)驗(yàn)，體驗(yàn)科學(xué)思維.

(2)教師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中沒(méi)有做到層層遞進(jìn)、循序漸進(jìn)、由淺入深地提出好問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生自主探索，啟發(fā)學(xué)生思維.問(wèn)題不可太過(guò)跳躍，每個(gè)問(wèn)題都要讓學(xué)生夠得著，讓學(xué)生在問(wèn)題的解答中獲得成就感，然后趁熱打鐵，層層深入.我們知道學(xué)生們愛(ài)玩游戲，因?yàn)楹芏嘤螒驎?huì)設(shè)置豐富的激勵(lì)措施，在學(xué)生一步一步完成任務(wù)后會(huì)很有成就感，我們?cè)诮虒W(xué)中也可以借鑒這種模式，合理地設(shè)置問(wèn)題并多多鼓勵(lì)學(xué)生，讓學(xué)生在高效率的持續(xù)學(xué)習(xí)中增強(qiáng)科學(xué)思維.

1.3 科學(xué)態(tài)度的培養(yǎng)不受重視

(1)很多時(shí)候教師提問(wèn)是一連叫起很多學(xué)生反復(fù)提問(wèn)同一問(wèn)題，只因?yàn)閷W(xué)生所回答的不是教師心目中的“理想答案”，久而久之，學(xué)生們也知道了老師只是想聽到教科書上所寫的“標(biāo)準(zhǔn)答案”，進(jìn)而照本宣科讀出書中原文，失去了表達(dá)各種觀點(diǎn)的熱情，以學(xué)生為主體的思想形同虛設(shè)，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)物理課程和物理知識(shí)越來(lái)越疏離，失去興趣.

(2)在教學(xué)中學(xué)生可能會(huì)問(wèn)與門、非門和或門內(nèi)部電流的流向是怎樣的？?jī)?nèi)部電路構(gòu)造是怎樣的？實(shí)際上因?yàn)檫壿嬰娐吩?nèi)部電路不同于普通直流電路，中學(xué)階段沒(méi)辦法給學(xué)生們完全說(shuō)明，使他們透徹理解.而有的教師為了追趕教學(xué)進(jìn)度或者自己對(duì)邏輯電路的認(rèn)識(shí)不夠全面，會(huì)給學(xué)生畫出近似的邏輯門內(nèi)部的直流電路，其實(shí)這容易對(duì)學(xué)生造成誤導(dǎo).邏輯電路涉及到二極管、三極管、CMOS芯片等知識(shí)，可以在教學(xué)設(shè)計(jì)的過(guò)程中加以思考，適當(dāng)滲透.

2 核心素養(yǎng)指導(dǎo)下的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改進(jìn)策略

2.1 注重物理觀念的培養(yǎng)

引導(dǎo)學(xué)生形成物理觀念，從物理學(xué)的視角描述所看到的、所感受到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.在簡(jiǎn)單邏輯電路這一節(jié)實(shí)驗(yàn)課中，學(xué)生由于對(duì)相關(guān)知識(shí)不夠了解，會(huì)對(duì)與門、非門和或門內(nèi)部電路的形態(tài)產(chǎn)生疑問(wèn)，學(xué)生會(huì)延續(xù)以往的直流電路的分析模式，問(wèn)老師這些元件內(nèi)部電流怎么流？元件內(nèi)部到底是什么樣的電路形態(tài)讓它能夠控制燈的亮滅，控制鈴響與不響？

其實(shí)邏輯電路知識(shí)對(duì)高中生來(lái)說(shuō)是一種新的抽象的物理知識(shí)，邏輯電路強(qiáng)調(diào)的是邏輯狀態(tài)，邏輯門元件的輸入和輸出都是用兩種邏輯狀態(tài)來(lái)表示，也就是“0”和“1”，開關(guān)的斷開和閉合，燈的亮和滅，鈴響與不響都對(duì)應(yīng)的是這兩種邏輯狀態(tài).這就要求學(xué)生把實(shí)際生活中的種種表象經(jīng)過(guò)分析之后抽象成兩種邏輯狀態(tài)，而邏輯門元件就是一個(gè)處理輸入的邏輯狀態(tài)并得到特定邏輯狀態(tài)的裝置，而不要去想邏輯門內(nèi)部電路是什么.教師應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生去理解這是一種黑箱的思想觀念，黑箱思想讓我們?cè)诜治鰡?wèn)題時(shí)忽略無(wú)關(guān)的表象，忽略局部的無(wú)關(guān)的復(fù)雜系統(tǒng)而從整體上把握問(wèn)題的本質(zhì).

當(dāng)然，我們要鼓勵(lì)學(xué)生發(fā)問(wèn)，鼓勵(lì)學(xué)生刨根問(wèn)底，有的學(xué)生對(duì)邏輯門內(nèi)部電路構(gòu)造感到好奇，所以教師可以給有興趣有精力的學(xué)生滲透二極管、三極管、CMOS芯片、集成電路等邏輯電路的有關(guān)知識(shí)，這些知識(shí)都是以“0”和“1”這兩種邏輯狀態(tài)作為基礎(chǔ)的，學(xué)生經(jīng)過(guò)教師的引導(dǎo)和自我查閱資料也會(huì)加深對(duì)這種抽象邏輯思維的理解，形成正確的物理觀念.我們也可以通過(guò)學(xué)生們熟知的直流電路來(lái)模擬邏輯電路的邏輯關(guān)系，使學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)加深理解，如表1所示，但要強(qiáng)調(diào)這是對(duì)邏輯關(guān)系的模擬，不是真實(shí)的電路，以免對(duì)學(xué)生造成誤導(dǎo).

表1 3種基本邏輯門

在有了正確的物理觀念的基礎(chǔ)上，教師可以引導(dǎo)學(xué)生體驗(yàn)生活中的邏輯電路應(yīng)用，比如車門報(bào)警器的應(yīng)用，如圖1所示為簡(jiǎn)單的車門報(bào)警電路圖，圖中的兩個(gè)按鈕開關(guān)S1和S2分別裝在汽車的兩道門上，如果兩車門均已關(guān)好，那么跟兩車門對(duì)應(yīng)的開關(guān)S1和S2均閉合，即輸入邏輯均為“0”，那么輸出也是邏輯“0”，電流不通過(guò)發(fā)光二極管，這時(shí)發(fā)光二極管不會(huì)發(fā)光報(bào)警;只要其中任何一個(gè)車門打開時(shí)，S1或S2就處于斷開狀態(tài)，即輸入為邏輯“1”，那么輸出也是邏輯“1”，這時(shí)就有電流通過(guò)發(fā)光二極管，使其發(fā)光報(bào)警.這一實(shí)驗(yàn)可以作為演示實(shí)驗(yàn)，教師通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)加深學(xué)生對(duì)“0”和“1”這兩種邏輯狀態(tài)的認(rèn)知.在學(xué)生理解了這兩種邏輯狀態(tài)之后，教師可以進(jìn)一步發(fā)問(wèn)：“我們知道，汽車一般有4扇門，那么我們?cè)鯓痈难b電路可以讓報(bào)警器能為全部4扇車門報(bào)警？”在這個(gè)過(guò)程中使學(xué)生能很好地體會(huì)物理知識(shí)與生活實(shí)踐的融合，成功地運(yùn)用所學(xué)的抽象知識(shí)解決具象的實(shí)際問(wèn)題，能有效指導(dǎo)工作和生活實(shí)踐，而不是機(jī)械地記憶基礎(chǔ)理論知識(shí)，從而打造良好的物理觀念.

圖1 車門報(bào)警電路圖

2.2 創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境 培養(yǎng)科學(xué)思維

教師要做好精心的教學(xué)設(shè)計(jì)，要營(yíng)造一個(gè)良好的課堂氛圍，調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性，創(chuàng)設(shè)與知識(shí)聯(lián)系緊密的教學(xué)情境，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，在實(shí)驗(yàn)中培養(yǎng)學(xué)生的物理思維.邏輯電路的知識(shí)抽象程度比較高，所以為了增強(qiáng)學(xué)生的興趣以及加強(qiáng)學(xué)生對(duì)該部分知識(shí)的理解，教師要盡可能地將抽象的邏輯聯(lián)系到生活實(shí)際，將生活中常見的事物、學(xué)生熟悉的情境、學(xué)生感興趣的東西與物理知識(shí)相聯(lián)系，用物理知識(shí)來(lái)解決生活中的問(wèn)題，學(xué)以致用.

另外，從課堂教學(xué)的反饋來(lái)看，中學(xué)生群體除了少數(shù)特別有天賦的學(xué)生以外，大多數(shù)學(xué)生都比較缺乏在獨(dú)立狀態(tài)下自主進(jìn)行完整的實(shí)驗(yàn)探究的能力，他們需要教師適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)和啟發(fā).在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，既不能把實(shí)驗(yàn)方案、操作步驟直接拋給學(xué)生讓學(xué)生進(jìn)行機(jī)械的實(shí)驗(yàn)操作，也不能沒(méi)有任何參考資料和問(wèn)題的引導(dǎo)而使學(xué)生閉門造車.而且設(shè)置的問(wèn)題要由淺入深，讓學(xué)生有能力回答，并且在一步一步加深理解中，獲得成就感.

比如在學(xué)生了解了邏輯門的基本知識(shí)后，嘗試用邏輯電路來(lái)設(shè)計(jì)樓道燈的方案，教師用小區(qū)中樓道燈的短片作引入之后，接下來(lái)告知學(xué)生可以用手中的器材親自做出一個(gè)樓道燈，然后進(jìn)行引導(dǎo)，問(wèn)學(xué)生樓道燈要滿足什么條件，什么時(shí)候亮？什么時(shí)候滅呢？通過(guò)自身生活經(jīng)驗(yàn)和觀看短片，學(xué)生可以答出樓道燈白天保持熄滅狀態(tài)，而夜晚有聲音時(shí)燈亮.接下來(lái)要引導(dǎo)學(xué)生將燈的亮暗，聲音的有無(wú)，黑天白天的狀態(tài)抽象成兩種邏輯狀態(tài)“0”和“1”.黑天白天可以用光敏電阻元件的有光無(wú)光狀態(tài)來(lái)表示，有光時(shí)為高電位“1”狀態(tài)，無(wú)光時(shí)為“0”狀態(tài)[4]；聲音傳感器元件有聲時(shí)為高電位“1”狀態(tài)，無(wú)聲時(shí)為“0”狀態(tài)；燈亮為“1”，燈滅為“0”.根據(jù)之前的分析，可以引導(dǎo)學(xué)生得到表2所示的真值表.

表2 樓道燈邏輯真值表

由表2可以看出，只有同時(shí)滿足無(wú)光和有聲條件，燈才會(huì)亮，這符合與門的特性，所以燈要作為與門的輸出端，要通過(guò)與門與其他元件相連接，聲和光元件作為與門的輸入端.而且只要有光燈就不亮，符合非門的邏輯特性，所以光敏電阻元件要連接一個(gè)非門.連接好的電原理圖和實(shí)物圖分別如圖2及圖3所示.

圖2 電原理圖

圖3 實(shí)物圖

電路連接好之后，教師可以通過(guò)設(shè)置問(wèn)題來(lái)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步思考，比如把光敏電阻元件的特性換成有光時(shí)為低電位“0”狀態(tài)，無(wú)光時(shí)為“1”狀態(tài)，這種情況下又該如何設(shè)計(jì)電路呢？引導(dǎo)學(xué)生從不同角度審視檢驗(yàn)物理結(jié)論，用不同方式分析解決物理問(wèn)題，加深對(duì)物理問(wèn)題本質(zhì)的理解，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展.

2.3 教學(xué)中滲透科學(xué)態(tài)度

培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度也就是要讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到物理研究是一項(xiàng)對(duì)知識(shí)進(jìn)行抽象的創(chuàng)造性工作，要有學(xué)習(xí)和研究物理的興趣和動(dòng)機(jī).所以教師要聯(lián)系生活實(shí)際引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣和動(dòng)機(jī).比如當(dāng)前正值中美貿(mào)易戰(zhàn)的時(shí)期，美國(guó)控制尖端科技例如高端芯片技術(shù)的輸出，給中國(guó)的發(fā)展帶來(lái)很多困難，而我們所學(xué)習(xí)的邏輯電路知識(shí)是集成電路芯片技術(shù)的基礎(chǔ)，所以我們的學(xué)習(xí)是很有意義的.如果學(xué)生對(duì)集成電路基礎(chǔ)知識(shí)感興趣，教師可以適當(dāng)?shù)亟o學(xué)生介紹二極管和邏輯電路的聯(lián)系等基礎(chǔ)知識(shí)，這一部分知識(shí)時(shí)要先簡(jiǎn)單介紹半導(dǎo)體中P-N結(jié)的單向?qū)щ娦裕龠M(jìn)一步介紹二極管的單向?qū)щ娦匀鐖D4所示，最后結(jié)合電原理圖展示二極管構(gòu)成的邏輯門電路，如圖5所示是二極管構(gòu)成的與門電路[5].

圖4 二極管導(dǎo)電特性圖

圖5 與門電路

通過(guò)以上知識(shí)內(nèi)容的補(bǔ)充，學(xué)生對(duì)邏輯電路知識(shí)的理解會(huì)更加透徹.另一方面，師生交流中除了交流的內(nèi)容之外，表達(dá)方式也很關(guān)鍵，表達(dá)方式的合理與否很大程度上影響學(xué)生的學(xué)習(xí)效果.中學(xué)生普遍對(duì)物理這樣的理科科目興趣不是很大，所以教師自身要善于表達(dá)積極樂(lè)觀的情緒，加強(qiáng)語(yǔ)言的抑揚(yáng)頓挫強(qiáng)弱變化、表情情緒的傳達(dá)、動(dòng)作手勢(shì)的控制，來(lái)帶動(dòng)、鼓舞學(xué)生的情緒，引導(dǎo)學(xué)生的興趣.

3 總結(jié)

核心素養(yǎng)與物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的結(jié)合需要注意以下幾點(diǎn)：

(1)物理觀念和科學(xué)思維是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的關(guān)鍵內(nèi)容，教師在進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)要多下苦功，創(chuàng)設(shè)合理的學(xué)習(xí)情境，設(shè)置恰當(dāng)?shù)膯?wèn)題引導(dǎo)學(xué)生做實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的物理觀念和科學(xué)思維.

(2)教師應(yīng)該不斷完善自身的專業(yè)素養(yǎng)，對(duì)每個(gè)物理概念精準(zhǔn)理解，精益求精.比如在DIS簡(jiǎn)單邏輯電路實(shí)驗(yàn)中，邏輯門的輸入端和輸出端不宜使用電壓一詞，應(yīng)該用電勢(shì)、電位等代替，避免學(xué)生因?yàn)殡妷罕硎倦妱?shì)差而在電路分析中去尋找這個(gè)差值，誤入歧途[6].

(3)學(xué)生的核心素養(yǎng)發(fā)展不是一朝一夕就能完成的，教師要循序漸進(jìn)對(duì)核心素養(yǎng)與物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的結(jié)合進(jìn)行探索，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中與學(xué)生進(jìn)行良好的溝通與評(píng)價(jià)，互相反饋，教學(xué)相長(zhǎng)[7].

核心素養(yǎng)與物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的結(jié)合應(yīng)用很廣泛，本文僅僅是以DIS簡(jiǎn)單邏輯電路為例做一點(diǎn)簡(jiǎn)單的思考，希望可以啟發(fā)更多的教育工作者.