文∣黃躍濤

根據(jù)國(guó)家提出的“文化自信”“中華傳統(tǒng)文化進(jìn)校園”系列指導(dǎo)思想，當(dāng)代物理教師應(yīng)該具有“文化自覺(jué)”，科學(xué)崇尚的教育觀必須滲透淳樸的文化素養(yǎng)、保持厚重的文化氣息，這種形式與簡(jiǎn)單的知識(shí)傳授本質(zhì)是不同的，是科學(xué)教育的延展與升華，使科學(xué)有其文化，使教育有其人性光輝。[1]我們提出的“物理教師核心素養(yǎng)研究系列”第一個(gè)思考是“文化自覺(jué)”，探討教師的文化根本決定教育思想。第二個(gè)思考是“備課組建設(shè)”，探討教師成長(zhǎng)需要的土壤。

本文闡述的是第三個(gè)思考是“個(gè)人有文化信仰、集體有教育愿景”，那么成就新時(shí)代高質(zhì)量的教師，應(yīng)以“師生共長(zhǎng)”為途徑，本文以學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)為例來(lái)闡述。

一、困境與思考

教師的發(fā)展受不平衡的生源質(zhì)量影響。物理學(xué)科涉及數(shù)學(xué)、空間、語(yǔ)言、藝術(shù)、現(xiàn)代科技等方面，高中物理對(duì)學(xué)生綜合能力要求比較高，通常學(xué)生會(huì)陷入以下三個(gè)學(xué)科困境，教師同樣因經(jīng)驗(yàn)不足、缺乏表征方法而難以達(dá)到新的層次。

(一)不善數(shù)困境

(二)不可見(jiàn)困境

宏觀的物理現(xiàn)象容易描述，但微觀的物理世界通常很難直接感受，其復(fù)雜性學(xué)生很難想象。例如構(gòu)造勻強(qiáng)電場(chǎng)，勻強(qiáng)電場(chǎng)的特征是什么？粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，電場(chǎng)力做功為什么與路徑無(wú)關(guān)？在勻強(qiáng)電場(chǎng)中研究問(wèn)題涉及理想化模型的構(gòu)建，單純紙上描述嚴(yán)重制約了學(xué)生對(duì)不可見(jiàn)問(wèn)題的理解，描述、記憶等低階思維模式限制學(xué)生關(guān)于證據(jù)的發(fā)掘，學(xué)生質(zhì)疑能力的培養(yǎng)也無(wú)從落實(shí)。高中物理涉及的不可見(jiàn)內(nèi)容與力的分解、運(yùn)動(dòng)的分解、帶電粒子的移動(dòng)、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等內(nèi)容有關(guān)。不可見(jiàn)困境通常由教師進(jìn)行口頭描述，發(fā)掘創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生了解抽象情境等方式解決，以此培養(yǎng)學(xué)生對(duì)抽象現(xiàn)象的認(rèn)知能力。但是建構(gòu)主義認(rèn)為，學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解程度是由個(gè)體主觀能動(dòng)性構(gòu)建的層次決定的。

(三)不易述困境

文字描述物理情境存在“不易述”的困境，由于生活經(jīng)驗(yàn)的缺乏，學(xué)生較難從“照片+文字”的敘述模式中理解物理知識(shí)。例如高中物理的“蹦極”問(wèn)題，“如何描述、轉(zhuǎn)化、體現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化，如何和運(yùn)動(dòng)建立起關(guān)聯(lián)”學(xué)生很難理解。如果學(xué)生只是對(duì)結(jié)論進(jìn)行機(jī)械記憶，學(xué)習(xí)是不充分的。高中物理中不易述有“變化的力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系”“功能的關(guān)系”“傳送帶的痕跡問(wèn)題”“板塊模型”“帶電粒子在電磁場(chǎng)的軌跡描述”等。思維可視化的視頻微課是解決不易述困境的較好手段，能夠讓學(xué)生把“不連續(xù)的畫面”組合起來(lái)。

二、措施與啟迪

對(duì)于以上三種形式的困境，物理教師在大量的實(shí)踐中給予方案、推陳出新，立足自身能動(dòng)性，來(lái)提升學(xué)生學(xué)習(xí)效果。而學(xué)生知識(shí)的生成過(guò)程是“滯后”于教師竭盡所能進(jìn)行“事實(shí)”展示過(guò)程的，所以引入“學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)”可以把教師的“導(dǎo)”轉(zhuǎn)化為學(xué)生的“建”；對(duì)于不善數(shù)、不可見(jiàn)、不易述等困境，讓教師和學(xué)生一起大膽地想辦法去解決，去創(chuàng)建模型，讓學(xué)生模仿，利用“短、小、丑”的自主實(shí)驗(yàn)打開(kāi)學(xué)生局限性思維，擺脫學(xué)生“一聽(tīng)就會(huì)，一過(guò)就忘，一做就錯(cuò)”的局面。教師能從中獲得啟迪，獲得教學(xué)技能在“如何教”方面的提升，積累更多符合學(xué)生心理特征的教學(xué)表達(dá)經(jīng)驗(yàn)，真正實(shí)現(xiàn)“師生共長(zhǎng)”。

(一)關(guān)注基本疑難點(diǎn)

部分學(xué)生即使反復(fù)地看和聽(tīng)還是無(wú)法理解、接受、記住知識(shí)基本疑難點(diǎn)，這是由于他們沒(méi)有實(shí)踐參與。教師在教學(xué)時(shí)要與實(shí)際生活聯(lián)系，創(chuàng)設(shè)情境。

【實(shí)踐1】如何理解生活中的勻變速運(yùn)動(dòng)

勻變速運(yùn)動(dòng)是一種理想狀態(tài)，它的特征是“逐差相等”，是剛升上高中的學(xué)生較難處理的“不善數(shù)”困境。學(xué)生經(jīng)常模糊“加速”與“變速”“勻變速”等概念。如果讓學(xué)生辨析運(yùn)動(dòng)過(guò)程，抓住“變”，如何變，怎么看出“勻變速”，高鐵出站是否“勻變速”，飛機(jī)落地是否勻變速等問(wèn)題。讓學(xué)生與實(shí)際生活關(guān)聯(lián)，理解“勻速圓周運(yùn)動(dòng)”，消除對(duì)“勻”理解產(chǎn)生的歧義。

教師和學(xué)生一起完成課本的常規(guī)實(shí)驗(yàn)，教師布置學(xué)生尋找生活中的“勻變速直線運(yùn)動(dòng)”的例子，并說(shuō)明“勻”的含義。有學(xué)生提出到室外進(jìn)行錄像。因?yàn)榘踩蛩兀瑢W(xué)生不能拍攝一些場(chǎng)合的運(yùn)動(dòng)，所以師生一起經(jīng)過(guò)申請(qǐng)來(lái)到學(xué)校出入口的門衛(wèi)值班室拍攝開(kāi)閘后的汽車駛出是否勻加速直線運(yùn)動(dòng)，對(duì)拍攝后的視頻建立時(shí)間軸并測(cè)量相等時(shí)間內(nèi)汽車位移。用“逐差相等”進(jìn)行檢驗(yàn)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)生活中的運(yùn)動(dòng)很難有“勻變速運(yùn)動(dòng)”，實(shí)驗(yàn)室理想狀態(tài)的實(shí)現(xiàn)條件是嚴(yán)格的。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)圖像討論，教師再和學(xué)生一起分析勻變速直線運(yùn)動(dòng)中“勻”成立的條件，同時(shí)教師進(jìn)一步介紹實(shí)驗(yàn)室里利用斜面“平衡摩擦”的意義。

“逐差相等對(duì)應(yīng)怎樣的運(yùn)動(dòng)情境”是比較難理解的教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生看到加速就直接聯(lián)想到“勻加速”，這是沒(méi)有科學(xué)本質(zhì)的理解，只是課本出現(xiàn)概念的生搬硬套，也沒(méi)物理觀念的意識(shí)。教師和學(xué)生一起去做實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生用科學(xué)方法觀察生活中的現(xiàn)象，建立自己的物理運(yùn)動(dòng)觀念,這種自我知識(shí)構(gòu)建的印象是非常深刻的。

教師在課堂上多次強(qiáng)調(diào)“逐差相等”分析問(wèn)題的方法，情境想象能力薄弱的學(xué)生并不能夠感受實(shí)際情境中什么是“逐差相等”，但通過(guò)學(xué)生自己找情境，分析圖像，師生都能找到概念印象深刻的方法。教師未來(lái)也可以利用這些素材引導(dǎo)其他學(xué)生分析，增強(qiáng)教師堅(jiān)持“情境析理”的素養(yǎng)習(xí)慣。

【實(shí)踐2】摩擦力方向的理解

探究摩擦力方向是一件困難的事，因?yàn)樗安豢梢?jiàn)”“不易述”。即使教師舉例傳送帶的例子，學(xué)生也較難接受摩擦力可以成為“動(dòng)力”這個(gè)事實(shí)。為什么摩擦力方向和“相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向”相反？為什么可以和“運(yùn)動(dòng)方向”相同？

轉(zhuǎn)化“不可見(jiàn)”“不易述”的困境，教師可以以圖1為例說(shuō)明如果移動(dòng)刷子或移動(dòng)木板它們的情景不一樣，毛刷在乙圖中與木板運(yùn)動(dòng)方向相同，說(shuō)明毛刷受到的摩擦力與木板運(yùn)動(dòng)方向一樣。此處模糊了研究對(duì)象問(wèn)題，會(huì)有學(xué)生在實(shí)驗(yàn)后問(wèn)“乙圖中木板所受摩擦力方向是不是也和它的運(yùn)動(dòng)方向一致”。教師應(yīng)和學(xué)生一起制作小實(shí)驗(yàn)觀察后論述理解。

圖1

教師指導(dǎo)學(xué)生用生活中的很多東西來(lái)模仿實(shí)驗(yàn)，比如站在手扶電梯底端，用手懸掛一個(gè)小物件接觸扶手，實(shí)驗(yàn)要點(diǎn)是手相對(duì)地面靜止，小掛件受摩擦力一起向上移動(dòng)一小段位移。這個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象是顯性的。教師聽(tīng)取學(xué)生分析時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)學(xué)生存在的一些問(wèn)題，比如學(xué)生直接認(rèn)為摩擦力方向和運(yùn)動(dòng)方向相反，所以應(yīng)該沿斜面向下。而通過(guò)對(duì)小實(shí)驗(yàn)分析，教師了解學(xué)生的分析方法存在“憑感性認(rèn)識(shí)摩擦力”的問(wèn)題。教師向?qū)W生再提問(wèn)“那是什么力量讓小球上移的呢”，讓學(xué)生了解小掛件受重力，如果沒(méi)有受摩擦力就不能上移，相對(duì)(扶梯)有向下的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，所以小掛件受到的摩擦力是沿扶梯向上，和小掛件運(yùn)動(dòng)方向一致；與相對(duì)(扶梯)向下的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)相反。

實(shí)驗(yàn)由學(xué)生自己設(shè)想、實(shí)踐、表述，再由教師點(diǎn)撥學(xué)生的理解誤區(qū)并糾正，教師的教學(xué)能力通過(guò)糾錯(cuò)更加成熟；而學(xué)生對(duì)知識(shí)加深印象后，更注重邏輯分析物理現(xiàn)象，對(duì)問(wèn)題提出解決方案，理解抽象問(wèn)題，這使得他們對(duì)后續(xù)的課程學(xué)習(xí)更有興趣、有信心。

摩擦力的突變、方向一直是學(xué)生理解的難點(diǎn)，而教師不能準(zhǔn)確把握學(xué)生的想法，會(huì)造成學(xué)生“錯(cuò)中就錯(cuò)、得過(guò)且過(guò)”的學(xué)習(xí)。教師實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)最關(guān)鍵的是能看出實(shí)驗(yàn)中的誤差與錯(cuò)誤，學(xué)生實(shí)施時(shí)出現(xiàn)的實(shí)際問(wèn)題豐富了教師教學(xué)素材庫(kù)，正是學(xué)生對(duì)知識(shí)理解各有不同，讓教師更好地理解學(xué)生的思維脈絡(luò)，為教學(xué)提供了大量的辯證實(shí)例。

(二)制作簡(jiǎn)單數(shù)理模型

高中物理中簡(jiǎn)單抽象的模型有帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)、小船渡河、板塊模型等類型，對(duì)學(xué)生空間想象能力要求高；用動(dòng)畫、短視頻演示是普遍的教學(xué)方法。師生一起制作簡(jiǎn)單的數(shù)理模型，可以讓學(xué)生體會(huì)實(shí)際的數(shù)學(xué)關(guān)系變化，關(guān)注實(shí)際中的隱含因素。

【實(shí)踐3】制作“小船渡河”模型

“小船渡河”涉及基本問(wèn)題為“最短位移、最短時(shí)間”。教師采用數(shù)學(xué)“位移圓”進(jìn)行黑板講解，經(jīng)常達(dá)不到好的理解效果。如果學(xué)生自己找出大小不同的兩個(gè)分速度模型，并組合成最短位移、最短時(shí)間形式，則更有利于學(xué)生的理解。學(xué)生提出的模型應(yīng)簡(jiǎn)單，能感受分速度的合成結(jié)構(gòu)。

“船速小于水速航程最短”是學(xué)生較難理解的。學(xué)生可以用長(zhǎng)短筆(短筆代表船速)，圖2中最短鉛筆的長(zhǎng)度模擬到達(dá)對(duì)岸合位移；過(guò)河路徑最短(v水>v船時(shí))，合速度不可能垂直于河岸，即無(wú)法垂直渡河。如圖3所示，以v水矢量末端為圓心，以v船矢量的大小為半徑畫弧，從v水矢量的始端向圓弧作切線，則合速度沿此切線方向航程最短。其中的隱含規(guī)律并不是圖3中θ越小航程越短，而是合位移與水平方向的夾角與θ互余時(shí)航程最短。

圖2

圖3

【實(shí)踐4】帶電粒子從不同方向進(jìn)入磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)

如圖4所示，在x軸的上方(y≥0)存在著垂直于紙面向外的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B。在原點(diǎn)O有一個(gè)離子源向x軸上方的各個(gè)方向發(fā)射出質(zhì)量為m、電量為q的正離子，速率都為v，對(duì)那些在xy平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)的離子，在磁場(chǎng)中可能到達(dá)的最大距離x為多少？

圖4

帶電粒子從不同方向進(jìn)入磁場(chǎng)路徑的變化是不可見(jiàn)的，要理解此內(nèi)容，對(duì)學(xué)生空間想象能力要求很高。教師利用硬紙板剪成一個(gè)帶有箭頭的圓，將其壓在題圖上，轉(zhuǎn)動(dòng)，演繹圓運(yùn)動(dòng)的變化軌跡，構(gòu)建動(dòng)態(tài)圓。[2]制作紙板圓會(huì)受限于不變的半徑，所以學(xué)生用硬電線、塑料軟管等圈成一個(gè)半徑可以收縮的“動(dòng)態(tài)圓”。這樣的實(shí)踐讓解決問(wèn)題的思維階梯獲得大幅延伸。

數(shù)理模型是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)，是教師講授的盲區(qū)。大部分教師都會(huì)畫出圖3、圖4的分析圖，但是平面圖的局限性讓學(xué)生印象不深，如果讓學(xué)生用實(shí)物模型“擺弄”數(shù)學(xué)關(guān)系，教師則可以看出他們的思維變化以及誤區(qū)并給予及時(shí)糾正。引導(dǎo)學(xué)生使用數(shù)理模型分析問(wèn)題能發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維，是現(xiàn)代教師需要提升的重要教學(xué)能力。

(三)享受生活規(guī)律美

生活中的現(xiàn)象本質(zhì)規(guī)律可以用課本的知識(shí)揭示，知識(shí)學(xué)習(xí)的目的是用來(lái)解決生活中的問(wèn)題。高中物理分為必修課程和選修課程，必修課程(力和運(yùn)動(dòng))能夠揭示很多生活規(guī)律，學(xué)生能從中感受知識(shí)的魅力。物理學(xué)科中必修基礎(chǔ)的受力分析因?yàn)椤安豢梢?jiàn)”“不易述”，加上涉及數(shù)學(xué)問(wèn)題，不少學(xué)生忽略了其實(shí)用性；力或運(yùn)動(dòng)的分解依據(jù)在哪，學(xué)習(xí)意義是什么；天體運(yùn)動(dòng)枯燥無(wú)味，大量的方程式運(yùn)算讓學(xué)生空間模型混亂。教師如果能改進(jìn)教學(xué)，科學(xué)教育能更加吸引學(xué)生。

【實(shí)踐5】如何拖拉箱子前進(jìn)更加輕松

教師把生活中的問(wèn)題拋給學(xué)生，讓學(xué)生用知識(shí)來(lái)解釋。拖拉箱子不能用力水平向前是學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)，教師可以讓學(xué)生用實(shí)驗(yàn)解釋原理。斜向上拉箱的力有兩個(gè)效果，減小對(duì)地面的壓力和讓箱子前進(jìn)，拖拉箱子更輕松。通過(guò)實(shí)際操作對(duì)比，讓學(xué)生感受到生活中的小問(wèn)題與知識(shí)密切相關(guān)，計(jì)算出一個(gè)小孩能否拉動(dòng)一個(gè)箱子，要運(yùn)用力的分解，此外還可以讓學(xué)生設(shè)計(jì)更輕松的拉箱樣式。

【實(shí)踐6】給你一個(gè)物體算出地球質(zhì)量

解決這樣一個(gè)問(wèn)題需要學(xué)生對(duì)核心概念進(jìn)行分析，要求學(xué)生找到合適的解決方案，雖然是一種估算，但只有解決實(shí)際問(wèn)題，學(xué)生才能感受到學(xué)習(xí)的意義。

只教“考試”的教師會(huì)讓學(xué)生懶于去發(fā)現(xiàn)生活的規(guī)律美，能夠讓學(xué)生感受物理之美關(guān)鍵在于讓學(xué)生理解生活規(guī)律。而“生活規(guī)律”要抽象成物理模型對(duì)學(xué)生是比較困難的，教師通過(guò)平時(shí)自主實(shí)驗(yàn)的引導(dǎo)讓學(xué)生學(xué)習(xí)提煉模型的科學(xué)思維素養(yǎng)，同時(shí)也是在提升教師自己對(duì)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)良好情感培養(yǎng)的潛移默化能力。

三、意義與作用

教師演示實(shí)驗(yàn)和學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)在幫助學(xué)生理解知識(shí)的效果上是顯著的，但我們總是遇到遺忘率很高的問(wèn)題。這是為什么？因?yàn)橹R(shí)的輸入是單向的，沒(méi)有把學(xué)生的自主意識(shí)喚醒。學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)是豐富教師知識(shí)表征手段的途徑，學(xué)生不一定要能夠創(chuàng)新，但是通過(guò)教師提出的問(wèn)題，學(xué)生能夠找尋更恰當(dāng)?shù)谋碚鞣椒?。這也是在教教師，開(kāi)闊教師的視野。學(xué)生解決問(wèn)題的過(guò)程中，要用新的實(shí)踐手段，過(guò)程可能比較難，部分學(xué)生可能會(huì)放棄。這就需要教師及時(shí)介入，提供參考，引導(dǎo)學(xué)生想辦法解決。師生互動(dòng)，學(xué)生解決問(wèn)題，教師提升自己教學(xué)能力，真正實(shí)現(xiàn)師生共長(zhǎng)。教師在教學(xué)能力和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ι汐@得進(jìn)步，個(gè)人核心素養(yǎng)也獲得深度提升。