凸显学科核心素养的高中物理教学实施路径研究
摘? ?要：通过凸显学科核心素养的高中物理教学实践的研究，提出其教学实施路径为：发展科学思维，提升科学素养;建构物理观念，提升问题解决能力;经历科学探究过程，提升科学探究能力;深度融合现代信息技术，提升信息素养。以普通高中课程标准实验教科书的物理教材为例，从“基于创新实验设计、基于现代信息技术设计、基于合作探究设计、基于科学精神设计”四个维度设计了相对应的教学路径实施示例。
关键词：高中物理;学科核心素养;教学实施路径
中图分类号：G633.7 文献标识码：A ? ? 文章编号：1003-6148（2020）7-0012-7
凸显物理核心素养是高中物理教学改革的方向。物理核心素养是学生在物理学习过程中逐步形成的应对未知世界的必备品格和关键能力，是学生在物理学习过程中内化的带有物理学科特性的品质，主要由“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”四个要素构成。那么，凸显学科核心素养的高中物理教学如何实施？根据新课程改革的理念和普通高中物理学科的特点，结合近几年高中物理课堂教学的实践和思考，对凸显学科核心素养的高中物理教学实施路径进行分析，对其实施示例进行详尽的探讨。
1? ? 凸显学科核心素养的高中物理教学实施路径
培养学生的物理学科核心素养是普通高中物理教学的根本任务。通过教学实践和行动研究发现，凸显学科核心素养的高中物理教学实施路径为：
1.1? ? 发展科学思维，提升科学素养
学生发展关键能力的核心是培养创新思维，物理教学的关键任务是发展学生的科学思维、提升学生的科学素养，而问题驱动是发展学生科学思维的主要策略。
物理教学过程中突出创新物理实验的开发和设计，利用创新实验设置问题情境，形成思维“冲击波”，诱导学生进入问题困境，引发激烈的认知冲突，激发他们的好奇心和问题解决的欲望，师生协同探索解决问题困境。在解决问题困境的过程中，帮助学生学会模型建构的思路和方法，提升学生模型建构的能力。在完成模型建构的过程中，帮助学生学会思考、发展科学思维、提升思维品质和质疑创新能力。通过体验问题困境的解决过程，让学生更深入、更全面、更科学地思考物理问题，逐步养成科学态度和理性精神，逐步提升科学素养，真正成为一个会分析、能推理、会质疑、能建模的理性人。
1.2? ? 建构物理观念，提升问题解决能力
物理观念是对物理现象的基本认识，是学习物理概念与规律后形成的具有稳定心理特征的认知结构。物理观念是在物理知识的学习、理解和应用实践过程中逐渐建构起来的，物理观念的建构过程往往与学生的科学思维发展、探究能力提升、问题解决能力提升融合在一起。
物理教学过程中重视物理概念的形成过程，重视物理规律的获得过程，重视发现物理规律的方法提炼，重视学生在学习过程中真实的情感体验，让学生在解决物理问题和获得物理规律的过程中提升问题解决的能力。通过经历物理问题的解决过程，感知物理现象、建构物理概念、发现物理规律，领悟发现物理知识的思维过程和科学方法，在真实的问题解决过程中丰富情感体验，逐步形成物理观念、内化物理观念、提升物理观念，直至物理观念的升华。
1.3? ? 经历探究过程，提升科学探究能力
物理学科最大的特色是“以物讲理”。以激疑为出发点，发现问题、形成问题、提出问题;以实证为判断标准，收集实验证据，利用证据进行逻辑推理;以思辨为中心，提出合理解释，科学评估，同伴合作与交流，分析、推理得出结论。经历科学探究过程，学生以“知识发现者”的身份参与物理知识的发现过程，领悟发现知识的思路和方法，训练科学探究技能，提升科学探究能力。
物理教学过程中重视科学探究方法的应用，重视解决物理问题的思路和方法的提炼，重视科学探究技能的培养，重视科学探究能力的提升，重视学生团队的“主创”与协同合作，重视科学探究的过程经历与体验，才能体会科学探究过程的艰辛，享受获得探究结果的愉悦，保持科学探究的热情。在科学探究过程中，学生感知物理现象、建立物理概念、理解物理规律、解决物理真实问题，不仅学科能力得到提升，更重要的是探究过程中的思维碰撞与创造性思维的火花被点燃，收获的是智慧的启迪。
1.4? ? 融合信息技术，提升信息素养
现代信息技术与教学实践的深度融合是教育信息化的核心理念。将现代信息技术、传感器、数字化实验系统融入到物理课堂教学之中，建设智慧化的物理课堂，极大地促进了科学探究的可行性，有力地提升了科学探究的效率，推动了科学探究活动在物理课堂教学中的开展。
物理教学过程中重视现代信息技术与物理课堂教学的深度融合，重视利用现代信息技术突破物理学习的难点，重视利用数字化技术收集实验数据、分析和处理实验数据以及对实验结果进行评估分析，提升学生利用现代信息技术解决物理问题的能力。这不仅提升教师和学生的信息素养，还促进物理教学信息化的发展。
2? ? 凸显学科核心素养的高中物理教学实施示例
根据凸显学科核心素養的高中物理教学实施路径，从“基于创新实验设计、基于现代信息技术设计、基于合作探究设计、基于科学精神设计”四个维度设计了相对应的教学路径实施示例。
2.1? ? 基于创新实验设计
高中物理是以实验为基础的学科。通过设计有视角冲击力和震撼力的创新性实验，激发学生的认知冲突，诱发学生的科学思维，诱导学生进入“问题情境”，激发学生对物理问题的探究欲望，使学生在激烈的探究欲望中研究、解决物理问题，建构物理知识。
例如，学习高中物理选修3-5第十六章《动量守恒定律》中的“碰撞”这个课题时，让学生先做一个大型的牛顿摆实验（摆长约0.5 m），探究碰撞中的守恒量。学生的学习活动是这样设计的：
活动一：感知碰撞中的守恒量。
如图1所示，当左边的第一个摆球向左拉离平衡位置，让学生猜想摆球释放后会发生什么现象？
学生作出各种猜想。在学生的期待中，教师将摆球释放，与它右边的摆球相碰，结果最右边那个摆球向右摆起，中间三个摆球仍然静止不动。当最右边的摆球向左摆回来，与它左边的摆球相碰，结果中间三个摆球也是静止不动，最左边的摆球向左摆起，然后循环往复……学生被眼前的实验现象惊呆了，他们没想到物理实验那么神奇。每位学生都跃跃欲试，学习的内驱力被激发起来，思维的火花被点燃。
活动二：体验碰撞中的守恒量。
教师请学生分小组讨论，设计牛顿摆碰撞实验的各种方案，推荐学生代表介绍实验设计方案，预测实验结果，并进行实验。
经过讨论，学生设计了多种实验方案，争先恐后地上台演示。
例如，如图2所示，左边的第一个摆球向左拉离平衡位置，右边的第一个摆球向右拉离平衡位置，同时释放，探究各个摆球的运动情况。
又如，如图3所示，当左边的两个摆球一起被向左拉离平衡位置，释放后，实验探究各个摆球的运动情况。也有说将左边三个摆球一起拉离平衡位置后释放，探究各个摆球的运动情况。还有各种各样的实验方案，学生们脑洞大开……
学生代表做的实验结果让他们惊讶不已，纷纷发问：为什么会这样？这是什么情况啊？居然还有摆球是静止不动的，是什么原理啊？学生的探究欲望被充分激发出来，顺利地进入到下一个探究环节。
活动三：内化碰撞中的守恒量。
经过活动环节二的实验体会，教师引领学生进入理论探究。师生共同探讨、分析，建构碰撞的模型，建立“弹性碰撞”的概念，发现弹性碰撞中速度的变化规律，从理论上解释了牛顿摆碰撞的奇妙现象。
通过感知、体验、内化，学生深刻理解两摆球弹性碰撞的速度变化规律，正确建立弹性碰撞过程的运动和相互作用观、能量观。
例如，学习高中物理必修1第四章《牛顿运动定律》中的“超重与失重”这个课题时，师生共同探究，发现了物体失重的条件后，教师拿出一个侧面开了小孔、装满水、盖好瓶盖的可乐瓶（下文简称可乐瓶）。手提着可乐瓶，由于大气压强的作用，可乐瓶不漏水。打开瓶盖，可乐瓶漏水（图4）。
活动一：感知“生活中的完全失重”现象。
教师提问：将可乐瓶的瓶盖打开，让它自由下落，它会不会漏水？
教室里顿时沸腾起来，猜测“漏水”“不漏水”的都有，在学生的热切期盼中实验，实验结果表明：当可乐瓶自由下落时，不漏水（如图5）。惊讶之余，师生共同分析、探讨，得出此时水处于完全失重状态，水与可乐瓶之间没有相互作用、没有挤压，故可乐瓶不漏水。学生沉浸在揭开“谜底”的喜悦之中。
活动二：体验“生活中的完全失重”现象。
将打开瓶盖的可乐瓶竖直向上抛出，情况怎样？学生立即大喊：漏得更厉害。教师慢慢拿出可乐瓶，让学生代表来演示。在全体学生的瞩目中，學生代表将可乐瓶的瓶盖打开，可乐瓶立即漏水。当学生代表将可乐瓶竖直向上抛出时，可乐瓶瞬间变为不漏水（如图6）。这一实验结果使学生感到诧异，教室里先是鸦雀无声，紧接着是一阵骚动，学生跃跃欲试，探究欲望被强烈地激发出来。此时，教师拿出事先准备好的给学生实验探究用的可乐瓶分发给学生，让他们动手做。实验探究完成后，师生共同探寻这些可乐瓶“滴水不漏”的原因，发现“完全失重”的本质。
活动三：内化“生活中的完全失重”现象。
根据前面实验探究活动的现象，让学生分小组分析、讨论，设计演示可乐瓶“滴水不漏”的活动方案。学生经过协同探究，设计出多种实验方案。例如，将可乐瓶水平抛出、斜上抛、斜下抛、来回抛……，只要可乐瓶离开拿它的手，沿任意方向被抛出，都是“滴水不漏”。根据学生设计的实验方案，让他们通过实验逐个探究，从而深化理解“完全失重”的本质。
通过感知、体验、内化“生活中的完全失重”现象，学生深刻理解“完全失重现象”的条件，深刻理解“完全失重”的本质，正确建立“生活中的完全失重现象”的运动和相互作用观。
2.2? ? 基于现代信息技术设计
现代信息技术与高中物理课堂教学的深度融合是构建物理智慧课堂的核心理念，特别是互联网技术、通讯技术、教育技术的深度融合是凸显学科核心素养的物理智慧课堂的发展方向。在智慧课堂教学环境中，教师是教学资源的开发者和组织者，学生是学习资源的筛选者和学习内容的探究者，学生在筛选学习资源、探究学习内容的过程中，形成正确的物理观念、发展科学思维、提升科学探究能力、养成严谨的科学态度。
通过教育技术与通讯技术，可以将快速进行的物理过程记录下来以“慢镜头”的方式呈现在显示终端设备中，学生根据“慢镜头”呈现的物理过程，借助电脑与数据处理工具进行科学探究;可以将清晰度不高、肉眼不便于观察的物理现象和物理过程转化为高清晰度、便于肉眼观察的物理现象和物理过程。
例如，通过高速摄像技术拍摄平抛运动的过程，将平抛运动的“慢镜头”过程通过数据处理软件Tracker.exe进行分析，分析平抛运动的轨迹、水平方向分运动的性质、竖直方向分运动的性质，获得平抛运动的规律。探究思路是：（1）画出水平方向的x-t图像，若图像是一条通过坐标原点的倾斜直线，则说明水平分运动为匀速直线运动;（2）画出竖直方向的y-t图像，猜测可能是一条抛物线，再画出y-t2图像，若y-t2图像是一条通过坐标原点的倾斜直线，则说明竖直分运动为匀加速直线运动（自由落体运动）。通过高速摄像的视频来研究平抛小球运动的性质，具有真实性、可靠性和创新性。
利用现代信息技术探究过程如下：
活动一：师生合作一起利用高速摄像机将小钢球平抛运动的过程拍摄下来（如图7），发送到各个学习小组，请各个学习小组用Tracker软件将视频打开。
活动二：Tracker软件能够截取视频研究过程（如图8），利用“质点创建”功能将小钢球的位置确定下来。因为要研究小钢球做平抛运动竖直方向以及水平方向的运动，所以建立平面直角坐标系，已知坐标纸横坐标的长度为0.5 m，故将小钢球的坐标进行定标。Tracker软件能够自动读取小钢球所对应的横坐标和纵坐标。根据横纵坐标的数值就可以分析竖直方向以及水平方向的运动规律（如图9）。
活动三：将Tracker软件记录下来的数据复制到Excel表格中，请学生分析竖直方向以及水平方向的运动规律。
水平方向：将x-t图像画在散点图中，利用Excel线性拟合的功能拟合图像，可以观察到两者之间基本上符合线性规律，说明在水平方向上满足匀速直线运动的规律（如图10）。
竖直方向：同样将y-t的点画在图像上，可以观察到y-t呈现曲线轨迹（如图11），但是利用此图像并不能直接得出竖直方向上的运动规律，故改变坐标值，画出y-t2图像，使得图像能够直接反映竖直方向上的运动规律。这种“化曲为直”的研究方法在“探究加速度与力、质量的关系”实验中曾经运用过。
师生共同经历探究的过程，不但发现了平抛运动的性质和规律，更重要的是收获其研究思路与方法。通过平抛运动知识的学习，学生不仅获得科学探究技能的提升，而且获得信息素养的提升。
2.3? ? 基于合作探究设计
为适应未来社会对创新人才素质的要求，高中物理教学过程中需提升学生的领导力、决策力、学习力、创新力和科学素养。通过物理课程的学习，获得科学探究意识的培养、科学探究技能的提升，获得合作与交流意识的培养、合作与交流能力的提升，获得质疑、迁移、创新能力的提升。
例如，高中物理必修2第七章《机械能守恒定律》中的第六节《实验：探究功与速度变化的关系》，是学生顺利理解、發现高中物理学最重要的力学规律之一——“动能定理”的前提。由于在传统的教学环境中，实验效果不够理想，学生做实验往往是走过场而已。为了给学生创造“主动参与探究、主动参与物理规律发现过程”的教学环境，提供“主动参与问题解决”的时间和空间，实验探究安排在我校创新实验室进行。为落实科学探究技能培养和科学探究能力提升的培养目标，“探究功与速度变化的关系”的学习活动是这样设计的：
活动一：组建实验探究小组。
让学生自由组建实验探究小组，以4～6人为一个小组，组内推荐一位小组长，负责实验探究过程中的协调工作，并做好实验探究的相关准备工作。
活动二：设计实验探究方案。
组建完成实验探究小组后，小组长根据实验目标带领小组成员一起分析、讨论、设计合适的实验方案，研究实验中需要测量哪些物理量、如何测量这些物理量、需要用哪些仪器进行测量。经过小组内多次分析、讨论、协商后，初步确定实验方案，将实验设计成两个方案进行：探究恒力做功与速度变化的关系、探究变力做功与速度变化的关系。实验探究小组内取得共识后，将方案做成PPT演讲稿，推荐学生代表向全班进行展示，接受老师和全班同学的分析、评估、论证，学生代表在展示实验方案过程中针对老师或别的小组成员的质疑作出答辩。小组长根据实验方案展示过程的质疑、反馈信息，对实验探究方案进行优化，对相关物理量的测量方法确定如下。
（1）变力做功探究法相关物理量的测量：累积法定性测量橡皮绳对小车做功，利用光电门来测量小车的速度。
（2）恒力做功探究法相关物理量的测量：根据功的计算公式W=Fx，在合外力F恒定的情况下，可以用x定性表示功的大小，利用光电门来测量小车的速度。
活动三：进行实验探究。
根据设计的实验方案，准备好实验设备和仪器，组装好实验装置。图12、图13是实验小组设计的实验装置图。
活动四：实验数据处理。
利用列表法记录数据，利用图像法处理实验数据，展示实验结果。其中一个实验探究小组根据变力探究法实验数据获得W-v图像（如图14所示）。由该图可知，变力做功的W-v图像是一条曲线，可能是一条抛物线，但很难直接准确分析W-v之间的关系。经过分析、讨论后，实验小组成员提出尝试画W-v2图像，看看W-v2之间是否存在简单的因果关系。根据实验数据画出W-v2图像（如图15所示）。此时，各个实验小组将各自的探究结果向全班同学展示、分享。
活动五：分析评估，得出结论。
根据实验数据画出W-v2图像，是一条通过原点的倾斜直线。这个实验方案测得的数据表明：在物体没有初速度的情况下，外力所做的功与速度的二次方成正比。那么，物体初速度不等于零的情况下，外力做的功与速度变化是什么关系呢？留给实验小组思考、探究。
此外，在实验探究小组成员的积极配合下，还完成了恒力做功与速度变化的关系探究，取得了非常好的学习效果。至此，外力做功与速度变化之间关系的实验规律呼之欲出。
经历小组合作探究，小组成员主动参与，他们的奇思妙想在探究中碰撞出耀眼的火花，不仅享受探究过程的乐趣，而且分享获得探究结果的愉悦。实验探究过程中，组员分工明确、各司其职，全程自主、合作、探究，完成实验，实验探究小组之间互相激励、合作，探究技能得到提升。
2.4? ? 基于科学精神设计
“为什么我们的学校总是培养不出杰出人才？”这是著名的“钱学森之问”。如何破解“钱学森之问”？高中物理教学中要培养学生批判与怀疑的精神、创新与探索的精神、实践与求真的精神、奉献与人文的精神，使学生逐步养成探索物理问题的科学态度与开拓创新的科学精神。因此，在实施凸显学科核心素养的物理教学时，重视挖掘教材中关于物理学发展史中涌现出来的伟大的科学思想、科学精神。从原始物理问题出发，追寻物理学家探究物理问题的足迹，探索物理学家解决物理问题的思维过程，引领学生体验科学探究过程中伟大的科学思想、科学精神，体验物理学家严谨的科学态度，培养勇于担当的使命感和责任感。
例如，在学习必修1第四章《牛顿运动定律》中的第一节《牛顿第一定律》时，设计了系列活动，引导学生进入“牛顿第一定律是如何发现的”学习内容的探究活动。学习活动是这样设计的：
活动一：学生自主组建学习小组，课外查阅资料，搜寻科学家亚里士多德对“力和运动”关系的研究历程。
探究、解决系列问题：在他之前有哪些科学家对“力和运动”的关系做了研究？提出了哪些观点？亚里士多德提出的关于“力和运动”关系的观点为什么是错误的？为什么他会经常提出错误的观点？是他真的“笨”吗？如果不是，请从他所处时代的局限性和他研究问题方法上的局限性来反思原因，写出反思报告。学习小组对这些问题分析、讨论后，推荐代表在班上交流，接受全班同学的提问、答辩。
活动二：学生自主组建学习小组，课外查阅资料，搜寻科学家伽利略对“力和运动”关系的研究历程。
探究、解决系列问题：在伽利略之前，有哪些学者对亚里士多德观点的不足进行了批评？伽利略如何纠正亚里士多德跨越两千多年的“美丽误会”？伽利略对该问题的研究思路、研究方法有哪些创新？他为什么要设计一个“双斜面实验”来探究“力和运动”的关系？伽利略关于“力和运动”关系的观点有哪些局限性？他为什么与这个“力和运动”关系的本质问题的完美解决“擦肩而过”？我们能否设计“超越”伽利略的科学探究方案？学习小组对这些问题分析、讨论后，推荐代表在班上交流，接受全班同学的提问、答辩。
活动三：学生自主组建学习小组，课外查阅资料，搜寻科学家笛卡儿、牛顿对“力和运动”关系的研究历程。
探究、解决系列问题：笛卡儿对“力和运动”关系的研究作了哪些贡献？他对伽利略的“力和运动”关系的观点进行了哪些补充和完善？科学家牛顿对“力和运动”关系进行了哪些研究、提出了哪些观点？为什么这个体现“力和运动”的规律称为牛顿第一定律？如何理解牛顿总结自己取得成功是“站在巨人肩膀上”？能否运用现代信息技术、创新实验设备设计“超越”前辈科学家的探究方案？学习小组对这些问题分析、讨论后，推荐代表在班上交流，接受全班同学的提问、答辩。
通过系列问题的探究解决，学生发现了跨越两千多年的曲折的研究过程。他们深深体会到伽利略勇于质疑的科学精神，理解亚里士多德的错误观点产生的时代局限性，理解为什么两千多年无人反驳他的“美丽误会”，理解牛顿对自己“站在巨人肩膀上”取得成功的总结。学生从中体验物理规律发现的曲折历程，深深体会到物理问题的解决不是一蹴而就的，需要毅力、勇气、灵感和创新思维。
通过学习活动，学生不仅领悟伽利略、笛卡儿和牛顿等科学家的伟大贡献，而且受到科学家的科学精神熏陶，促进他们的科学素养、人文素养的提升。
3? ? 结束语
综上所述，根据新课程改革的理念和普通高中物理学科的特点，提出凸显学科核心素养的高中物理教学实施路径，从“基于创新实验设计、基于现代信息技术设计、基于合作探究设计、基于科学精神设计”四个维度设计了相对应的教学路径实施示例，对“凸显学科核心素养的高中物理教学如何实施”问题进行了前瞻性的探索。
从凸显学科核心素养的高中物理教学实施示例可知，学生从创新实验中感知物理现象、体验思维冲突、建立物理观念、深化理解物理概念和物理规律。物理教学充分激发学生的好奇心和想象力，学生从合作探究中体验思维碰撞、激发创新思维、启迪智慧火花、发现物理规律。物理教学将现代信息技术、传感器、数字化实验系统深度融入到科学探究之中，不但可以提升科学探究的深度、广度、效率和质量，而且可以提升师生的科学探究技能、信息素养。物理教学培养学生严谨的科学态度和求实的科学精神，通过追寻科学家解决物理原始问题的足迹，让学生体验物理规律发现过程中的科学思想、科学方法和科学精神，领略物理课程的价值，提升他们的科学素养和人文素养。因此，凸显学科核心素养培养的高中物理教学实施路径，是新时代育人方式在物理课程价值中的具体体现。
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（栏目编辑? ? 赵保钢）
收稿日期：2020-03-14
作者簡介：李友兴（1969-），男，中学高级教师，主要从事高中物理教学与研究工作，曾获浙江省教育科研青年标兵。
