构建“简明悟理”课堂 直臻物理核心素养
陈野
摘? ?要：落实核心素养是新课改背景下课堂教学的根本任务，在教学实践中构建“简明悟理”的课堂教学模型，有助于提升学生的学科核心素养。文章基于高中物理教学实践案例，从课堂教学要素至“简”、课堂教学过程至“明”、课堂教学方法至“悟”、课堂教学结果至“理”四个角度进行探讨，充分呈现“简明悟理”的课堂教学内涵特征，以期促成物理学科核心素养的形成与发展。
关键词：高中物理;简明悟理;课堂教学;核心素养
中图分类号：G633.7 文献标识码：A ? ? 文章编号：1003-6148（2020）8-0004-4
《普通高中物理课程标准（2017年版）》明确指出：“高中物理课程应在义务教育的基础上，进一步促进学生物理学科核心素养的养成和发展”，这为当前高中物理教学指明了根本任务，即“发展学生的物理学科核心素养”[1]。学生在面对客观物质世界运动的丰富性和学习过程中表现出来的群体与个体心理的复杂性，教师究竟怎样进行物理课堂教学才能实现这一根本任务，值得深思。
辩证唯物主义的科学观认为，客观世界运动变化现象的丰富性背后蕴藏着富于规律的简洁性，物理教学过程的复杂性背后隐藏着基本教学规律极为质朴的特性。因而，物理课堂教学过程的构建可向着探索建立“简明悟理”的课堂教学模型演化，以实现物理教学的高效率，直臻物理核心素养。本文以高中物理常态化教学中的典型教学过程为例，阐释“简明悟理”课堂教学模型的基本特质。
1? ? 繁复中追求课堂教学要素的至“简”
高中物理涵盖的学习内容包罗万象，可以说物质世界有多复杂，高中物理教学涉及的领域就有多广阔。繁复精彩的物理世界，是否都一股脑原封不动地呈现在课堂教学过程之中？受教学时空资源、学生学习水平与能力所限，不可能不加精简地一一呈现。老子“大道至简”、庄子“大美天成”的中国传统哲学智慧，我国第一部教育论著《学记》“约而达，微而减”“能博喻然后能为师”的论述体现出的“由繁到简，由博到约”的教育思想，无不启发我们基于科学方法论的原理，在繁复中追求课堂教学要素的至“简”。裁剪教学素材，在概念、规律的学习起始阶段，对涉及的教学要素“能简则简”，让复杂源于简单，让学生体验如何化复杂为简约，真正让学生易于入手掌握主要内容，让有限的教学时空发挥较高的教学价值[2]。
案例1 向心力与向心加速度的教学。
该内容一直是不少高一学生较难理解的，其原因在于教学探究过程的要素较为繁多，学生对向心力的物理观念尚未完全建立时，教材便列举了向心力作用的诸多实例，以便巩固对向心力的理解。由于力作用的抽象性，学生便难以从这些实例中进一步领会向心力的方向特征，而针对该教学内容，现行的各类教材在编排或者提供的素材上大同小异，延续了近半个世纪。此外，几乎所有高中物理教材都出现了利用变速塔轮、长短槽和弹簧测力套筒组成的“向心力演示器”说明向心力大小的规律，其本意是通过控制变量法定量探究向心力大小的规律，但该演示器定量演示的效果较差，一般用于定性说明。即便如此，为了体现控制变量法的思路，需要教师较为繁复地说明该器材的结构、使用方法、操作方法等，实际上仪器本身的使用方法已成了这一节课不少学生学习的难点。
解决这一问题的思路是“简”。简化与向心力探究无关的繁复琐屑的教学因素，让需要探究的物理对象更为简洁、直观地展示出来，引领学生聚焦于当前需要解决的问题——匀速圆周运动的物体究竟需要怎样的力学条件？简约后的教学过程，可更为直观也更深刻地揭示向心力和向心加速度的本质。
如图1所示，水平光滑玻璃板上，有一个用强力胶固定的拉力传感器，轻质细绳一端系一个质量为m的小钢球，另一端连接在拉力传感器上。在小球绕传感器做圆周运动的路径某处，安装一个光电门，用于测量小球的瞬时速度。某一次实验，测出小球到光电门的距离r，然后沿着垂直于细绳方向击打小球，让小球离光电门不远处开始运动，记录小球通过光电门时的速度v及拉力传感器的示数F（可以通过展示台放大呈现）。
通过不同的击打力度，让小球获得不同的速度，从而记录多组数据。让学生作出F-v和F-v2图像。通过实验，学生发现，F-v2图像近似为一条过原点的倾斜直线。通过上述简化后的实验及学生获得的数据图像，进而让学生讨论以下递进问题：①小球的运动可近似看成什么运动？②击打后的小球受力情况如何？③为什么可以认为绳子的拉力是其合力？④小球的加速度方向如何？⑤F-v2图像近似为一条过原点的倾斜直线，说明了什么？⑥该图像的斜率你能算出来吗？是多少？⑦其斜率与质量m还有半径r之间有什么关系？⑧综上所述，说明做匀速圆周运动的物体所受合力与m、r、v之间的关系是什么？通过上述连串追问，引发学生思考的同时，还可以直观而又简洁地将向心力的特点探究出来。
一直以来，几乎所有的教材和相关教辅资料都始终围绕F=mω2r来探究向心力的大小特点，然后通过v=ωr的关系式，得到F=mv2/r。教学实践表明，该教学效果并不理想。
上述简化方案，起始于对繁复琐屑的反思，最后回归到简单的物理本质，另辟蹊径，从最直观的关系F=mv2/r入手，方可洞见复杂中的真谛。实际上，这完全契合了爱因斯坦提倡逻辑简单性的原则，爱因斯坦认为“物理真实的东西一定是逻辑简单的，应将逻辑简单性作为建构理论的基本方法论原则”，他一生對“简单性”的坚定信仰与追求，无不体现着超凡的科学智慧[3]。
2? ? 晦暗中追求课堂教学过程的至“明”
高中物理的学习，涉及的对象和研究的过程多，从单一物体到多物体系统，从单一过程到多过程，从力学、电磁学到热学等知识板块的综合，这些对学生来讲，都是不小的挑战。每当学生在对某物理过程所涉及的物理量特征理解不透，或是在具体问题解决中物理思维能力表现不足，亦或是受限于已有知识水平而导致思维处于朦胧晦暗中，最终让其对学习的内容产生“听不懂、想不通”的感叹，进而丧失了对物理学习的兴趣和信心。
针对上述困境，教师可以通过多样化的途径，明晰物理概念，明示思维过程，明辨问题与结果的物理关联，在晦暗中追求课堂教学过程的至“明”，促进学生科学思维与科学探究等核心素养的发展。
案例2 牛顿第二定律中加速度的瞬时性的教学。
瞬时加速度这一概念体现了牛顿运动定律中力与物体运动状态的变化两者之间的关系，表达了牛顿力学的核心观念——力与加速度的瞬时对应关系。不少学生对此部分内容感到疑惑。对此，我们采用“明”的策略收效甚好，可从下述三个方面进行。
首先，明晰物理概念。①瞬时加速度与瞬时速度的区别。可以通过实例辨明，例如，小球竖直上抛处于最高点的瞬间，弹簧弹出小球的瞬间等。让学生在处理涉及瞬时加速度问题时排除瞬时速度的干扰。②恒力和变力的差异。通过具体的实例展示恒力和变力的差异，特别注意弹力的大小是取决于物体的形变程度，而非速度、位移、加速度。③惯性与力的差异。通过具体实例说明物体惯性的表现在于不能瞬时产生可观的位移，但可产生瞬时的加速度。
其次，明示思维过程。如图2所示的常见弹簧问题，开始质量都是m的A、B两个小球静挂在弹簧和细线下，在某瞬间细线断裂，此瞬间两个小球的加速度如何？教师应该向学生有序展开自己解决此问题的思维过程，并与学生分享，明示“潜在的思维步骤”，让自己的思维透明化，而不是一味地追求形式上的学生探究。学生正是缺失思维过程的范式启发与方法点拨才会导致思维晦暗。可先引导学生明确要解决此瞬间之前的问题，就应该回溯此瞬間之前的两个物体的受力情况。然后，明示“断绳”这一瞬间对瞬间前存在的各个力带来的影响。这里特别值得分析的是具有惯性的两球瞬时位移为零，因而弹簧形变及其弹力均不变。最后是分析每个小球此瞬间的受力情况，进而得出加速度情况。
最后，明辨结果与条件的关联。绳子产生的弹力瞬时改变了，弹簧产生的弹力没有瞬时改变，造成了绳断瞬间的加速度如题中分析。
在高中物理教学中，由于学生知识、能力与思维策略水平以及想象力等限制，物理教师采用以上“明”的策略，可以很好地帮助一大批中等及以下学习水平的学生提升核心素养，真正让物理问题的解决过程成为思维提升与方法掌握的过程。
3? ? 混沌中追求课堂教学方法的至“悟”
高中物理课堂中，不少教师发现学生在学习过程中面对某些问题貌似能够解决，但是经常出现“要么不能彻底解决，形成所谓的‘就差最后一点点，要么‘歪打正着，形成不知所以然的局面”。不少教师往往归结于学生粗心，这实际上反映了学生对问题的物理本质和物理方法的认知存在“混沌”之处，没有达到问题解决所需要的程度。
解决这一困局关键在于物理教师要精心构设并抛出与问题相关的系列化的“问题链”。构成“问题链”的若干小问题本身要短小，涉及知识着重在于关键点上，最好是有一定难度且易错，特别是容易引起学生产生似是而非的混沌认知的问题。这可促使学生的深度思考，领悟问题的物理本质，领悟物理方法的运用过程，领悟物理思维的自我提升。
案例3? 一道曲线运动综合问题的教学过程。
如图3所示，在距水平地面高h处，水平固定长直光滑杆，杆上P处固定一可绕水平轴无摩擦转动的定滑轮（大小不计），P点右边杆上套一个质量为m的滑块A。半径为R的光滑半球形轨道竖直固定在地面上，其圆心O在P点正下方，轨道上套有一个质量为m的小球B。不可伸长的柔软细绳通过定滑轮连接小球和滑块。杆和半圆形轨道在同一竖直面内，A、B均可视为质点。现对滑块施加一个水平向右的恒力，试求：B球从地面拉到半圆形轨道顶点C的瞬间，其速度大小。
不少“会做”这道题的学生对B球运用动能定理，得到：-mgR+F[■-（h-R）]=■mv■■，其中，-mgR为重力对B球所做的功，F[■-（h-R）]为拉力所做的功，方程右边为B球的动能变化。
做出如此解答后，学生们在反思中却陷入迷惑，导致后期类似的多个物理问题的解决过程都处于混沌之中。教师可以此题为载体，经过学生的作答反馈，梳理学生的迷惑之处，然后设置系列化的小问题在课堂中提问。这些小问题虽然是孤立知识点上的小问题，但是构成了一个系列化的富于启发性和引领性的“问题链”，目的是让学生在思考中“悟”出自己的错误出在哪里。①本题的研究对象是谁？②若研究对象是B球，作用在B球上的绳子拉力是变力，而且是方向变化的变力，公式W=Fxcosα只适用于恒力做功，“F[■-（h-R）]为拉力对B球所做的功”是否有问题？③若认为“F[■-（h-R）]为作用在A滑块上的水平拉力F做的功”，那么本题的研究对象是否应该为A和B构成的系统？④若是对A、B系统使用动能定理，A滑块的初动能为零，那么A滑块的末动能是多少？⑤有什么依据或方法判定A滑块的末动能？⑥在整个拉动过程中，力F和绳子对B球的拉力大小相等吗？教师抛出的系列化的“问题链”，让学生结合题目情境，体悟整个物理过程中的物体状态变化特点、加速度、位移、力、功、动能的关系，使得学生经过“悟”的阶段，获得真正的收获，最终在混沌中追求至“悟”。上述感悟过程，让学生从根本上理解了运用系统观念解决问题时应该注意的问题，有助于彻底理清动能定理的内涵，以及关联的物体系统内速度关系、加速度关系、力的关系和功的关系，从而实现由混沌到达至“悟”的学习境界。
4? ? 感性中追求课堂教学结果的至“理”
学生在物理学习的过程中，一般遵循着认识对象由感性的物理现实向理性的物理观念过渡，故而教师要充分把握“思维要从感性认知逐步向理性认知发展”的教学原则。但近年来，出现了不少针对应试的急功近利的教学过程，往往在感性阶段要么匆匆走过场，要么哗众取宠地铺陈，感性教学过程肤浅或者过度，没有真正实现在感性中诱发学生产生理性的问题探究需求，最终学生仅仅被动接收了教师灌输的几个概念，模仿性地解决所谓的“典型应试题”。一旦出现新情境、新问题，学生便茫然无措，导致对同样问题可能使用不同的物理原理或是同一原理不同情境下的运用错误百出。
如何破解这一困境？高中物理课堂教学应追本溯源，根据教学内容的实际需求，恰当地以感性材料、感性过程、感性方法诱导学生（进行）理性思考，理性分析探究过程中的数据、现象。对每一个物理原理力求搞清前提、对象、过程，特别是它在物理规律、方法体系中的地位，然后进一步思考“它是哪个层次的规律，比它高一层次的规律是什么？比它低一层次的规律又是什么？在运用中表现出来的差异是什么？在物理本质上如何看待？”等问题。这便是我们提倡在感性中追求课堂教学结果的至“理”。
案例4 安培力做功问题的教学。
长期以来，不少学生和部分教师在电磁感应问题中将“安培力做功的多少等于感应电路上产生的电热”作为一条“潜规则”深信不疑，造成不少误解。
实际上，物理规律具有自己的特定使用层次。例如，与能量转化守恒定律比较起来，麦克斯韦方程组是低一层次的规律，而法拉第电磁感应定律与麦克斯韦方程组相比较，也是低一个层次的规律。事实表明，有不少实例是能量转化守恒定律与麦克斯韦方程组可以解释的，而法拉第电磁感应定律以及楞次定律无法彻底说清楚。从能量转化与守恒观念看，安培力做功的多少与感应电路上产生的电热之间没有必然的等量关系。因此，针对“涉世未深”的高中学生，物理教师首先应该创设问题情境，通过具体实例，让学生获得感性认识，然后在具体实例的解决、解释中加强对问题的理性分析。比如，安培力做正功的许多情境中，安培力做功的绝对值并不等于电路上电流产生的电热。然后，进一步结合实例，给学生适当普及物理规律的层次性，提醒学生类似的所谓“规律”和“原理”在具体运用中存在的问题，获得科學方法论的熏陶以及辩证思维的训练与体悟，真正达成物理学科核心素养的养成。
5? ? 结束语
物理教学的价值在于立德树人，途径千变万化，目标在于提升学生的物理学科核心素养。上文所述的“简、明、悟、理”的教学过程实践与理论思考，是基于中国传统文化的传承以及物理学科的内秉属性，对当前真实的物理教学过程中所存在的一些问题进行剖析并尝试找到破解之法。期待在此抛砖引玉，获得同行的指正，以利切磋。
参考文献：
[1]廖伯琴.普通高中物理课程标准（2017年版）要点解读[J].物理教学，2020，42（2）：2-5.
[2]王高.大道至简 简中求道——对物理教学回归本真的思考[J].江苏教育研究，2016（7）：104-107.
[3]爱因斯坦.物理学的进化[M].上海：上海科学技术出版社，1962.
（栏目编辑? ? 赵保钢）
