基于核心素養(yǎng)的高中物理動態(tài)資源開發(fā)

張沖 張紅洋 王瑞珍

摘 要：中國基礎教育質量監(jiān)測協(xié)同創(chuàng)新中心的研究顯示，為了客觀反映學生的學業(yè)質量、身心健康和變化情況，應從科學觀念與應用、科學思維與創(chuàng)新、科學探究與交流、科學態(tài)度與責任[1]四個核心素養(yǎng)來制定科學教育評價指標；物理教育，作為國際科學教育研究的重要組成部分，在促進高中生思維與全人發(fā)展方面起著越來越重要的作用。本研究選取高中物理學科為研究對象，論證教師應扎根于核心素養(yǎng)的四個維度，有針對性地開發(fā)動態(tài)資源，以全面提升學生的素質。

關鍵詞：科學教育；核心素養(yǎng)；高中物理；動態(tài)資源

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2018）4-0067-4

高中階段的物理學習，對培養(yǎng)學生良好的數(shù)理邏輯思維、自然探究興趣和實事求是的作風起著奠基作用。2018年1月剛公布的《普通高中物理課程標準（2017版）》提出“體現(xiàn)物理學科本質，培養(yǎng)現(xiàn)代公民必備的物理核心素養(yǎng)”[2]。15～18歲高中生的“全人”發(fā)展訴求對物理教學提出了新的要求，如何通過物理學科教學培養(yǎng)學生的物理核心素養(yǎng)這一問題逐漸顯露。

1 新課標對物理教學的新要求

從學科本質上看，物理學是冷酷的，不講人情的，能站得住腳的就是客觀事實和實驗數(shù)據(jù)。在當前形勢下，物理的學科本質是對未成年人進行價值觀教育和求實精神熏陶的天然活素材。物理學作為自然科學和工程技術中的“母學科”，受到了聯(lián)合國教科文組織的重視，2005年被命名為“世界物理年”，物理學科為每個人更好地邁向社會生活提供了誠實的作風導向和思考問題的科學方法。

從學習者訴求來看，人日益渴望的精神文化層面的成長和身心人格的健全發(fā)展，這是邁入緊張高中伊始，學生向教學設計者提出的難題。必修1、必修2和必修3是準理科生和準文科生都要學習的，如何尋求“平衡點”，既滿足學生的“生活需求”，又照顧學生的“升學需要”，這就為教育工作者開發(fā)動態(tài)教學資源提出了要求。前者對應新課標中物理核心素養(yǎng)的關鍵成分，即培養(yǎng)適應個人終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備品格和關鍵能力[3]。

從教育學原理來看，開發(fā)智力和培養(yǎng)“德性”是文化課教學的主要出發(fā)點，二者相互反饋，相互促進?，F(xiàn)行常態(tài)化評價中，二者遭割裂的現(xiàn)象時有發(fā)生，“立德樹人”在高中場域中艱難前行[4]。能否堅守科學的“教育原理”，遵循心理學和人的成長規(guī)律；同時又能平衡評價體系要求，這是很有價值的一個課題。因此，學習者在規(guī)律學習中，在科學探究中，如何改善思維，錘煉人性，并將收獲內化為具有物理學科特質的品性，這值得關注。

下面，從建構主義出發(fā)，基于物理核心素養(yǎng)的四個維度，介紹如何開發(fā)動態(tài)的物理資源。

2 動態(tài)物理資源的建構

（1）注重概念和規(guī)律的提煉升華，培養(yǎng)學生的“物理觀念”

核心概念是近幾年國際科學教育的熱點，核心概念的進階學習被認為是科學教育的主要目標[5]。物理教育的研究，國際上一般放在科學教育里進行。物理概念是關于一類實物本質屬性的定義，譬如“什么是密度”“什么是質量”“手機發(fā)射出的無線電波是什么”……“是什么”也就是它們的固有屬性和本質特征在學習者頭腦中的反映，這是物理概念；而物理規(guī)律是反映物理現(xiàn)象所遵循的規(guī)律，例如，光的折射定律、動量定理、機械能守恒定律都是物理規(guī)律，再如“光波從光疏介質射向光密介質時，反射光會發(fā)生半波損失（這跟兩種介質的固有屬性直接相關）”，“物體順著重力場降落或一個正電荷順著電場線方向運動時，保守力都做正功，勢能轉化成動能，但總的能量在轉化中是守恒的” ……

核心概念和核心規(guī)律構成了物理教育的主體。然而，在傳統(tǒng)的應試教育中，教師忙于趕任務，學生疲于趕進度，對上述兩個“核心”缺乏提煉和升華；而在物理核心素養(yǎng)中我們強調更為上層的“物理觀念”，這是一種“大概念”和“綜合規(guī)律”，這是在實際未知情境中辨認適用情形的意識和在有限時間內整合提煉物理定義和規(guī)律的能力。譬如，學生觀察到雞蛋在鹽水中漂浮時，腦海中應即刻調出關于“物質的觀念”之本質屬性——密度，還可聯(lián)想到“相互作用的觀念”之浮力及其大小因素；再如，衛(wèi)星發(fā)射時，燃氣向下，馬上聯(lián)想到“作用的相互性”，所以火箭向上，緊接著，化學燃料耗損，高度不斷攀升，動能增大，這里就用到了“能量”的觀念——能量之間轉化和守恒，進入預定軌道后，地球與衛(wèi)星之間的萬有引力足夠提供向心力，這里涉及“相互作用和運動”的觀念，衛(wèi)星開始做勻速圓周運動。

可見，物理觀念主要涵蓋“物質”“相互作用與運動”和“能量及其轉化”三大觀念，這是對高中物理所有概念和規(guī)律的高度提煉和升華。

（2）提倡質疑創(chuàng)新和推理論證，培養(yǎng)學生的“科學思維”

思維是衡量一個人智力和學習能力的核心指標。人的思維的深度和靈活度在很大程度上能決定他的學習能力和解決問題的能力。高中力學朝夕相伴著15～17歲的學習者，理應成為培養(yǎng)學生的推理、質疑和創(chuàng)新思維的有力手段。譬如，解決斧子劈柴時怎樣更容易這一問題，可以對柴進行受力分析（圖1），然后進行正交分解，可以得到數(shù)學關系N=

從而驗證生活中“越薄的楔就越容易釘進物體里（越大）”的道理。

由此，學習者親建模型，浸入論證，運用分類討論和正交分解受力的方法，參與體驗了科學思維的全過程，即提出假設—選擇方法—推導闡釋—驗證或推翻假設。值得注意的是，思維實驗是理論物理學家常采用的方法，1924年德布羅意對應光波在黑體輻射、光電效應現(xiàn)象中顯示出來的“粒子性”，果斷逆向思維，提出：實物粒子除了具有粒子性之外，還應該會像波一樣發(fā)生干涉或衍射，具有“波動性”，這就是普通物理中提到的“物質波”。1925年，G·湯姆孫用電子束（實物）照射金箔，首次得到了電子的衍射圖樣（圖2[6]），直接證實了電子具有波動性；隨著技術的精良化，1961年，C·約恩孫得到了電子的雙縫干涉圖樣（圖3[7]），為實物粒子的波動性提供了最為直觀的證明。德布羅意的對比思維和逆向思維起到關鍵作用，協(xié)助他單純以博士論文獲得諾貝爾物理學獎。

教師在實際操作中，首先應給學習者思維以自由空間，引導學生探究物理本質，力行示范用科學語言和符號來整理規(guī)范思維，撰寫符合格式的文章，提升學習者思維的邏輯性。

（3）鼓勵提出問題和解釋交流，激發(fā)“科學探究”能力

辯證唯物主義是自然科學的認識論，而扎根于唯物主義的科學探究又為自然科學提供了方法論，具體到自然科學的“母學科”——物理學也如此。英國《國家科學教育課程標準》提出通過科學教育主要為了培養(yǎng)學習者如下的核心技能：科學調查研究，科學探究、發(fā)現(xiàn)和交流各種不同的事實、觀點和意見以及收集、思考與分析第一手和第二手數(shù)據(jù)[8]；在英國，很多小學生都會收到一個家庭作業(yè)，做一項與生活息息相關的科學調研，完成很大的閱讀量，分析相關數(shù)據(jù)，并采用科學語言寫成報告。相比西方，我們的學生上述能力的培養(yǎng)長期滯后到本科畢業(yè)時甚至研究生階段。此次科學核心素養(yǎng)提出在中小學階段培養(yǎng)學習者的“科學探究”能力，是有實證依據(jù)的。

以具體教學為例，教師可在電磁感應一節(jié)中引入物理學發(fā)展史上的“科學探究”：1820年，大學老師奧斯特在做演示實驗時不經(jīng)意間發(fā)現(xiàn)了“電能生磁”。緊接著，法拉第反過來猜想“磁能生電”，他的支撐是“自然界一切事物都是相互關聯(lián)的”。為了驗證，法拉第設計各種實驗進行了多年艱苦卓絕的努力，直到1831年，終于驗證了“變化的磁場可以產(chǎn)生電場”的設想，最終提出了法拉第電磁感應定律，“電學之父”由此誕生。

（4）開發(fā)興趣，樹立實事求是的精神，培養(yǎng)“科學態(tài)度與責任”

科學是在挫折和反復摸爬中前行的，物理教育應該培養(yǎng)學習者基于事實獨立思考作出判斷的能力，對科學本質堅定的追求以及和諧地處理人與自然能源的能力。上述能力對應核心素養(yǎng)中的“科學態(tài)度與責任”，譬如麻省理工學院物理教師Walter Lewin（圖4）在講到人的身長測量時，應用事實說話，證明人體的豎直身長和水平身長存在顯著差異[9]。實測顯示：被測者Zach的豎直身長為183.2±0.1cm，水平身長為185.7±0.1cm，幾乎一英寸的前后差異證實了地球引力對人體脊椎的壓縮效應。Walter Lewin對“真相”的執(zhí)著追求和尊重事實的態(tài)度值得學習。

學習者卷入原始問題和物理學科發(fā)展史實，這是物理態(tài)度和責任教育的重要方法。邁克爾遜和莫雷不畏權威，設計實驗證明地球表面不存在光的傳播媒介——“以太”，推翻了經(jīng)典物理中連牛頓和麥克斯韋均“深信不疑”的“以太說”，為光速不變原理和狹義相對論鋪墊了事實依據(jù)。在實際教學中，學生理解了煤炭和石油燃燒后“熵”增加了，這個不可逆過程中能量的品質下降了，才不會輕信社會上“能量守恒，因此不需要節(jié)約能源”的謬論；學習者通過實驗儀器測量到了光壓，方才體會光波的粒子性……

值得注意的是，人類對于物理學科本質的理解具有階段性和反復性，這意味著學習者應該抱有理解乃至同情的心態(tài)來看待暫時的不完美和挫折，并努力求是，讓研究逼近客觀科學。譬如，愛因斯坦1916年從理論上預言了激光產(chǎn)生的可能性，即“原子受激發(fā)輻射放大”，但囿于技術平臺，直到1960年，美國人T.H.梅曼才制成了世界上第一臺紅寶石激光器，證實了愛因斯坦在44年前的假說。再如，在學習選修3-4《相對論簡介》時，不少學生難以相信動尺收縮和時間延緩的實際效應，甚至萌生“狹義相對論在通常情況下很難成立”的錯誤觀念。這時教師可以用宇宙射來的介子為例闡明，介子的半衰期也就是壽命很短只有T0=2.2×10-6 s，其速度v=0.995c，距離地面實驗室l0=6 000 m，若不考慮相對論效應，用時間乘以速度得介子的運動距離不足700 m。但客觀上，美國地面實驗室接收到了此高能粒子，與理論計算相悖；實際上，此時粒子速度完全可以與光速比擬，必要考慮相對論效應，在動系S'中，粒子壽命（時間）延緩了，最后計算出運動距離l=6 700 m，可成功抵達地面。

學習者通過上述教學案例，深刻地體會到狹義相對論的客觀真實性，堅定了科學情感態(tài)度，增強了物理學習的責任感。

3 反思與展望

素養(yǎng)，又解“素來的修養(yǎng)”，非一蹴而就的；對于科學素養(yǎng)的獲得更是如此，教育部《義務教育小學科學課程標準》印發(fā)一年了，科學核心素養(yǎng)的培養(yǎng)應遵循連貫性原則，不斷進階，前后相承，而非到了高中階段突然開始培養(yǎng)物理核心素養(yǎng)。如何評估學習者先前的物理素養(yǎng)水平，有的放矢地展開資源，這是值得反思的。

其次，將心理統(tǒng)計與測量應用于物理核心素養(yǎng)的監(jiān)測和考評中，會成為本領域的重要課題。新課標附錄給出了物理核心素養(yǎng)的水平劃分及對應標準，這對高考命題具有導向作用，有助于物理核心素養(yǎng)成為可測評、可考量的變量。

值得一提的是，本文主要針對高中階段物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，然而，我們并不能止步于此。在剛剛落幕的教育部物理學類專業(yè)教學指導委員會西北地區(qū)工作委員會第二次會議（2017年12月）中，我們發(fā)現(xiàn)，一些斬獲陜西省大學生物理學術競賽佳績的工科本科生最終將其研究成果發(fā)表在了Physical Review B等SCI來源刊物上。由于工作的原因，筆者也曾參與此項賽事的指導。我們從剛進入大二的學生中選拔苗子，比賽不區(qū)分參賽者是否出身于物理學類專業(yè)，大部分參賽者出身于工學專業(yè)?？梢?，高中物理乃至大學物理公共課教學滲透給學生的科學核心素養(yǎng)，其潛在的“墊基”作用很難估量。

參考文獻：

[1]胡衛(wèi)平.物理學科核心素養(yǎng)的建構[J].中學物理教學參考，2017，46（13）：1-3.

[2][3][4]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[5][8]韓葵葵，胡衛(wèi)平，王碧梅.國際科學教學心理的研究進展與趨勢[J].華東師范大學學報（教育科學版），2014（4）：63-70.

[6][7]常文利.大學物理教程[M].上海：上海交通大學出版社，2014：325.

[9]Walter Lewin.麻省理工學院公開課：經(jīng)典力學[EB/OL].http：//open.163.com/movie/2009/5/T/V/M6S8LP3CJ_M6S8LUVTV.html