基于物理学科核心素养的创设问题情境教学设计的研究

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作者简介：刘林，女，硕士，正高级教师。青岛市教育科学研究院高中物理教研员，青岛市人大代表。山东省特级教师，山东省教学能手，青岛市拔尖人才，全国优秀物理教研员，全国教研工作先进个人，教育部课程中心确立的高中物理学科青岛教研基地主持人，青岛市委统战部无党派人士工作室主持人，青岛市首批名师工作室主持人。兼任山东师范大学、曲阜师范大学和青岛大学硕士生导师，山东省基础教育专家指导委员会会员，山東省教育学会科技教育研究专业委员会副理事长，青岛市人民政府督学，青岛市高级专家协会会员，青岛市物理学会副理事长等。曾获山东省基础教育教学成果奖、山东省教育科研优秀成果奖、青岛市社科奖等十余项奖励。主持国家、省、市资助课题13项。出版专著6部，主编9部，发表核心期刊论文20余篇。

摘   要：本文研究了国内外有关情境教学的理论及实践经验，以及教学中落实《普通高中物理课程标准》提出的基本理念、课程目标和物理学科核心素养的要求。通过单元学习主题的设计思路，尝试创设问题情境的教学实施;以理论探究和实验探究的途径，研究推进深度学习，实现问题解决，促进学生物理学科核心素养的达成。

关键词：物理学科核心素养;创设情境;深度学习;教学设计

中图分类号：G633.7 文献标识码：A    文章编号：1003-6148（2019）5-0001-4

1    问题的提出

国外对情境教学的研究起步比较早，美国教育家杜威很早就提出了有关教学情境的问题。从1990年起，教学研究者探讨了情境学习的教学设计、教学模式与教学策略等问题。1996年，国外研究者在情境学习与课堂教学以及一些案例研究与开发等方面取得了重大突破。目前这方面研究的热点是建构主义学习理论指导下的情境创设、学生中心的情境创设和网络环境下的情境创设。

自上世纪80年代，国内一些教育者进行了关于情境教学的研究和实践，论证了利用物理学史、思维定势与物理事实的认知冲突、角色扮演等策略来创设物理情境的有效性;尝试通过物理实验、多媒体网络、问题解决途径组织情境教学，以及应用生活现象创设问题情境等。

国内外学者对情境教学的研究已经到了一个成熟阶段，世界各国都在积极地将情境教学理论付诸于教学实践中去。但是，情境教学在与具体的学科融合后，怎样落实《普通高中物理课程标准》（以下简称《课程标准》）的学科核心素养、实施指向深度学习的课堂教学改进，是今后一段时间内课堂教学努力的方向。

2    对《课程标准》中创设问题情境教学的理解

首先，《课程标准》反映了时代的要求，重视以学科大概念为核心，使课程内容情境化。引导教学关注育人目的，注重培养学生的核心素养，强调提高学生综合运用知识解决实际问题的能力，促进教、学、考的有机结合，形成育人合力。

其次，《课程标准》规定了物理课程的性质，指出“高中物理课程在义务教育的基础上，帮助学生从物理学的视角认识自然，理解自然，建构关于自然界的物理图景;引导学生经历科学探究过程，体会科学研究方法，养成科学思维习惯，增强创新意识和实践能力。”学生在学习物理概念之前，基于生活和已有的知识，形成了大量经验情境，这是构建新的物理概念的基础。要建构物理概念，必须在这个基础上对所观察的现象重新加工，在诸多客观情境中概括事物的共同属性，抽象出事物的本质特征，在“概括”和“抽象”的思维加工过程中完成对物理概念的构建。

再次，《课程标准》提出了物理课程的基本理念，倡导多样化的教学方式。指出“通过创设学生积极参与、乐于探究、善于实验、勤于思考的学习情境，培养和发展学生的自主学习能力。通过多样化的教学方式，利用现代信息技术，引导学生理解物理学的本质，整体认识自然界，形成科学思维习惯，增强科学探究能力和解决实际问题的能力。”因为物理教学通常是以知识为线索展开的，这就容易导致把教学的重点放在知识点的学习讲解上，并在教学中落实，而忽视了物理课程的育人功能。物理学科核心素养实质是对双基目标、三维目标的继承与发展。由“知识为本”转向“以人为本”，更加关注学生个体。只有尊重教育规律和学生身心发展规律，才有可能培育和发展学生的核心素养。

3    关于“向心加速度”创设问题情境的教学设计思想

《课程标准》（第15页）对匀速圆周运动相关内容要求的表述如下：

“2.2.3 会用线速度、角速度、周期描述匀速圆周运动。知道匀速圆周运动向心加速度的大小和方向。通过实验，探究并了解匀速圆周运动向心力大小与半径、角速度、质量的关系。能用牛顿第二定律分析匀速圆周运动的向心力。了解生产、生活中的离心现象及其产生的原因。

例2 了解铁路和高速公路拐弯处路面有一定倾斜度的原因。

活动建议：（2）收集资料，探讨自行车拐弯时受到的向心力。”

本节课采取了单元学习主题的教学设计理念，吸纳多个有关向心加速度的教学元素于一体，囊括课前直线运动和平抛运动的预习热身、加速度的方向和大小主题探究、向心力实验验证向心加速度公式、课外生活应用与探索等，促进深度学习的发生。贯穿总体的有两条线索：

一是物理（运动）观念线索：直线运动（课前复习）—平抛运动（课前复习）—匀速圆周运动（课堂重点探究）—变速圆周运动（实验验证）— 一般曲线运动（课后探究）。

二是科学思维与探究线索：建立科学模型（向心加速度方向）—作图比较分析—归纳推理结论—数形结合计算（向心加速度大小）—引发科学猜想—数理结合论证—科学实验验证。

单元学习目标的设计：本节课基于“运动与相互作用”的物理观念，从加速度的运动学定义入手，运用矢量运算法则作图探究、微元法推导得到向心加速度的方向和表达式，着重让学生通过探究过程体会极限思想，通过模型建构、科学推理和科学论证培养学生的科学思维能力;又从动力学观点分析，结合DIS数字传感器实验验证向心加速度的表达式，实验过程通过问题、证据、解释和交流这四个方面经历科学实验的过程，运用现代化信息技术分析数据解决问题，促进学生实验能力的发展;通过整个探究过程，激发学生的学习兴趣，形成探索自然的动力和严谨求实的科学态度。

4    关于“向心加速度”创设问题情境的教学设计思路

4.1    贴近学生的学习实际

根据《课程标准》的内容要求，教学设计要通过创设问题情境，引导学生逐步建立物理概念。所做的教学设计应当遵循学生的身心发展规律，贴近学生的学习实际。所以需要了解学生的物理知识基础，明确《课程标准》对“向心加速度”的内容要求。

学生已有的知识基础：对物体直线运动的加速度和平抛运动的加速度有了初步的了解，掌握了加速度是指物体运动速度的变化快慢。求解直线运动和平抛运动物体的速度变化量、速度变化快慢（加速度）时，学生运用数学的矢量运算方法即可求得，如图1所示。

设计意图：本节课“向心加速度”概念的建立过程，需要学生具备“向量”的数学基础。这对于高一学生来说，有一定的理解难度，且还要用微元法进一步推理。当时间趋近于0时的速度变化量Δv的大小和方向变化情况，从而得出向心加速度的方向和大小的表达式。教学中以直线运动和平抛运动为例，明确加速度的大小和方向的判断方法，为理解匀速圆周运动的向心加速度矢量图提供学习准备，即教学设计关注学生的学习基础，关注学生个性化，促进人才培养的转变。

4.2    体验问题情境的探究过程

关于科学探究，《课程标准》给出了四个要素，即问题、证据、解释、交流。

“问题：基于观察和实验提出物理问题、形成猜想和假设;

证据：设计实验与制定方案、获取和处理信息;

解释：基于证据得出结论并作出解释;

交流：对科学探究过程和结果进行交流、评估、反思。”

《课程标准》指出，创设情境进行教学，对培养学生的物理学科核心素养具有关键作用。“学生从情境中发现和提炼问题，对问题的可能答案作出假设，并根据问题情境运用已有知识制订探究计划，选择符合情境要求的实验装置进行实验，获取客观、真实的数据，通过对数据的分析形成关于物理规律的结论。”在向心加速度大小和方向的教学中，作出以下教学设计过程：

“向心加速度”的教学片段2（加速度的方向和大小）（如表1）。

设计意图：作图讨论不同时间间隔的速度矢量图，分析、归纳加速度的方向，体会由简单到复杂、由特殊到一般的科学探究方法。计算、推理、猜想、论证加速度的大小，提高数形结合、数理结合解决问题的能力，体会极限的科学思维方法。

“向心加速度”的教学片段3（实验验证向心加速度的表达式a=ω2r）：

分组实验：根据牛顿第二定律F=ma，物体质量一定时，向心加速度a和向心力F成正比，测得向心力F，可以间接得到加速度a和角速度ω、半径r的关系。用力传感器（集成）和光电门（集成）记录向心力F和角速度 ω 的数据，读取并录入半径r，运用计算机软件分析数据（如图3）。

设计意图：学生从运用数字化实验仪器验证向心加速度的大小的实验情境中发现，向心力F和角速度ω、半径r的关系，根据问题情境运用控制变量法制定探究方案，进行实验，获取客观、真实的数据，通过对数据的分析得到a=ω2r的结论。学生在活动中能真切感受科学探究过程，通过问题、证据、解释和交流完成科学实验过程，提高使用数字化实验设备解决问题的能力，体会通过科学描述和解释自然现象的乐趣，提升对科学本质的认识，提高科学探究能力。

4.3    推进深度学习，提升核心素养

深度学习的目的是让学生的成长从提高“解题能力”转向提高“解决问题的能力”，进而转向提高“做事的能力”。所以，教学问题的设计要改变之前的“非情境化”，要转向“情境化”，实现解决问题的教学和生成问题的教学。

“向心加速度”的教学片段4（持续性学习评价）：

1.想一想，如果想知道月球绕地球公转的向心加速度大小，需要先知道哪些物理量？上网查阅资料和相关数据，尝试得到结果。

2.在智能手机上安装名为“Sparkvue”的软件APP，就可以用手机来测加速度了。尝试让手机做匀速圆周运动，测一测它的向心加速度大小。

设计意图：本教学片段可以在课堂教学中提出，也可以作为作业提出，是对本节课学习之后的一种持续性评价，这是深度学习中教师教学、学生学习不可缺少的环节。教师应探索多样化作业，应设计与实施分层（基础型、拓展型）作业、任务式（实践型、探究型）作业和学科融合（跨学科、主题式）作业和个性化作业。通過作业的练习，提高学生在实际生活中迁移并应用学科知识和问题解决的思路方法来解决问题的能力。

5    本研究的目标指向

深度学习倡导单元学习。要求教师建立学科核心素养与学科核心概念之间的关系，依据《课程标准》和教材选择有利于培养学科核心素养的教学内容和情境问题，制定学习目标、选择学习内容、设计学习活动、组织课堂教学、进行学习评价等，使学科核心素养具体化、可培养、可干预、可评价。在课堂教学中，教师通过系统的学习设计，增强学生学习过程的体验性、互动性和生成性，实现“教—学—评”的一致性，以发展学生的核心素养，提升学科课程的育人品质。

本研究尝试为指向深度学习的教学实践提供范例，在问题情境创设、解决实际问题过程中，改进物理课堂教学效果，促进学生物理学科核心素养的达成。

作者说明：

2018年11月29日至30日，由教育部基础教育课程教材发展中心、课程教材研究所举办的第五届全国基础教育课程教学改革研讨会在浙江宁波举行。来自全国32个省（自治区、直辖市）的省级教研部门负责同志和14个学科省级高中教研员，全部的市级教研部门负责同志，以及课程教学领域的专家近1300人参加了研讨会，这是全国性课程教材教学研讨一年一度的盛会，也是基础教育领域全国性最具影响力的大型教研活动。

会上，教育部基础教育司副司长马嘉宾、教育部课程教材中心主任田慧生出席会议并讲话。为推动教研工作转型发展，充分发挥教研工作对基础教育课程教学改革的专业支撑作用，教育部课程教材中心和课程教材研究所启动了中小学学科教研基地建设工作。经各地申报和专家的严格遴选，教育部课程教材中心和课程教材研究所确定了义务教育阶段小学语文等6个学科教研基地、普通高中语文等29个学科教研基地以及2个综合教研基地，同时，设立了K-12技术与工程教育教研基地。由青岛市教育科学研究院高中物理教研员刘林主持的高中物理学科榜上有名。

会议遴选出全国28位教师执教14个学科、28节研究课。其中14节课来自浙江省，14节课分别来自北京、上海、天津、江苏、福建、新疆、四川、河南、海南、广东十个省市和计划单列市青岛。青岛三中物理教师梁爽代表青岛基地在会上展示了题为《向心加速度》的研究课。本文中节选的教学片段均来自梁爽老师的教学设计。

青岛市教研工作将以此为契机，深入研究新课标，研究学科核心素养的育人价值，促进学生通过学科学习逐步形成正确价值观念、必备品格和关键能力。在丰富而生动的教育教学实践中，不断提高教师的课程实施水平，推动课程改革不断深化，共创普通高中教育的新辉煌。

（栏目编辑    廖伯琴）

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