建构螺旋上升闯关模式 培育物理学科核心素养--以“验证机械能守恒定律”为例.pdf

E-mail:.课改在线May.2023中物理教学参考Vo1.52 No.5建构螺旋上升闯关模式培育物理学科核心素养以“验证机械能守恒定律”为例*杨荣余耿华2谢桂英3彭宪流4（1.广东省茂名市电白区教师发展中心广东茂名5254002.广东省教育研究院广东广州510000)（3.广州市荔湾区教育发展研究院广东广州5100004.英德市教师发展中心广东清远513000)文章编号：10 0 2-2 18 X(2023)05-0001-04中图分类号：G632.0文献标识码：A摘要：如何培养物理学科核心素养是新课程改革中需要解决的重要问题。以“验证机械能守恒定律”为例，建构螺旋式上升的教学模式，将该模式付诸教学实践，培养学生学科核心素养。关键词：闯关模式；机械能守恒定律；学科核心素养自然科学是哲学的基础，哲学又对自然科学的发展具有指导作用。笔者认为，学生物理学科核心素养的形成与一切事物的发展都遵循这一规律，即由简单到复杂、由低级到高级的循环螺旋上升过程。为此，笔者在实践与理论研究的基础上，根据普通高中物理课程标准（2 0 17 年版2 0 2 0 年修订）的要求，遵循学生身心发展的规律，尝试建构螺旋式上升的课堂教学模式，培养学生的物理学科核心素养。一、相关概念的内涵1.循环反复，螺旋上升螺旋形上升（spiralrise）是对否定之否定规律所揭示的事物发展形式的一种形象比喻，是由矛盾引起的发展或否定之否定一一发展的螺旋形式。事物发展的总方向和趋势是由低级到高级、由简单到复杂的前进运动，但前进的道路不是直线，而是迁回曲折的，前进中会出现反复的现象。列宁指出：发展似乎是在重复以往的阶段，但它是以另一种方式重复，是在更高的基础上重复。人类的学习过程同样是经历一次又一次“学习一实践一坚持”的螺旋上升过程，如图1所示。实践坚持学习实践学习坚持实践学习实践坚持学习图12.物理学科核心素养普通高中物理课程标准（2 0 17 年版2 0 2 0 年修订将原课标的教学目标进一步整合提升为“物理观念”“科学探究”“科学思维”“科学态度与责任”四个方面。物理学科核心素养的四个方面之间相互联系，密不可分。物理观念、科学思维是科学探究的基础，影响科学探究的开展；科学探究既是学习过程，又是物理观念形成和科学思维培养的方式；科学态度与责任的形成渗透于学习的整个过程，科学态度与责任则反作用于物理观念、科学思维以及科学探究。3.螺旋上升闯关教学模式螺旋上升闯关教学模式遵循事物螺旋式上升发展规律，课堂教学螺旋上升过程，如图2 所示。解决问题，阔关进阶水平4物理学科核心素养设置问题链水平3设置生活情境设置关卡水平2水平1一节课是大循环，每一环节是小循环，都渗透核心素养，逐环上升图2笔者设置大任务关卡（挑战性任务），以任务驱动、游戏闯关的形式组织教学，创设生活情境，引发学生对情境的兴趣，设置进阶问题链，引导学生在解决*基金项目广东省教育科研规划2 0 2 1年度中小学教师教育科研能力提升计划项目、教育科研重点项目“中学物理积件实验教学体系的建构与实施”，项目批准号：2 0 2 1ZQJK124；广东省中小学“百千万人才培养工程”专项科研课题“中学物理积件实验教学体系的建构”，课题编号：BQW2021JG1024。广东省重点领域研发计划“新一代通信与网络”重大专项（第七批）项目“5 G十智慧教育”，编号：2 0 2 0 B001130014；广东省教育科研“十三五”规划课题“农村学生物理学科核心素养培养的途径与策略的研究”，课题编号：2 0 18 YQTK309；广东省教育科学规划2 0 2 3 年度中小学教育科研能力计划项目，“指向科学思维提升的中学物理游戏闯关教学模式的构建”，课题编号：2 0 2 3 YQJK800。E-mail:2问题5如何利用这些常见的物理模型验证机什么物理模型？问题4图3 中四张图片舌情境可以简化为.课改在线2023年5 月中物望教学参考第5 2 卷第5 期问题的过程中逐步形成概念、掌握规律，促进科学思维的提升，解决真实问题，进一步闯关进阶，完成第一次螺旋循环上升的过程，完成“生活情境一知识一新情境”的过程，体现物理来源于生活、又走向社会的理念。课堂教学环环相扣、循环上升，各个环节都渗透着对学生学科核心素养的培养和提升。二、螺旋上升闯关教学模式实践案例“验证机械能守恒定律”基于学生掌握机械能守恒定律需要满足的条件，通过实验验证机械能守恒定律，体现“实践是检验真理唯一标准”的哲学思想。依据普通高中物理课程标准（2 0 17 年版2 0 2 0 年修订）可知，本节教学要做到以下几点：突出实验探究，引导学生经历科学探究；重视学生的自主学习；重视对学生理性思维的训练；促进学生能量观的形成。通过这一部分内容的学习，学生经历了科学探究的过程，逐步掌握科学探究的技能，学会建构物理模型，利用常见的物理模型解决实际问题，初步形成能量观，科学态度与责任也得到进一步提升。笔者在“验证机械能守恒定律”的课堂教学中，设计了四个大闯关环节，以进阶问题链为引导，促进学生核心素养的螺旋式上升。1.体验生活情境，感知物理观念物理观念是从物理学视角形成关于物质、运动、相互作用以及能量等的基本认识，是物理概念、规律在头脑中的提炼和升华，是从物理学视角解释自然现象，解决实际问题的基础。学生的物理观念来源于情境，又应用于情境，其桥梁是学生的感知、抽象和转化过程，实验证明物理规律螺旋上升的首要环节是教师要创设学生常见生活情境，让学生感知与规律相关的物理观念，初步用能量转化的物理观念解释情境中的物理现象，进一步强化能量转化的物理观念。【第1关】体验自然界中的能量转化。生活情境观察如图3 所示的生活图片，回答问题图3问题1以以上四种情境中，蕴含哪种形式的能量？各种能量之间有什么关系？设计意图图学生能够从能量的角度观察生活现象，将荡秋千、撑竿跳等常见生活现象与物理联系起来，进行简单分析，得出各情境中存在的能量形式以及物体动能和势能之间相互转化，通过学习培养学生的物理观念、科学思维水平1或2 的核心素养水平。【第2 关】感知机械能守恒定律。问题2机械能守恒定律如何表述？问题3 图3 的四张生活情境图片中，哪些物理过程的机械能守恒？设计意图通过问题2 的设问，引导学生了解“只有重力和弹力做功的系统内，动能和势能发生相互转化，而系统的机械能总量保持不变”，达到物理观念素养水平1的要求。问题3 中四张图片的内容从简单到复杂，研究对象从单体到多体，思维难度逐步提高，学生能够对情境中物体的能量变化进行简单分析、推理，得出机械能守恒的条件，初步形成能量观，物理观念及科学思维素养水平由水平1提升到水平2。2.联系情境与模型，培养学生模型建构的能力“模型建构”主要指对一些客观复杂的物理现象进行抽象处理，忽略次要因素，提炼出主要因素，从而得到能够凸显事物本质属性的理想模型，将复杂问题简单化、抽象化。在了解能量转化的基础上，教师要引导学生建构相应的模型，根据需要控制相关变量进行实证研究。因此，从情境到模型是学生验证规律螺旋上升的第二个挑战性任务。【第3 关】联系情境与模型，初探模型与实验验证。械能守恒？设计意图在问题4 的驱动下，学生通过对实际情境进行分析，抓住情境中的主要因素，去掉次要因素，将实际情境简化、抽象为如图4 所示的常见物理模型：荡千秋一单摆，撑竿跳下落过程一自由落体运动，弓箭离弦后运动一平抛运动，斜面滑冰一斜面运动，投篮一斜抛运动。在物理模型的建构过程中，模型建构水平得到进一步的巩固和提高，达到了水平3。通过问题5 引导学生对自由落体运动、平抛运动等常见物理模型进行分析，提出可探究的问题：怎样利用常见物理模型验证机械能守恒。学生通过讨论、交流，明确可以利用单摆运动、自由落体运动、平抛运E-mail:3依掂头验杀件什拥定，进行日土九。.课改在线May.2023中物理教学参考Vo1.52No.5动等常见物理模型验证物体机械能守恒定律，并初步做出假设。通过解决问题4 和问题5 顺利通过任务关卡3，学生已经具备能量观，能够通过分析推理，将实际情境转化为物理模型，提出可探究的物理问题，选择合适的物理模型解决实际问题。学生思维达成进阶，科学探究水平提升到水平3；物理观念、科学思维水平由水平2 螺旋上升，初步达成水平3 的要求。00-0-0-0X自由落体运动平抛运动FLLLLLLLLBGC小球的摆动物体沿光滑斜面下滑图43.动手分组实验，培养学生“证据”能力科学探究要素包含“问题、证据、解释、交流”，其中“证据”与设计实验、获取和处理信息的能力密切相关，即：设计实验能力：能根据实验目的和条件设计实验方案、选择实验方法和器材，确定实验的变量；获取和处理信息的能力：进行实验操作，用多种方式收集数据，知道重复收集实验数据的意义，具有安全操作的意识等。动手分组实验是培养学生证据获取和证据应用的重要活动。在分组实验中，教师要加强指导，扮演导演者、鼓励者、指导者的角色，努力创造活跃、快乐，紧张、有序的良好氛围。动手分组实验是学生验证规律螺旋上升的第三个大闯关。【第4 关】设计多种验证机械能守恒的实验方案，问题6选用哪种实验方案验证机械能守恒学生利用自由落体模型设计实验方案，通过测量重物下落过程中的重力势能以及动能的变化量验证机械能守恒。设计意图引导学生准确表述所提出的问题，对所提出的问题进一步具体化，最终形成可用于探究的结构不良问题，达到对学生科学探究素养水平4 的要求。学生能够根据实际情况，设计并灵活选用合适的实验方案进行实验，这意味着学生的物理观念水平进一步得到巩固，满足水平4 的要求。问题7本实验的实验原理是什么？生禾利用打点计时器在纸带上记录物体从静止开始自由下落的高度hi，计算相应的瞬时速度，求出物体在自由下落的过程中，重力势能的减少量E,1=mgh，与动能的增加量Ek=mu?,若Ek=21E 成立，即mu=mgh：成立，即可验证机械能2守恒。问题8选用哪些实验器材进行实验？生铁架台（带铁夹）、电磁打点计时器、刻度尺、重物、纸带、电源等。问题9 女如何利用提供的器材进行实验操作？生（1)安装实验装置，如图5 所示。打开电源，然后释放重物。0打点计时器一纸带夹子重物图5（2）选择纸带分析记录的运动情况，如图6 所示测量高度，计算速度打点计时器在纸上记录重物运动情况，可以求出U，用刻度尺可测出h1。hh,h,-hih.-hzh2U2h3U3=2T2Tmgh.1m:一mu32mgh2初态一末态图6（3）确定3 5 个研究点，设计实验数据记录表，如表1所示。表1各点编号12345各点到起始点的距离h:/m各点瞬时速度U/(m:s-1)重力势能减少量E./J动能的增加量Ek/J（4）测量物体下落的高度，计算相应的瞬时速度，计算重力势能的减少量E,=mgh；与动能的增加量E-mail:4（本文编辑：王萍）问题论、感受及答提出的每个小组派过程、实验结HO.课改在线2023年5 月中物理教学参考第5 2 卷第5 期1E km，相关数据如图7 所示。215.0010ml2.1010m/2.4810m/22.8910m13.29 10m02345图7（5）分析判断即可验证机械能守恒，如表2 所示表2各点编号12345各点到起始点的5.00X7.10X9.58X12.47X15.76X距离h:/m10-210-210-210-210-2各点瞬时速度0.9751.1821.3741.5761.769U:/(m s-1)重力势能减少量0.2500.3550.4790.6240.788E,/J动能的增加量0.2380.3490.4720.6160.782E k/J问题10该实验的结果是什么？生在误差允许的范围内，重力势能的减少量约等于动能的增加量，即可验证机械能守恒问题11通通过实验发现，重物下落过程中减小的重力势能与增加的动能并不完全相等，为什么？生纸带与限位孔之间的摩擦力及空气的阻力，刻度尺测量时产生的误差（读数的估计值、尺与两点对齐的准确程度）。设计意图图问题7 11主要围绕实验验证的过程展开，学生能够设计验证机械能守恒的实验方案，选择合适的实验仪器开展实验，并能够从中获取数据、分析数据，最终得出机械能守恒的结论。通过这一过程，学生具备了科学探究的能力，能够制定科学探究方案，选用合适的仪器进行实验，获取数据，分析数据，寻找运动过程中物体重力势能与动能变化量之间的关系，得出在误差允许的范围内，机械能守恒的结论，利于对实验过程中出现的误差进行分析，并做出相应的解释，科学探究素养水平达到了水平4 的要求。通过实验探究学生形成了清晰的能量观，在探究过程中，学生能够对物体运动过程中的瞬时速度、能量关系等进行推理，利用多种方法对实验数据进行处理，得出物体机械能守恒的结论并做出解释。学生的科学思维素养达到了水平4 的要求。此外，学生本着认真负责，实事求是的态度完成了整个实验，在此过程中，学生的科学态度与责任得到了提高。4.分享实验成果，培养学生解释交流能力科学探究中的解释、交流能力既是一种科学研究能力，也是学习和适应社会的重要能力。其中，解释能力主要包括：对实验数据进行分析处理得出结论，对实验结果进行解释和描述等；交流能力主要指：评估反思和交流合作能力。评估反思主要包含尝试分析假设与实验结果之间的差异，注意探究活动中未解决的矛盾，发现新问题，吸取经验教训，改进探究方案等。交流合作主要包含：能写出实验探究报告，有合作精神、在合作中注意既坚持原则又尊重他人等。另外，让学生分组上台展示和交流实验结果非常有意义，通过交流取长补短、深入思考，深化学生对物理观念的理解，促进科学推理、科学论证、质疑创新能力的发展，培养学生实事求是、尊重他人，遵守学术道德的意识。【第5 关】分享实验结果，展现小组风采设计意图通过分享实验结果培养学生的表达能力、合作协调能力、应变能力及团队精神。整个学习过程中，学生经历由情境到建模、提出问题、分析问题，再到选择模型、开展实验、收集证据、分析证据得出结论，并对实验结果进行交流、反思，学生能够认识到物理研究是一种对自然现象进行抽象的创造性工作，形成实事求是的科学态度，达到物理学科核心素养水平4 的要求。综上可见，循环螺旋式上升教学模式是遵循事物的发展，基于思维进阶理论，以物理学科核心素养四个方面的内容为要素的教学模式，是为了更好地培养学生的学科核心素养，推动新课程改革向纵深发展，落实党和国家立德树人根本任务而做出的教学尝试。虽然该教学模式在实施手段、实施流程等方面尚有诸多需要完善之处，但是该模式值得进一步探索。参考文献1中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2 0 17年版2 0 2 0 年修订）M.北京：人民教育出版社，2 0 2 0.2余耿华。构建中学物理闯关型模式促进学生建模能力的水平进阶 J.中学物理，2 0 14（4）：2 8-3 1.4张媛媛.基于核心素养的高中物理教科书定量分析 D.南京：南京师范大学，2 0 2 1.5李伟峰。对“机械能守恒定律”表述的初步探讨 J.中学物理教学参考，2 0 2 1，5 0（3 5）：2 0-2 2.6刘旭芳.高中物理互动式探究实验教学的实践研究 D.成都：四川师范大学，2 0 2 0.7余耿华。运用实验闯关策略促进学生思维进阶：以高中物理“弹力”一课为例 J.中学物理，2 0 2 0（2）：13-16.8余耿华，谢桂英，许桂清.指向质疑创新能力发展的闯关实验教学 J.中学物理教学参考，2 0 2 2，5 1（5）：15-17.