基于物理学科核心素养的课堂渗透*
——以PBL导向下“牛顿第三定律”的教学为例

周后升

[北京师范大学(珠海)附属高级中学 广东 珠海 519000]

笔者尝试在PBL导向下进行物理学科核心素养的课堂渗透，并以“牛顿第三定律”的教学为例进行一些实践性的探索和思考.

1 物理学科核心素养的认识

1.1 物理学科核心素养的构成

物理核心素养是学生在接受物理教育过程中逐步形成的适应个人终身发展和社会需要的必备品格和关键能力，是学生通过物理学习内化的带有物理学科特性的品质，是学生科学素养的重要构成.物理核心素养主要由“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”4个方面构成[1].

1.2 物理学科核心素养的内容建构关系

物理学科核心素养的内容建构关系如图1所示.

图1 物理学科核心素养的内容建构关系

这里把物理教育活动比作“培植一颗苹果树”：浓密的树叶下挂满的苹果，如我们教育活动的结果获得大量的“物理知识”一样；岂知丰硕果实需要粗大的树干支撑，它就如教育活动中的“科学思维”——物理思想方法是获得物理知识的必由之路；树根是树的根基，树干的延续，树苗能够长成参天大树的基础，正如我们进行“物理观念”的教育要从根本抓起，物理观念是科学思维的凝结，位于科学思维教育的上位；大树生长需要水分和养料，它不构成大树本身，但却是大树生长不可或缺的营养，就如缺少了“科学态度与责任”的教育活动是不可能成功的；我们在辛劳培植这棵苹果树的过程中正像教育活动中进行了一番“科学探究”！通过“核心素养树”的类比，我们认识到核心素养内容构成既相互关联又相互依存，层层递进，呈逐步升华的样态[2].

2 了解“PBL”

2.1 什么是“PBL”

PBL即Problem-Based Learning的缩写，是以问题为导向的教学方法，是基于现实情景的以“学生”为中心的教育方式.与传统的以学科为基础的教学法有很大不同，PBL强调以学生的主动学习为主，而不是传统教学中的以教师讲授为主；PBL将学习与任务或问题挂钩，使学生投入问题中；它通过设计真实性任务，强调把学习设置到复杂的、有意义的问题情境中，通过学生的自主探究和合作来解决问题，从而学习隐含在问题背后的科学知识，形成解决问题的技能和自主学习的能力.

2.2 PBL导向下的课堂教学设计思路

PBL导向下的课堂教学设计思路如图2所示.

图2 课堂教学设计思路图示

3 PBL导向下基于物理学科核心素养在课堂教学中的渗透

BPL导向下“牛顿第三定律”的教学设计[3]如表1所示.

表1 牛顿第三定律教学设计

续表1

4 “PBL导向下基于物理学科核心素养的课堂渗透”的几点思考

4.1 生成和体验问题阶段要重视课堂问题的情景化和生活化

问题是教学中最有价值的资源.杜威指出,“学生应该从生活中学习，源于生活的学习可以无处不在.”因此课堂教学要从学生生活体验出发，创设学生所熟知的生活化问题情境，激活学生原有知识、观念及认知经验，激发学生的学习兴趣.如“牛顿第三定律”一课中,设计“鼓掌”“鸡蛋碰石头”等生活中常见的情景，让学生感受力的作用是相互的，并在体验中猜想相互作用力的大小关系.

4.2 猜想假设阶段要培养学生课堂敢于猜想和勇于探究的“科学探究”意识和水平

从语义上讲，“探究(inquiry)”在《牛津英语辞典》中是指“求索知识或信息，特别是求真的活动;是搜寻、研究、调查、检验的活动;是提问和质疑的活动”.“科学探究”作为一种认知活动,要经历一定的活动程序或阶段：生成问题→猜想假设→制定方案→进行实验→检验假设→交流分享等.

如“牛顿第三定律”一课中,针对“一对相互作用力的关系可能有哪些”的猜想，教师要机警地从学生“七嘴八舌”的讨论或“窃窃私语”中“插嘴”,引导学生设计实验并大胆演示，启发学生完善实验方案，设计如图3(a)所示的用“置于活动纸板上的遥控汽车的运动使纸板后退”,图3(b)所示的用“安培力使线圈移动的同时U形磁铁也反向运动”等实验验证“作用力和反作用力”的性质是否相同的猜想，设计如图3(c)所示的“通过测量物体的重力与视重的差值求得水对物体的浮力，通过测量盛水烧杯对台秤压力的变化求得物体对水的压力”这种转换测量的间接实验，以及用如图3(d)和图3(e)所示的“弹簧测力计或传感器在静止和加速状态下的对拉”等直接实验定量探究“作用力与反作用力”的“大小是否相同”的猜想.这样将学生学习的关注点自然聚焦到探究主题——牛顿第三定律.

图3 牛顿第三定律实验设计

4.3 解决问题阶段要注重学生课堂“科学思维”方法的训练

科学思维方法，是人类在开辟知识新领域活动中，取得成功的有力武器.爱因斯坦说，“成功是艰苦劳动加正确方法……”.常态课堂中的“科学思维”训练要求教师应有计划地结合教材介绍科学家丰富多采的思维方法和研究方法，并将各种方法作为工具贯彻于课堂教学的各个环节，使学生逐步了解和掌握科学思维方法.

如“牛顿第三定律”一课中,用“感受观察法”通过“鼓掌”“挤压两个气球”等让学生形成“作用力和反作用力”这一重要概念；用“猜想假设法、实验法、转换法、物理模型法、归纳法”等建立对“牛顿第三定律”规律的认识，如用图3(c)的间接实验转换法，以及图3(a)、3(b)和图3(d)、3(e)的直接实验定量探究“作用力与反作用力”的大小关系.从而顺理成章归纳出牛顿第三定律.此外本节课还用到对比研究法，如把一对“相互作用力”与一对“平衡力”进行比较研究，发现二者的异同，从而更好地理解“牛顿第三定律”的规律.

4.4 感悟问题阶段要启迪学生课堂质疑创新且培养其创造性思维

物理不仰仗权威而需要证据.质疑创新就是要有批判性思维的意识，进而提出创造性见解.课堂教学中要培养学生凡事都要问“何事？为何？何故？(what？why？how？)”，而不仅仅停留在“何人？何时？何处？(who？when？where？).

“牛顿第三定律”一课中学生的“质疑思维”典型体现为：

(1)用如图4所示的图像说明其方向总保持相反，其实纵坐标的正负是人为选取的结果，不能说明方向每时每刻相反[4].

图4 作用力与反作用力方向相反

(2)DIS实验中用力传感器或弹簧测力计定量探究“作用力与反作用力”的大小关系时，隐含内在逻辑上的循环论证.理由是对“平衡状态”的两测力计使用整体法受力分析，可得两外力大小相等方向相反.再对各测力计使用隔离法可得一个挂钩压力与另一个对应外力的平衡方程，联立可推导两挂钩间压力“F=-F′”的表达式.因此，用弹簧测力计(或力传感器)来验证牛顿第三定律是不合适的.

(3)“牛顿第三定律”的数学表达“F= -F′”和文字表述“两个物体之间的作用力和反作用力‘总是’大小相等、方向相反，作用在同一条直线上”，很多学生质疑：“牛顿第三定律”的正确表达应该为矢量式F=-F′；“总是”难道定律没有适用条件和范围吗？事实上，“牛顿第三定律”只有在“相互作用的物体的速度远小于传递相互作用的速度(如光速)”才成立[5].

(4)如图5所示的“拔河比赛”的胜负不能简单用牛顿第三定律和地面对人的摩擦来解释，它需要考虑绳的质量的有无，更是一项靠体力、毅力与协作来取胜的体育项目.

图5 拔河比赛

4.5 问题链条解决的整个过程中应渗透“物理观念”“科学态度与责任”的教育

物理观念的更新记录着人类对客观世界认识发展的历史.爱因斯坦指出,“在建立一个物理学理论时，基本观念起了最主要的作用……”.我们在平时的常态教学中除强调科学知识、技能与方法外，“科学态度与责任”的育人教育应与时俱进，重视与科学·技术·社会·环境(STSE)的密切联系.

如“牛顿第三定律”一课中，“物理观念”的教学贯穿始终.由于本节课研究的本就是力的相互作用规律，自然体现了“相互作用观”；而“力”这个核心概念又绕不开物质，所以也体现了物质观念；分析说明牛顿第三定律在各种不同运动情况和时空成立条件的过程，充分体现了运动观和时空观等等.本节课在“科学态度与责任”的教育方面也是不遗余力，引导学生猜想“作用力和反作用力”的各种关系的同时不忘实践(验)检验，不盲目“瞎猜臆想”；并尊重客观实验数据，实事求是.在展示“天宫二号”发射升空的视频说明牛顿第三定律的应用时，激发学生探索太空的兴趣及爱国热情.演示“拔河比赛”时强调团结协作的力量也是决定输赢的重要条件.

5 结束语

高中物理的课堂教学内容非常丰富，教师要从纷杂的概念、规律或定理、公式中挣脱出来，用更高远的视野，抓住物理学科的核心知识——核心概念、规律，体验并感悟重要实验和思想方法；提升核心能力——理解、推理能力，分析、综合能力，利用数学工具解决物理问题的能力和实验能力；端正科学态度——如学生的情感、态度、价值观及科学精神、兴趣和合作意识等教育，全方位进行物理学科核心素养的培养.落实到学生层面，让学生不仅获得了信息(what)，而且得到了证据(why)，同时也学会了方法(how)，甚至更新了自我(who)[6].

1 中华人民共和国教育部.物理课程标准(征求意见稿).普通高中课程标准修订组，2016.9

2 邢红军.论物理思想的教育价值及其启示.教育科学研究，2016(8):64～65

3 周后升.“问题驱动法”构建探究式物理课堂——“楞次定律”教学案例剖析.物理教学，2016(12):18～20

4 白晶.指向深度学习培养核心素养.中学物理教学参考，2016(3):3～4

5 胡扬洋.物理教材“牛顿第三定律”编写存在的三个疑难问题.课程教学研究，2014(1):76～77

6 王高.物理核心素养培养浅探.物理教师,2016(12):18