物理过程教学的内容与设计原则

石尧 田成良 翟磊 陈伟东

摘   要 在整体把握国内核心素养研究现状的基础上，聚焦一线课堂教学，采用凸显知识形成过程的教学思路，从物理概念定义、物理规律探究、实验器材研发、实际问题解决四个维度切入，进行了发展核心素养的教学设计探索，力图用设计思维改变教学实际，构筑核心素养与教学实践连接的桥梁，希冀为核心素养的本土化与学科化做出有益探索。

关键词 物理教学  过程教学  核心素养  设计原则

中国学生核心素养发展目标的提出既是落实立德树人根本任务的重要举措，又是适应世界教育改革发展趋势、提升我国教育国际竞争力的迫切需要。自核心素养问世以来，我国关于核心素养的研究已取得长足发展。

在宏观研究层面，林崇德教授主编的《21世纪学生发展核心素养研究》[1]一书可谓核心素养研究领域的扛鼎之作。该书厘清了一般核心素养的概念内涵与理论架构，形成了对一般核心素养的准确认识与基本定位，探讨了基于一般核心素养的教育质量评估、课程教学改革、教师专业发展及学习环境创设。在作为衔接的中观层面，即学科核心素养的研究，也在有条不紊地推进，以“物理学科”为例，已对“物理学科核心素养”进行了精准定位，明确了培养目标，并归纳出由“物理观念”、“科学思维”、“科学探究”、“科学态度与责任”构成的物理学科核心素养要素[2]。

虽然我国核心素养的研究在宏观与中观两个层面已臻于完善，但我们亦该充分认识到，核心素养的研究绝不能仅滞留于宏观、中观层面，满足于以概念界定、理论思辨和教学建议为主的研究取向，还应落实到课堂教学设计和教学实践中来。换言之，唯有扎实推进各学科基于核心素养的课堂教学设计，才能真正有效地发展学生的核心素养。于是，按照“一般核心素养——学科核心素养——核心素养教学”的研究思路，我们聚焦一线课堂，采用“凸显知识形成过程”的教学思路（简称“过程教学”[3]），从物理概念定义、物理规律探究、实验器材研发、实际问题解决四个维度入手，进行了发展核心素养的教学设计探索，力图构筑起核心素养与教学实践连接的桥梁，为核心素养的本土化与学科化做出有益探索。

一、物理过程教学的内容

1.回溯概念定义的过程

概念作为反映对象本质属性的思维形式，是对事物概括形成的存在于人脑中的观念，物理概念的定义具有很强的人为规定性。就来源而言，新概念往往产生于现有概念不足以帮助人们解决当前问题的矛盾中，即物理概念的创生必有相应的历史渊源。因此，为丰满学生对概念的认识，物理概念教学应尽可能结合概念形成的历史背景，以科学的方式为学生展现其定义的前因后果。

以初中“功”概念的建立为例，我国初中物理课本大都采用直接定义的方式，而隐晦“功”概念形成的思维过程，致使学生只能被动接受和记忆“功”的定义式，却无法参与到“功”定义式建立的探究中。有鉴于此，我们在追溯并结合“功”概念创生的历史渊源基础上，以主导“功”概念建立的乘积定义法为教学的逻辑主线，进行了教学重设[4]。首先以工业革命为情景引出思考问题——在消耗同等燃料的情况下该如何比较蒸汽机干活的多少？接下来，按乘积定义法的运用过程加以展开，即先借助蒸汽机施力（被乘数）“大小”进行尝试性“比较”，引发认知冲突，然后找到力作用的成效——物体运动的距离（乘数），进一步确定力与运动距离在方向上的统一关系，并利用乘法工具将力与运动距离合并到一起，最后结合乘法背后的累积思想与生活实例诠释“乘积定义法”的广泛意义，点化做功与能量转化间的内在联系。这种按科学方法的内在逻辑呈现物理概念建立过程的方式，使得教学脉络清晰而明快，有助于学生通过对知识的学习促进其核心素养的发展。

2.亲历规律探究的过程

物理规律揭示了事物本质属性之间的内在联系，具有客观性与普遍性，一般可以总结为简约的规律表达式，帮助人们定量预判研究对象的发展与变化。然而当前的规律教学中，其规律表达式的得出过程一般存有逻辑上的断点。以“万有引力定律”规律式的推导为例，由于历史中万有引力规律式的得出涉及微积分相关知识，为绕开这一死结，导致很多教师在处理其间的多项式乘积问题中，出现了明显的逻辑偏误，难以令學生信服[5]。需要重新创设符合学生认知规律的教学路径。

这里，我们由地球绕太阳运转的客观现象出发，先通过抽象建模将行星运行的椭圆轨道抽象为熟悉的圆形轨道，把行星的运动简化为匀速圆周运动，进而算得太阳对行星的引力;随后以“臻美思想”为引导，利用开普勒定律对上述表达式进行“消元降幂”的简化处理;接下来研究行星对太阳引力的表达式，换行星作参照物，结合行星绕太阳运动的频闪照片，分析太阳的运动状态，并类比猜想行星对太阳引力的表达式;随后借助归谬法判断出两表达式中常量k的不同，对太阳所受引力的表达式做进一步的修正，最后再一次由臻美思想出发，结合牛顿定律与数学代换，将两个表达式统合到一起，并用“引力常量G”代换消去式子中的4？仔2C，得到最终的引力规律式[5]。整个教学过程以臻美思想引领规律式的推导，使科学方法的运用做到言必有据，彰显了“从物理知识传授到物理方法教育，再到物理思想形成”的教学理念，为完成发展学生核心素养的恢弘目标奠定了坚实的基础。

3.重演仪器研发的过程

教学实验仪器本身便是一种知识载体，仪器中的每一个构件都有其存在的必要性，因此只有明晰了实验仪器中每个关键构件的作用，学生对仪器的操作才能游刃有余。然而，当前物理实验仪器的教学却始终未能走出“灌输式教学”的阴霾。以托盘天平为例，传统教学方式或囿于“教师中心论”的桎梏，或深陷“学生中心论”的泥淖，最终只会导致学生对天平各构件功能的“死记硬背”，徒增认知负荷[6]。为彻底扭转这一不利局面，就要求我们能够在实验仪器的教学中另辟蹊径。

鉴于发明创造一般都有启发的原型，我们选择了平时学生熟悉的跷跷板为构建托盘天平的原型[6]。首先借助跷跷板水平时蕴含的“相等”关系揭示出跷跷板的测量功能。之后为保证物体放置稳定，承接支架受力均匀、集中，加入了“托盘”;同时，为确定测量标准，方便量化求和，又诞生出金属制、质量元器造型的砝码;随后，为精确判断跷跷板的水平平衡，指针与分度盘被植入了进来，至此已出现天平的雏形;接下来，为抵消托盘及横梁质量分布不均对测量结果造成的影响，又研发出“旋进式”的平衡螺母;最后为再次提高测量的精密程度，设计了游码与标尺。概而言之，整个教学以仪器的研发历程为教学的逻辑主线，借助“解决问题”的问答形式，向学生依次传授“替代”“转化”“抵消”等解决物理问题的科学方法，渗透精密测量的物理观念与精益求精的科学精神，从而满足核心素养是“学生知识、技能、情感、态度等多方面要求的结合体”的诉求。

4.体验问题解决的过程

《中国学生发展核心素养》提出，“核心素养”是个体能够解决复杂的、不确定的现实问题的综合品质。长期以来，我国的物理教学都执迷于“习题”的演练，殊不知习题疏离作为物理学根源的现象，其解决过程只包含内部表征的解模过程，缺失外部表征的建模过程，因而无法形成内外表征之间的交互协同。这种将学生一部分思维活动越俎代庖的演练自然无法使学生体验完整的问题解决过程，严重制约了学生核心素养的可持续发展。那么，如何超越传统习题，让学生体验真实问题的解决过程呢？

在此，我们将目光投向了原始问题这一方兴未艾的测评工具。所谓原始问题，是指自然界及社会生活、生产中未被抽象加工的现象，其表现形式为对问题的文字性描述[7]。譬如：人骑自行车转弯时需要倾斜多大的角度才能既转弯成功又不会倾倒[8]？对于这种问题的解决，教师首先要带领学生一同建构问题解决的模型，即把人和自行车一起抽象为直杆模型，并用草图的形式对问题情境予以直观形象地反映，然后设置所需物理量，包括常量、变量及中间变量，如自行车的质量、运动速度、所受摩擦力等;接下来是对模型的处理，教师须帮助学生调动知识、方法储备，采用受力分析等科学方法，结合题中涉及的物理知识最终求得答案。不难发现，原始问题的解决过程与科学家进行科学研究的过程无异。进一步，把原始问题作为习题的补充与升华融入到物理教学中，借助这种“真刀真枪”的实战模拟方可使核心素养的落实不再是“纸上谈兵”。

二、物理过程教学的设计原则

接下来，为推进物理过程教学的可持续发展，还须深入探讨物理过程教学的设计原则，进而对相应的教学设计给予理论指导，使研发的教学案例更符合物理过程教学的特点，实现应有的教育价值，达到促进学生核心素养发展的目的。

1.情境性原则

教育重演论指出，学习者学习科学的过程是对人类研究科学过程的认知“重演”[3]。因此教师有必要借助“历史的力量”，以浓缩的时空和必然的形式，在教学伊始为学生还原出物理概念与规律建立的历史背景，使学生在真实情境中建构知识。这种情景还原具体包含“再现”与“再创”两种方式：“再现”是指教师根据学生的认知水平有选择地还原物理知识产生的背景和历史经过，使学生熟识物理学家的思维过程及使用的科学方法;“再创”是指教师利用学生已有知识经验，创设恰当的情境，引导学生利用科学方法去建构知识。

2.问题性原则

英国科学家波普尔认为：“科学与知识的增长永远始于问题，终于问题。”我国著名学者乔际平先生亦曾高屋建瓴地指出，学习物理的首要目的不是获得知识，而是解决生活实际中遭遇的物理问题，问题解决后自然习得相应的物理知识。问题作为思维的起点，能够充分激活学生的思維，激发学习的兴趣。因此，在物理过程教学中应尽量以提问的形式破题，或为学生再现物理知识、实验仪器在形成过程中遇到的关键问题，或通过巧妙设计的“问题链”向学生渗透物理思想与科学观念。由此帮助学生突破思维障碍，汲取前人智慧。

3.逻辑性原则

教学逻辑是指教学过程中诸要素呈现的相互关系。物理教学因其独有的教育性与简约性，对逻辑有着特殊的要求，一个概念或规律从哪里来，到哪里去，中间又经历怎样的过程，都应有逻辑考量下的充分依据。同时，逻辑这种特殊的心理体验必须倚助特定的科学方法来表达。故而物理过程教学应以科学方法为过程显化的逻辑内核，采用“一知多方”抑或“一方多知”的教学形式，从整体出发着力展现物理知识的来龙去脉，进而为学生核心素养的形成开辟合理的逻辑通道，使知识的习得过程嬗变为学生核心素养的发展过程。

4.适度性原则

过程教学注重学生在真实背景下的体验过程，因而需要占用大量课堂时间。这就要求过程教学必须遵循“适度”的原则，即不是所有物理知识都要完整、详尽地呈现其发生、发展的过程。诚如“教学发生学原理”创始人玻利亚所言：“在教授一个科学概念时，我们应让孩子重蹈人类思想发展中那些最关键的步子，而不是让他们重蹈过去的无数错误。”重演不等于重复，如果将过程教学片面地理解为一种历史的“文化回音”，不加选择地让学生去重走历史的老路，不仅不利于学生掌握知识，而且还易于造成学生思维的混乱。

核心素养价值的彰显，核心素养理论的践行需要搭建发挥功效的教学平台，指导并接受教学实践的检验。基于这一诉求，我们提出了以“过程”为科学方法传授，学科思想点化及科学观念培育载体的物理过程教学，以物理知识原有的形成过程为教学设计的依据，带领学生一起回溯概念定义的过程、亲历规律探究的过程、重演仪器研发的过程及体验问题解决的过程。使物理知识的传授与学生素养的培养形成有序地交互协同，从而消弭实质教育与形式教育的疏离与对峙，实现物理知识传授与核心素养发展的有机结合，为学生核心素养的发展提供适宜的苗圃。

参考文献

[1] 林崇德.21世纪学生发展核心素养研究[M].北京：北京师范大学出版社，2016.

[2] 胡卫平.基于核心素养的科学学业质量测评[J].中国考试，2016（08）.

[3] 石尧.中学物理过程教学的实践探索[J].中小学教师培训，2017（07）.

[4] 石尧.核心素养视域下初中“功”概念的过程教学——兼谈乘积定义法的教学逻辑[J].中学物理教学参考，2018（05）.

[5] 石尧.刍议行星间引力表达式的引入逻辑[J].中学物理教学参考，2015，11（44）.

[6] 石尧.试谈一种托盘天平教学的新思路[J].教学月刊：中学版，2018.

[7] 邢红军，石尧.原始物理问题教学：一个本土化教学理论的创生[J].教育学术月刊，2016（09）.

[8] 张婷玉.自行车转弯问题的研究[J].首都师范大学学报：自然科学版，2015（08）.

【责任编辑  孙晓雯】