基于核心素养的高中物理课堂探究式教学模式

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  【摘要】在核心素养视野下,为了深化教学实践,使教学模式更适合学生的需求与核心素养的培育,文章结合“太阳与行星间的引力”教学案例,阐述了如何在核心素养视野下实施高中物理探究式教学,发展学生的物理学科核心素养,如何建构以学生为主体、教师为主导的探究式教学模式。
  【关键词】高中物理;核心素养;探究式教学;五阶循环教学模式
  【基金项目】本文是2019年度河南省基础教育教学研究项目“基于核心素养的探究式教学实施研究”(JCJYC19063201)的研究成果。
  一、引言
  在物理教学实践中有效落实物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任等主要核心素养;在物理教育过程中培养学生应具备的、能够适应学生终身发展需要的必备品格和关键能力,渗透物理观念、物理方法、物理思想和物理精神,则建构以学生为主体、教师为主导的科学探究教学模式势在必行。
  新课程理念上的主要变化是将原来的“知识与技能”“过程与方法”“情感态度与价值观”三维目标要求变为“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”四个核心素养的要求。
  二、高中物理探究式“五阶循环教学模式”的内涵
  1.什么是探究式“五阶循环教学模式 ”
  “五阶循环教学模式”是基于物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任四大核心素养,结合学生的学情而创设的“自主型”物理课堂的探究式五环节教学模型的简约表达。五个主要环节是自主学习环节、探究合作环节、互动互评环节、精讲答疑环节和学成展示环节。“五阶循环教学模式”是相互影响、相互制约、彼此循环的动态系统,不是不可调变的,不是机械固定静态的,而是学习进阶而上的、螺旋式上升的探究式教学模型。
  2.探究式“五阶循环教学模式”物理课堂的课程价值
  物理核心素养的四个方面是物理教育的有机整体,不能割裂开来。物理观念教学中肯定会涉及科学思维的训练、科学态度的培养及科学探究的运用。在这四个核心素养中,物理观念是基础,科学思维是核心,科学探究是方式,科学态度与责任是必备品格、育人的最终目标。教学中要注意四位一体的全面设计。
  探究式教学是通过“探究—创新”式教学,在具体问题情景中研究问题,解决问题,从而主动获取知识、应用知识的学习活动。运用多样化的教学方式,通过问题、证据、解释、交流与模型建构、科学推理、科学论证和质疑创新等探究活动而获得知识,发展情感和态度,培养应用和创新的意识与能力的过程,是学生自主地发现问题、分析问题和解决问题的过程。探究式教学带给学生的不再是被动接受,而是主动探索的科学精神和勇于创新的科学理念。
  3.探究式“五阶循环教学模式”的实践构建
  构建课题教学模型的根本原则是以学生为中心,学中有读,学中有练,学中有问,学中有思,以学定教,先学后教,是自主学习型的教学模型。以“学”为主的教学设计流程:分析核心素养的教学目标,确定学习主题;情景创设,信息资源设计与提供,自主学习策略设计;学习效果设计,强化练习设计;学习拓展设计,能力提升与综合应用设计等。将四大核心素养与自主学习型的五个教学环节融合一体,构建如图1所示的“五阶循环教学模式”。
  4.通过“五阶循环教学模式”发展学生核心素养的策略
  将高中物理核心素养与探究式五环节教学融合,如图2所示,在教学中不断向学生渗透核心素养,构建探究性五环节学习模式,发挥学生的主体作用。教师精心铺设台阶,调控引导,把学生指向“设疑—探究—形成—深化”的主动学习过程中去,让他们动脑、动手、动口、动笔,以发现者的姿态进行角色活动,充分领略到学习主人的充实感,体验获得知识、迈向成功的欢乐,进而激发学生学习物理的兴趣,增强学习物理的信心,培养学生独立思考、发现问题和解决问题的科学思维和科学精神。
  三、探究式“五阶循环教学模式”在概念规律课教学中的应用
  高中物理教科书中增设了较多的探究课,例如概念探究课“摩擦力”、规律探究课“自由落体运动”、关系式探究课“探究弹性势能的表达式”、理论探究与实验探究相结合的课型如“平抛运动”等。概念规律课、实验课、问题解决课和复习课等课型都可以采用探究式“五阶循环教学模式” 。
  下面通过“太阳与行星间的引力”案例进行分析,阐述如何在核心素养视野下构建高中物理探究式“五阶循环教学模式 ”。这是物理必修2“万有引力与航天”一章的第二节。本章以科学探究为主线,从第谷一生观测的数千个数据,到凝结成开普勒的三句话,再到牛顿的一个简洁公式,探究过程不断创新。万有引力定律的发现过程为我们展示了物理规律课的探究过程:模型建构(行星的运动)、科学推理(太阳与行星间的引力)、科学论证(万有引力定律)、质疑创新(万有引力定律的成就)。沿着科学家的足迹,经历探究过程,揭开天体运动规律的神秘面纱,重塑物理观念,凝聚物理思想,开启物理方法,激发物理精神。
  1.物理观念与应用
  分析核心素养教学内容,确定学习目标。了解行星绕太阳运动的不同观点和引力思想产生的历程,形成物质观和宇宙物质观。知道行星绕太阳运动的原因,行星绕太阳做匀速圆周运动的向心力的来源,树立运动与相互作用的观念和能量观念。
  〖教学环节一:自主学习〗
  在课前或課堂预留时间,让学生自主学习课堂内容,归纳自探提纲。给学生提供学案,先独立自学。
  探究1:探究行星运动学特征,分析行星运动定律的物理意义。
  探究2:探究简化模型下的行星运动定律的内容,建构物理模型。
  探究3:探究行星有规律运动的原因,猜想向心力的来源。
  探究4:科学探究向心加速度与轨道半径的关系,提供行星运动的半径、周期的观测数据。
  探究5:科学思维探究引力与轨道半径、质量的关系式。   探究6:探究科学精神、科学本质和规律应用。
  〖教学环节二:探究合作〗
  行星是怎样运动的?从运动学角度思考开普勒行星运动定律的物理意义。从动力学思考运动的原因是什么?学生探究、阐述行星运动定律的内容和物理意义。
  行星的实际运动是椭圆运动,但我们还不知道求椭圆运动加速度的运动学公式,我们现在怎么办?把它简化为什么运动呢?学生根据观测数据分析行星的轨道半长轴与半短轴的差 别,简化物理模型,得出结论:行星绕太阳的运动可以看作是匀速圆周运动。
  2.科学探究与交流
  (1)提出问题,学生猜想。解决了描述行星运动的问题,还要解决为什么的问题。仰天叩问:是什么力量支配着行星绕着太阳做如此和谐而有规律的运动呢?
  启发学生用牛顿第一运动定律解释开普勒行星运动定律。分组讨论,猜想行星做椭圆运动的原因,行星的椭圆运动是什么力产生的?大小跟太阳与行星间的距离有什么关系吗?
  探究伽利略、开普勒、笛卡尔、胡克、哈雷等科学家的观点,建构引力物理思想,培养运动观及相互作用观。
  第一大组进行科学探究,根据观测有效提出问题,收集并处理证据得出科学探究结论,对结论的科学性进行质疑,根据证据进行科学解释。学生在科学探究过程中不断记录、计算、讨论、合作等,提升了自身的科学探究能力。
  (2)收集证据。根据牛顿第一定律我们知道,改变速度都需要力,使行星沿圆或椭圆运动,需要指向圆心或焦点的力,即太阳对它的引力。由牛顿第二定律可知,找到加速度与轨道半径的关系就能推导出引力与距离之间的关系。根据表1所示,太阳系的行星运动的一些数据,分析数据,寻找加速度与距离之间的关系。
  根据加速度和距离的数据,猜测它们之间存在怎样的关系,思考如何验证我们的猜测,引导学生设计探究方案。
  (3)合理解释。如果加速度与距离成反比,我们做出a-1/r图像,应是一条直线。通过EXCEL软件输入数据产生图像如图3所示。继续猜测,它们之间存在怎样的关系呢?如果加速度与距离平方成反比,a-1/r2图像应该是一条直线。
  (4)交流合作。通过猜测、图像验证、再假设再验证等一系列科学探究过程,得出小组探究结论:行星的加速度a与行星到太阳的距离r的二次方成反比。
  3.科学思维与创新
  第二大组进行科学思维探究。通过分组探究,学生的模型建构、科学推理、科学论证和质疑创新等科学思维能力得到了提升。
  (1)模型建构。太阳与行星间的引力F跟行星到太阳的距离有关,然而它们之间有什么定量关系呢?将行星的运动简化为匀速圆周运动。太阳对行星的引力等于行星做匀速圆周运动的向心力。如果设行星的质量为m,速度为v,运行周期为T,行星到太阳的距离为r,则行星绕太阳做匀速圆周运动的向心力可以怎样表示?
  (2)科学推理。已知行星的运动情况,求它的受力情况,向心力的表达式有哪几个?学生讨论交流自主推导由①,②,可得太阳对行星的引力。引力与哪些因素有关?小组讨论形成:不同行星中的为常量,、不同,与成正比,与的平方成反比:。培养学生的抽象思维及推理能力。
  行星对太陽的引力。同理,可设太阳的质量为,再进行类比的推导。小组讨论交流得出结论:。
  (3)科学论证。两种力是同性质的相互作用力,遵循同一规律,可以把它们用同一公式表达出来。引力与行星和太阳的质量成正比,与两者距离的平方成反比,所以可写成公式: 。
  (4)质疑创新。通过类比推理、演绎推理得到的结论,推广到一般意义上的规律,在科学上是十分严谨的事情,需要经过实践的检验。科学家们在引力表达式中使用了G 这个比例系数,G是多大?太阳与行星间的引力规律是否适用于行星与它们的卫星?保持学生好奇心,激发新的探究。
  4.科学态度与责任
  领略自然界的奇妙与和谐,蕴含其中的规律之简洁,发展学生对科学的好奇心与探究欲,使其乐于探究自然界的奥秘,体验探索自然规律的艰辛与喜悦。培养学生勇于探究的科学精神,认真严谨的科学态度和创新精神,培养学生关注环境,具有社会责任感。
  〖教学环节三:互动互评〗
  小组之间对科学探究的问题、方法、过程、结果进行点评、补充,使探究方向正确,探究结果更完善,形成新的结论:引力与行星和太阳的质量成正比,与两者距离的平方成反比,所以可写成以下比例式:。
  学生之间对科学思维与创新的推理、论证和解释进行交流、评论和完善,使思维严谨,推理合理,使行星对太阳的引力与太阳对行星的引力的对称性、平等性的类比思想得到学生的接受。
  对科学态度、拓展应用等进行评论与展示,必要时教师可给予精讲答疑。
  〖教学环节四:精讲答疑〗
  对学生探究过程中存在的问题或解决不了的问题进行精讲答疑。
  根据牛顿第二定律,即太阳对不同行星的引力与行星的质量成正比,与行星和太阳间距离的二次方成反比 ,行星对太阳的引力,太阳与行星之间的引力与行星和太阳的质量成正比,与两者距离的平方成反比,所以可写成以下比例式:。经后续学习牛顿的月地检验、卡文迪许测定引力常量,使论证严谨,在此可产生新的质疑。
  〖教学环节五:学成展示〗
  将各小组科学探究成果和科学思维探究成果展示出来,进行分析点评,并把本节课的学习成果展示出来。把探究成果拓展应用到具体问题中,在课堂展示出来让学生评论。
  拓展应用:已知火星绕太阳运动的周期为T,火星到太阳的距离为r,引力常量为G。
  求:(1)太阳的质量M;
  (2)若M已知,找出开普勒第三定律中的k与中心天体质量M的关系式。
  四、结语
  物理观念分为物质观、运动与相互作用观以及能量观念。落实物理观念教学要注意把握概念和规律的主体,要注意在概念、规律的基础上适时加以总结、提升,使得学生对概念和规律有深刻的理解,同时形成统领这些概念和规律的大概念——物理观念。
  物理教育中概念和规律的建立是基础,科学思维的培养是核心。科学思维分为模型建构、科学推理、科学论证和质疑创新这四个要素。科学探究分为问题、证据、解释和交流与合作。科学态度与责任分为科学本质、科学态度、科学伦理及STSE等。基于核心素养构建高中物理探究式“五阶循环教学模式 ”,使之适用不同物理课型,从而提升课堂效率。
  【参考文献】
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