基于物理学科核心素养水平划分的教学策略研究——以“自由落体运动”的物理观念5级水平建构为例

　　万耀辉

　　（广东省台山市教师发展中心，台山529200）

　　摘 要：《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》对核心素养的四个维度分别划分了5级水平。文章以物理观念的5级水平建构为例，提出了一种以生活情境作为载体，分层建构、逐级提升不同水平下的物理观念的教学策略，从而实现物理学科核心素养的有效落地。

　　关键词：核心素养；教学策略；物理观念

　　一、问题的提出

　　《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》指出，物理观念作为高中物理学科核心素养四个维度之首，是指从物理学视角形成的关于物质、运动与相互作用、能量等的基本认识。而建构物理观念的过程，既是学生积累必备知识的过程，也是学生进一步获得关键能力和必备品质的过程。一线教师必须理清物理核心素养四个维度之间的关系，在物理观念的教学中，引导学生通过学习、提取和升华，将概念、规律提升为物理观念。笔者认为，培养学生形成正确的物理观念，需要以生活情境作为载体，分层建构、逐级提升5级水平下的物理观念。根据新课程标准，对物理学科核心素养四个维度的水平分别进行划分，其中物理观念这个维度的水平被划分为5级（见下表）。

　　以“自由落体运动”教学为例，在具体的教学过程中，发现学生容易受到已有的错误前认知的影响，使得在建构正确物理观念过程中遇到障碍和误区，从而导致学生在运用物理观念解释生活中的自然现象和实际问题时，会得到错误结论。笔者在实践中发现，大部分物理观念的建构都需要经历知识重构、由浅入深、螺旋渐进再到不断深化的过程，不可能一次成型。因此，本文将探索如何在新课标背景下，以生活情境为载体，帮助学生分层建构、逐级提升，完成“自由落体运动”物理观念的5级水平建构。

　　二、物理观念5级水平建构的教学策略

　　（一）物理观念水平1的建构

　　初步了解“自由落体”的概念和规律，能将其与相关的自然现象和问题解决联系起来。这个水平1的要求是通过观察自然现象，初步了解“自由落体运动”，具有将相关自然现象与所学知识联系起来的意识。在新教材中，是通过轻重不同的两个物体从同一高度下落比较快慢来建立初步认识的。

　　活动1：【生活情境】站在教学楼高层，同一高度向外静止释放两个重量不同的物体，观察哪个物体下落得更快？

　　【观察现象】重的物体下落更快。

　　【讨论原因】可能是重的物体受到的重力更大，受到地球的“吸”力更大，所以下落更快。

　　【观念形成】亚里士多德的观点：物体下落快慢与物体的重量有关，重的物体下落更快。

　　活动2：【生活情境】在教室内拿两张大小一样的A4纸，一张搓成纸团，另一张平铺，从同一高度落下，轻重相同，是否会一样快？

　　【观察现象】搓成团的纸下落更快，与活动1得到的结论有矛盾。

　　【讨论原因】在“吸”力相同情况下，纸张搓成团与铺开相比，空气阻力更小，所以搓成团后下落更快。

　　【观念形成】与上一个实验得到的物理观念相冲突。下落快慢还受到阻力的影响。

　　活动3：【生活情境】将大石头和小石头捆绑在一起，下落到底变快还是变慢？

　　【观察现象】将得到两个矛盾的结果。

　　【讨论原因】以亚里士多德的观点为前提，运用假设法讨论（过程略），得到的结论相互矛盾，说明前提本身是错误的。

　　【观念形成】初步认识到亚里士多德的观点是错误的。（此时还未完全形成“轻重物体下落一样快”的观念）

　　活动4：【生活情境】演示实验：两根玻璃管，分别抽真空和有空气。观察金属片和鸡毛下落情况？

　　【观察现象】真空管中：一样快；空气管中：金属片快。

　　【讨论原因】没有空气阻力时，物体下落快慢相同。

　　【观念形成】引入相关概念和规律的教学。形成“自由落体运动”的概念和规律。

　　活动5：【生活情境】动手实验：一张纸片和一块橡皮同高度同时释放，哪个下落快？纸片揉成团后，哪个快？

　　【观察现象】1. 橡皮更快；2. 几乎一样快。

　　【讨论原因】有空气阻力f时，f小的物体下降更快。没有空气阻力f时，物体下降快慢相同。

　　【观念形成】能将形成的物理观念与相关的自然现象和问题解决联系起来。

　　在水平1的建构过程中，活动1通过观察生活中司空见惯的现象，轻易得出重物下落更快的结论，以便将学生已有的错误前认知暴露出来；再通过活动2，观察到轻重相同的纸，其实下落快慢不一样，发现与前认知相矛盾了，教师可引导学生找出影响的因素（空气阻力）；活动3是一个脑中思考的实验，通过反证法，得到前提本身错误；活动4直接将阻力因素考虑进来，通过对比实验，发现除去阻力因素后，轻重物体下落一样快；活动5作为学生动手实验，将物理观念与相关的自然现象和问题解决联系起来，培养初步的解决实际问题的能力。由以上可以发现，通过“生活情境＋观察、讨论”的策略，可以实现“自由落体运动”水平1的构建。

　　（二）物理观念水平2的建构

　　了解“自由落体运动”的概念和规律，能解释简单的自然现象，解决简单的实际问题。由此可见，水平2比水平1显然提升了要求。在新教材中，通过打点计时器的实验，进一步研究自由落体运动的规律。

　　活动6：【学习探索情境】实验（演示或分组）：利用打点计时器和重物，研究自由落体运动的规律。

　　【观察现象】观察纸带上点之间距离的变化规律（间距逐渐增大，且Δs相同）。

　　【讨论原因】自由落体运动是一种匀变速直线运动。

　　【观念形成】形成自由落体运动的物理观念。

　　活动7：【学习探索情境】动手实验：利用固定位置的手机连续拍摄自由落体运动的照片，取相同时间间隔的照片，叠加后观察物体位置的变化。

　　【观察现象】物体间距逐渐增大，且相邻位移差相同。

　　【讨论原因】自由落体运动是一种匀加速直线运动。

　　【观念形成】能解释简单的自然现象，解决简单的实际问题。

　　（三）物理观念水平3的建构

　　了解“自由落体运动”的概念和规律及其相互关系，能解释自然现象，解决实际问题。显然，学生需要进一步掌握自由落体运动的产生条件、三个运动学公式，并能在生活情境中运用这些知识解释现象和解决问题。

　　活动8：【学习探索情境】演示实验或分组实验：利用打点计时器和重物，研究自由落体运动的规律。

　　【观察现象】测量纸带上点之间距离，求出重力加速度。

　　【讨论原因】自由落体运动是一种匀变速直线运动，其加速度恒定为某一数值（g）。

　　【观念形成】了解自由落体运动的规律及其相互关系。

　　活动9：【学习探索情境】动手实验：利用固定位置的手机连续拍摄自由落体运动的照片，取相同时间间隔的照片，叠加后观察物体位置的变化，测量并求出重力加速度。

　　【观察现象】测量距离，求出重力加速度。

　　【讨论原因】自由落体运动的基本规律应用。

　　【观念形成】解释自然现象，解决实际问题。

　　活动10：【学习探索情境】情境练习：播放跳水运动员从5m跳台由静止落下视频，求运动员下降时间？

　　【观察现象】由视频帧速和初末画面求出时间间隔；由自由落体运动规律计算得出下落时间。

　　【讨论原因】看作自由落体的运动，其运动规律相同，故使用运动公式可以求出相应物理量。

　　【观念形成】能运用物理观念，解释自然现象，解决实际问题。两种方法可以验证物理观念的正确性。

　　活动11：【学习探索情境】情境练习：一石块从井口自由落下，经过2.5s听到落井底声音，估算深度？（忽略声音传播所需时间）

　　【观察现象】通过高楼层释放小球实验，观察和体验该情境。（注意安全为前提）

　　【讨论原因】运用自由落体运动基本公式即可求解。

　　【观念形成】能解释自然现象，解决实际问题。

　　（四）物理观念水平4的建构

　　理解“自由落体运动”的物理概念和规律及其相互关系，能正确解释自然现象，综合应用所学的物理知识解决实际问题。这一水平的难度进一步提升，要求学生能够熟练掌握自由落体运动公式，从实际生活情境中提取相关物理量信息，找出相互联系，综合应用自由落体运动规律和数学知识解决实际问题。

　　情境练习：播放视频：跳水运动员从5m跳台自由落下，连拍测得其中两张连续照片中运动员离水面高度分别为3.4m和1.8m，求连拍的时间间隔？

　　方法1：由视频本身画面求出连拍时间间隔。

　　方法2：由自由落体运动规律计算得出时间间隔。首先由总高度和离水面高度，分别求出下落高度h1、h2，再根据自由落体运动公式列方程：h1＝1/2gt12，h2＝1/2gt22，分别求出t1、t2，进而可解得△t。

　　教师通过引导学生运用两种不同方法得出的结果进行对比，进而验证所学的“自由落体运动”理论与实际的自洽性。

　　（五）物理观念水平5的建构

　　能清晰、系统地理解物理概念和规律，能正确解释自然现象，能综合应用所学的物理知识灵活解决实际问题。这一水平的难度为最难，难点突出在“灵活”二字。要求学生在面对复杂的物理情境，也要能够由情境给出的已知量，结合自由落体运动规律，找到适合的数学方法和思路，解决复杂问题。

　　情境练习：请设计制作一把“人的反应时间测量尺”，同学之间利用尺子测量自己的反应时间。

　　这是一条文字极为简短、真正体现物理核心素养的真实物理情境题。通过创建与生活密切相关的情境，培养学生综合应用物理观念灵活解决实际问题的核心素养。

　　三、总结

　　物理学科核心素养根据问题情境的复杂程度等因素划分为不同水平，虽然各层级水平之间并没有绝对的分界线，但却体现了各个水平之间由低到高逐层递进、逐级提升的关系。不同层级的水平，是指导教师开展日常教学和评价的重要依据，也是高中学业水平考试命题的重要依据。一线教师的日常教学，应依据核心素养水平划分，探索和实践情境与生活紧密关联的教学策略，实现物理学科核心素养的有效落地。

　　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（2017年版2020年修订）［M］.北京：人民教育出版社，2020.

　　［2］高国明.关注物理知识建构提升学科核心素养——以“力的分解”教学为例［J］.物理教师，2019（08）.

　　［3］张健，李春密.以“静电场”教学为例，谈物理观念的渗透与培养［J］.物理教师，2018（06）.