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基于物理核心素养角度该如何提升教学设计?以“库仑定律”为例

2024-01-05 15:29

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【摘要】2014年教育部颁布的《关于深化课程改革落实立德树人根本任务的意见》,明确了培养学生核心素养是育人的重要目标,是推进课程改革深化发展的关键环节。新课程标准核心素养指标是根据社会和个人发展需要,结合当前教育存在的主要问题拟定的,物理学科的核心素养主要由“物理观念”、 “科学思维”、“科学探究”、“科学态度与责任”这四个方面构成,本文以高中物理“库仑定律”为例,阐述如何基于物理核心素养角度提升教学设计。

【关键词】物理学科、核心素养、课堂教学、库仑定律

物理学是人类科学文化的重要组成部分,是技术进步的重要基础,引领着人类探索大自然的奥秘,深化着人类对自然界的认识。从经典的牛顿定律到现代的相对论和量子论,物理学的发展对人类社会的发展具有重要的意义,在物理学发展历程中,离不开物理学家们的科学方法、科学思想、科学态度和科学精神。现行高中课程标准注重以基础知识为主的科学素养,关注学生的科学素养,注重学生的物理观念、科学精神、科学态度、科学态度与责任的培养。在我国进行新一轮课程改革的关键时期,培养学生的核心素养无疑变得至关重要。下面笔者以教科版选修3-1“库仑定律”为例,依照物理核心素养要求,积极探索立足物理学科核心素养培养的课堂教学尝试。

一、立足物理学科核心素养培养的课堂教学尝试

本节课的教学过程由新课导入,定性演示实验,学生定量探究实验,讲解库仑定律内容四个环节构成,每一环节都体现了新课标物理核心素养中的物理观念,科学思维,科学探究和科学态度与责任。

   (一)物理观念——物理核心素养的基础

物理观念主要包括物质观念、运动观念、相互作用观念、能量观念等,侧重三维目标中的知识与技能方面。物理观念不同于物理知识,它对物理知识具有引领作用,教师需要指导学生在物理学习中,不仅要学习由物理现象、物理概念、物理规律所构成的物理知识及结构,还要将蕴含于具体知识中的观念性认识在头脑中提炼升华,建构属于自己的物理体系,形成物理观念。学生只有亲身体验物理知识的形成过程,理解物理知识的内涵,才可以将物理知识转化为物理观念。

在新课导入中,教师先让学生观察一个小魔术,思考小魔术这种现象的产生原因,从而建构学生的物理观念。小魔术:用一根棒在不接触易拉罐的前提下,使易拉罐滚动。操作步骤:在较光滑的木板上放一个空的易拉罐,用丝绸摩擦的玻璃棒接触易拉罐使易拉罐带正电,用毛皮摩擦的橡胶棒靠近易拉罐,易拉罐就滚动了。

这个小魔术中蕴含的物理观念主要有:

   1、物质观念:学生通过思考回忆起初中学习的电荷间相互作用遵循“同种电荷相互排斥,异种电荷相互吸引”的规律。

   2、相互作用观念:本节课主要研究的就是电荷间的相互作用,不管是引入实验中的橡胶棒和易拉罐,还是定性实验中的大金属球与小球还是定量实验部分的两个金属小球,都是研究两带电体间的相互作用。

   3、运动观念:易拉罐之所以会运动是因为受到异种电荷相互吸引的作用,即使两物体没有相互接触,也会由于受到静电力而运动,属于非接触力。

   (二)科学思维——物理核心素养的中心

科学思维主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等思维方法。科学思维是物理核心素养的中心,传统的物理教学容易使学生形成思维定势,因此在物理课堂教学过程中,教师要抓住锻炼学生科学思维的各种机会,加强对科学思维的培养。对于科学思维的培养,主要体现在要求学生学会科学思维方法,对于物理问题有属于自己的观点,从不同的角度思考问题,同时也可以对不同的观点和结论提出质疑和批判;要求学生有使用科学证据的意识和评估科学证据的能力,可以基于科学证据对不同物理问题进行解释说明和分析预测。

这节课对学生科学思维的培养,主要体现在两个部分,第一个部分是在讲解点电荷概念时,运用了理想化模型的科学思想。第二部分是在学生探究定量实验部分,让学生尝试探究库仑力与带电量和两带电体间距离之间的定量关系,与传统的教学方式不同,教师自制教具并向学生介绍实验器材:电子秤、绝缘托盘、自制底座、小金属球、用细线悬挂的小金属球、直尺、毛皮、橡胶棒、丝绸、玻璃棒,并让学生分小组讨论设计实验方案,让学生自己动手做实验。实验步骤:在电子秤上放一个金属小球,用丝绸摩擦过的玻璃棒接触金属小球,使金属小球带正电,再用毛皮摩擦过的橡胶棒接触另一个金属小球,使带负电的金属小球靠近带正电的金属小球,观察电子秤的示数是否有变化,学生会发现没有变化。说明两金属小球之间的力太小。可能原因是电荷量太小,所以再让学生重复刚才实验步骤,只是此刻不是将带负电的金属小球与之靠近,而是直接用毛皮摩擦过的橡胶棒与之靠近,此时再让学生观察电子秤示数的变化,电子秤示数有变化,只是变化量较小,电子秤示数的变化量就是两个带电体之间的作用力,但此时无法用直尺测量两带电体之间的距离,因为橡胶棒上电荷分布不均匀。这个实验的目的是让学生自己通过在实验中遇到的问题自己能够运用科学思想进行解决。教师引导学生们提出在做定量实验时遇到的问题:① 带电体间作用力小,没有足够精密的测量仪器;怎样确定带电体间的作用力的数量关系?②无法比较电荷的多少,怎样确定电荷量的数量关系? ③ 橡胶棒靠近带电体时,示数是有所变化,但带电体上电荷分布不清楚,难测电荷间距离。怎样测定电荷间的距离?并引导学生用科学思想得出三大困难的对策:①放大思想:力很小,但力的作用效果(使悬丝扭转)可以比较明显。转化思想:力的大小正比于悬丝扭转角,通过测定悬丝扭转角度倍数关系即可得到力的倍数关系.②均分思想:带电为Q的金属小球与完全相同的不带电金属小球相碰分开,每小球带电Q/2,同理可得Q/4、Q/8、Q/16等等电量的倍数关系(电荷在两个相同金属球之间等量分配)。③理想化模型思想:把带电金属小球看作点电荷(理想化模型)利用刻度尺间接测量距离。

   (三)科学探究——物理核心素养的关键

物理学是一门以实验为基础的科学,学生学习物理的过程其实就是学生通过自身经历观察、实验探究等活动,发现问题,解决问题,建构知识、形成观念的过程。在物理实验探究过程中,要求学生拥有探究意识,能够提出物理问题,发现物理规律;具有设计实验探究方案,获取和处理证据和信息的能力,可以正确实施实验探究方案后得出结论并做出解释;要求学生可以收集并分析信息,对实验探究过程和结果进行交流、评估和反思。

科学探究主要体现在定性演示实验方面和学生定量探究方面,定性实验是探究影响电荷间相互作用力因素的实验,先让学生们猜想:电荷间相互作用力可能与距离、 电荷量、带电体的大小及形状、与带电体所处的空间物质即介质有关等。并渗透控制变量法这种科学探究方法并引入点电荷这种理想化模型,通过电荷间作用力演示器来进行演示电荷间相互作用力与电荷量和距离的关系。简单的向学生们介绍实验仪器,并提问通过观察什么来直观的看出两个带电体之间的相互作用力。通过比较悬线偏角的大小来判断带电体间作用力大小,偏角越大,作用力越大。实验探究步骤:①保持距离r一定,研究相互作用力F与电荷量Q的关系。将大金属球和泡沫小球挨着放在一起,用毛皮摩擦过的橡胶棒接触大金属球,发现小球偏转,提问小球为何偏转?是由于它们带了同种电荷,相互排斥所以会偏转。继续用毛皮摩擦橡胶棒接触大金属球,加大大金属球的带电量,让学生观察细线偏转角度的变化。学生会观察到随着电荷量的增大,偏角逐渐加大。②保持电量q一定,研究相互作用力F与距离r的关系。将大金属球远离泡沫小球,观察悬线的偏角变化。由此得出定性实验结论:距离r一定,电量q增加,偏角变大,作用力F越大;电量q一定,距离r越小,偏角越大,作用力F越大。在定量实验的部分也能体现出科学探究的过程。

  (四)科学态度与责任——物理核心素养的灵魂

科学态度与责任是物理学科从价值层面要培养的核心素养,是物理核心素养的灵魂,主要指对待科学的态度与价值观。在这一层面需要学生在认识科学本质、理解科学·技术·社会·环境(STSE)的关系的基础上逐渐形成的对科学和技术应有的正确态度以及责任感。

通过介绍库仑扭秤实验装置,讲解库仑扭秤实验原理,并播放库仑扭秤实验视频,教师引导学生总结规律,激发学生科学思维,增进学生对物理的情感。通过介绍电荷间相互作用力规律得出的发展, 培养学生敢于质疑的科学品质和求真求实的科学态度,培养学生社会责任感,实现真正的素质教育。

二、教学反思

    (一)科学思维方法的教育达成

     在落实核心教学内容的基础上,学生自主探究定量实验部分的设计思路就是为了培养学生科学的思想方法设计的,这一环节学生完成的比较理想,教师充分调动学生的积极性,使学生能够积极参与到教学活动中,通过定量实验也培养学生的实验、观察、分析和总结能力,通过探究库仑定律的实验过程,体验从猜想到验证、从定性到定量的科学探究过程,并且通过对实验方案的制定与操作,加深对研究物理问题的一些常用方法:如控制变量法、放大法、测量变换法等实验方法的理解。

   (二)核心教学内容的达成

     通过类比质点学生懂得了点电荷的概念,通过对点电荷的研究,让学生感受物理学研究中建立理想模型的重要意义。定性以及定量实验使学生理解并掌握库仑定律的含义及其表达式,能够用库仑定律进行有关的计算。教学过程环环相扣,提升学生解决实际问题的能力。模型的求解通过问题的设计,学生的探讨,能使学生更清晰理解物理知识的发展过程,对构建学生开放的知识体系有较大的帮助。探究性实验的设置,联系实际,注重学生的动手操作,亲身体验实验,紧扣本节主题内容要点,通过教师的多层次设问,学生积极发言,使学生能扎实的理解本节教学内容,形成物理观念。

    (三)科学态度与责任目标的达成

通过对库仑定律建立的回顾,以及相关物理史实的介绍,培养学生的科学素养,培养学生科学探究的态度。激励学生勤奋学习为我国科学技术事业做出贡献,学生热爱祖国的情感得到激发,并且也体现了科学·技术·社会·环境之间的联系,更好地完成了STSE教育。

三、对教师的启示

(一)教师要加强对教材的理解

      教师需要学会从学生发展的核心素养角度对教材的结构安排、功能策略、课程目标等方面进行解读,建构教师自己的的教学体系,并将自己的思维策略融入到具体的教学设计中,在实践中探索提高。

      (二)教师要注意教学反思

      教育是一种特殊的实践性的活动,其发展离不开教师的反思。教学反思是教师提高教学质量,改进教学实践的重要环节,因此培养学生核心素养也需要教师可以在反思过程中关注学生的思维活动、认知结构等方面的发展,对教学实践、教学活动不断地改进和创新,完善教学设计。在设计本节课时,我研读了新课标,按照新课标的要求设计本节内容,本节课的主要特色以培养学生科学素养为目的,在用小魔术进行导入的环节生动形象富有吸引力,在探究带电体之间相互作用力与电荷量和距离之间的定性关系部分,使学生自己提出猜想,发散了学生的思维,在探究他们之间的定量关系时,学生自己设计实验、动手做实验,在做实验时发现错误以及运用科学思维提出解决方案,活跃了学生的思维、促进了学生的思考,培养了学生发现问题、解决问题的能力,运用了启发式教学的形式。在新课改后,我们先学习电学,再学习曲线运动和天体运动,所以在讲库仑定律这节课之前,我们并没有讲到天体运动这节,所以教师也就没有办法用库仑扭秤实验类比卡文迪许的扭秤实验,使学生们理解力与距离成平方反比的关系,这应该是新课改后在知识层面上的最大的不同,遵从新课改的整体思想,以及本节课的新课程标准,教师在讲这部分知识时,不能用类比来讲解,而是采用学生实验来讲解,学生实验部分会让学生根据教师提供的实验器材自己来设计实验方案,虽然这个学生实验不会成功,但让学生发现实验不成功的原因,以及解决方法,在这个过程中可以培养他们的思维能力和解决问题的能力,再讲解库仑的扭秤实验是如何运用这些思想以及如何解决这些问题的,库仑扭秤的实验在课上是无法做出来的,所以讲解完库仑扭秤的实验之后,给学生们播放一段库仑扭秤实验的实验视频,使学生更加深刻的理解库仑扭秤实验是如何推导出的库仑定律,学生这样就理解的平方反比定律,相比较之前的教学方式,新课标下的这种教学方式会使学生的科学素养明显提升。

文末贴士

01 作者介绍

鞠晨晨

东北师范大学硕士研究生,

2017年就职于北京市大兴区第一中学,高中物理,

一级教师,北京市物理名师工作室成员,大兴区骨干教师,兼职教研员,五四青年标兵,校优秀班主任。

所获证书国家级21项,市级56项,区级72项,校级26项。论文获奖25项,发表文章6篇

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