浅谈基于核心素养的科学探究教学设计

于 莹 孙 宁

(1. 济南育英中学,山东 济南 250000; 2. 济南育秀中学,山东 济南 250002)

义务教育物理课程是一门以实验为依托的自然科学基础课程.作为基础科学教育的重要组成部分,物理课程应不止注重科学知识的传授和技能的训练,更应注重对学生学习兴趣、探究能力、创新意识、科学态度与责任等方面的培养.学生在学校接受物理文化的熏陶,最终目标不是让他们各个都成为物理学家,而在于他们毕业后作为一个公民,学过物理与没学过物理的差异、物理能留给他们终身受用的东西——核心素养.

当学生将具体的物理知识逐渐淡忘时,他头脑中“留下的东西”是通过物理课程的学习,形成的从物理视角认识事物与看待问题的意识——这就是核心素养中物理观念的养成.在物理课程的学习中,学生经历与科学家相似的探究过程,能学着像科学家一样思考问题,从而领悟科学方法、体验科学探究的乐趣、养成科学创新的意识,进而能运用科学的手段解决问题——这就是核心素养中科学探究的养成.学生在对物理课程的学习与思索过程中,形成对客观事物的本质属性、内在规律以及相互关系的认识方式,将物理中蕴含的大量科学思维方法内化为自身的思维方式——这就是核心素养中科学思维的培养.物理教学不是“为知识而知识”,而是以知识为育人载体,充分挖掘知识建构过程中蕴含的情感因素和内在价值.通过相应活动培养学生强烈的家国情怀、积极的人生态度、事实求是的科学精神——这就是核心素养中科学态度与责任的培养.

1 以科学探究课型为根基,核心素养高效渗透的课程设计理念

物理课程中,以实验探究为基础的概念课、规律课,是能够向学生较为完整的渗透核心素养的课型.基于这一类课型的重要性,这部分内容通常也是学业水平考察的重点,导致教师往往更偏向于这类课程内容的双基落实,从而忽视了更核心、更本质的课程本原.因此,学生只有切身经历科学探究的过程,并最终内化为基础科学素养,才会从真正意义上解决自身学习、生活、工作和社会决策中遇到的问题,为学生的终身发展奠定基础,为社会的可持续发展提供支撑.笔者从日常的教学工作切入,通过对大量实验探究类课例深入的研究,归纳出3条易于推广且对核心素养的渗透效果显著的课程设计理念.

1.1 “验证性实验”不等同于“实验操作课”

义务教育阶段的学生所经历的实验探究,都是在已知结果的基础上进行的验证性实验,但这并不等同于实验操作课.教师应该通过情景的设置来营造探究的氛围,引领学生经历与科学家相似的探究过程,逐步培养学生的科学探究能力.从小学科学到初中物理,学生的知识储备与探究能力是遵循阶梯式螺旋上升式的发展规律的,国家课程标准中的实验探究目标是初中学生经过2年物理学习后能达到的终极目标,如何让更多的学生,乃至每一个学生都能达到课标规定的要求?遵循学生的身心发展规律,将终极目标分解为若干阶段性目标.这样的课堂才会避免义务教育阶段兴趣减弱、过早分化的现状,让所有学生都参与进来,真正成为学习的主动探索者,而学习的成效与学生的主动探索、体验、组织、感悟、练习等具有密切的联系.[1]

1.2 7个探究要素,交错中碰撞出新火花

国家课程标准对学生科学探究能力的基本要求主要体现在7个要素,而这些要素往往是交织在一起的,没有一成不变的顺序,在探究过程中往往会反复呈现出“有问题出现→解决问题→新问题出现→解决新问题”这样的正向循环,学生的物理核心素养也正是在这样的思想与技能不断碰撞的火花中慢慢养成的.每一个学生都是独一无二的个体,他们在不同的领域或许都是天生的发明家、创造者,教师应当以课程标准为终极目标为前提,尊重每一个个体的宗旨下,将科学探究细分与整合,设计出适合更多学生的课堂形式,让每一个学生都能各得其所.科学探究课中的操作环节,不仅可以使学生熟悉实验操作的基本技能,更重要的是可以引导学生在解决实际问题的过程中,进一步感受、理解基本物理原理,激发学生探索日常生活常见现象中涉及到的物理原理的兴趣,体会物理与生产、生活的密切联系.科学探究中的思维环节,可以使学生经历与科学家、工程师相似的研究过程,体验他们实事求是、永不放弃、追求真理的科学精神,培养团队合作意识,乐于交流信息,善于进行分析总结及自我反思的科学素质.

1.3 突出重点要素,培养探究能力有侧重

教师应根据探究目的、课时安排、教学条件以及学生的认知水平、心理特点、探究能力等诸多因素,挖掘并突出每一个实验探究中最适宜渗透核心素养的一到两个要素,有侧重的培养学生某一方面的能力.学生在这样不断的锻炼中、思索中、反复中逐渐清晰、强化,最终内化为学生的基础科学素养.如果日常的课堂教学能够坚持这样的培养理念,学生经过两年物理文化的熏陶,不仅能达到国家课程标准中对探究能力的基本要求,其科学基本素养也会得到极大的提升.

基于以上的思考,笔者以义务教育阶段几个典型的教学片段为例,浅谈科学探究中核心素养的培养.

2 结合课例谈科学探究中核心素养的培养

2.1 “科学探究:声音的产生与传播”——突出“提出问题”的培养以渗透物理观念

爱因斯坦曾说:“提出一个问题往往比解决一个问题更为重要,因为解决一个问题也许只是一个数学上或实验上的技巧问题.而提出新的问题、新的可能性,从新的角度看旧问题,却需要具有创造性的想象力,而且标志着科学的真正进步”.学生对声现象已然非常熟悉,而且在小学科学课已经学过声音是由物体振动产生的.但是小学阶段对声音产生的认知,也仅仅是停留在被动的记忆层面上,其实对于什么是振动,学生并没有直观的形象认知.只处于针对生活现象提出“为什么”的浅层认知,不能透过现象提出科学问题,缺乏探究问题的能力和方法.教师要做的应该是将“明知故问”式的提问变为真正能调动学生积极性的设疑.

教师通常采取的做法是通过听各种声音或看各种有关声音的视频后,再顺势提出“声音是怎么产生的”进而引出学生的探究活动.这种让学生们假装不知道而进行的探究,笔者认为其实是一种伪探究,这种设计显然是教师对学情分析的欠缺导致低估了学生的已有知识储备和能力,就很难真正调动学生探究的积极性.

笔者在日常教学中采用如下的设计:让学生观察对比发声的琴弦和锣面,学生可以较为容易地看到发声的琴弦在振动,却很难看出发声的锣面在振动.这种强烈地对比会使学生对已有的认知发生矛盾,甚至产生怀疑,从而提出一个真正激发学生浓厚兴趣的真问题“声音到底是怎么产生的?”

笔者这样设计是基于对现阶段科学探究课的调研时发现:“没有问题”才是现在学生最大的问题.本节内容是初中学生学习物理以来所经历的第二个实验探究,意在通过简单的生活现象向学生逐步渗透研究物理问题的方法和思想,所以如何让学生觉得这个问题有探究的价值就显得尤为重要.因此,笔者设置的情景让学生与已有的认知产生冲突,重新激发学生探究的兴趣,学生初步认识到什么是好的、有价值的问题,为本节课的后续探究以及以后的实验探究起到了很好的启蒙作用.学生在物理课堂时常受到“提出有价值问题”的物理文化熏陶之后,看待问题的视角会慢慢从单纯的形象思考向理性的物理思考转变,学会从物理的视角发现事物的本质,这也就是物理观念的慢慢养成.

2.2 “科学探究:欧姆定律”——突出“分析数据”的培养以强化科学探究的体验

物理课程中的实验探究,其对于物理学科的根基作用不言而喻,但在日常教学中有时往往受制于课时或进度限制会被教师随意压缩.笔者认为与其“囫囵吞枣”只知其然,不如“融会贯通”知其所以然.讲授“科学探究:欧姆定律”这节课,很多教师都有相同的感受:一课时要完成整节内容非常紧张.究其原因是教学内容多?课标要求高?还是探究难度大?笔者通过对大量课例的研究,发现教师通常会采取两种解决方案:一种是分两大组,分别进行两个实验,优点是在能在有限的时间内得到结论所需的数据,缺点是每个学生只经历了其中的一个探究;另一种是每个小组将两个实验都进行探究,不足之处是每一个实验得到的数据不充分,导致两个实验都探究的不够彻底.笔者从分析这些课例的过程中受到了很大的启发,逐渐意识到:“研究电流与电压的关系”、“研究电流与电阻的关系”这两个实验在很多方面有类似之处,如:实验电路图、运用的科学探究的思想、分析数据的方法等.如果课上两个实验都让学生充分经历探究的话,就会出现前面分析的结果:要么会有一个完成不了,要么两个分析的都不透彻.基于充分的调研和思考,笔者在课堂教学内容上做出了大胆的设计:学生在课堂上只需完成“电流与电压的关系”这一个实验.

最终呈现在课堂上的就只有“通过改变电池节数,从而改变灯泡亮度”这样一个情景,引发学生猜想“电流与电压有关”,进而探究“电流与电压的关系”.从探究目的的确定、实验器材的选取、实验方法的选择到数据的记录与分析等诸多角度,完整地、充分地去探究.很多小组在实际操作过程中,就发现并意识到了还存在别的影响因素,当学生有了初步的疑惑或者猜想时,教师再顺势引发学生思考:“电流只与电压有关吗”.此时的学生根据已有电学知识会自然的联系到:可能还与电阻有关.教师进一步引导学生思索科学探究的重要一环:能不能利用现有的数据,短时间内找出电流与电阻之间的关系呢?小组之间的数据交流与合作,通过观察、对比不同小组间的数据后,学生会发现并整理出电压相同、电阻不同的多组数据,进而分析并达成探究目的.“电流与电阻的关系”这一实验探究,则创造性将其放置在课下,以课后作业的方式,由学生根据各自实际情况采用与家长或同学合作的形式,在家中利用电学箱中的器材完成.将家中实验的操作过程拍成视频上传到班级QQ群,既是将课上的有限的探究无限延伸到课下,又起到了纸面作业无法达到的效果:学生将科学方法的使用贯穿家校、与家长共同体验科学探究的乐趣,学会运用科学手段认识事物、解决问题的基本科学素质,逐步具有了科学探究的物理素养.了解一些基本原则,特别是一些基本科学原理,可以使我们在不熟悉的领域有一盏指路明灯,为我们没有经历过的问题提供解决方案,避免可能出现的困境.[2]

2.3 “光的反射”——以科学探究为主线,物理观念、科学思维与科学态度的集中体现

廖伯琴教授曾提出两个“更有效”的观点,即“看到”比“听说”更有效,“做”比“看”更有效.这里的“更有效”,指的就是在有限的课堂教学时间、空间中,使物理的核心素养渗透得更丰富、更透彻.笔者设计了“用眼睛寻找光”这一环节,体现能够让学生近距离的切身感受光在传播过程中各种现象的设计宗旨.创造性的使用烟雾机所喷出的无害白雾,使各种光的传播路径真实地呈现在学生身边的空间.学生亲眼所“看”的这种感受,不是传统的、平面的,而是立体的、出现在身边的,这样的效果带给学生的不仅是感官上的震撼,更为重要的是其对光的直线传播、反射以及反射现象中的“共面”、“对称”等特征有了深刻的形象基础,为后续的抽象思维奠定了具体的表象基础.与此同时,学生对身边普通又熟悉的各种光现象从物理的视角又有了重新的认识,当学生们走出学校再看到玻璃幕墙那刺眼的阳光、古墙旧瓦夕阳下柔和的暖色,一定会联系到本节课研究的两种光的反射现象.这就是会用物理观念去看待生活问题了.这样的教学设计真正体现了“从生活走向物理,从物理走向生活”的教育理念,既是物理观念养成的良好情景,又是科学思维的良好诱因.

中国学生在知识的学习和掌握方面较系统、扎实,学风严谨,解决问题易遵守固有的逻辑程式,但在新的情景中,面对错综复杂的局面,提出新观点、新思路,并动手解决的创新精神品质和能力显得不足.[3]正因如此,国家才将科学探究与科学精神提到中学物理核心素养的高度.基于此,笔者在本节课中设计了“用笔去记录光”和“用物理定位光”两个环节.对于8年级的学生来说,刚接触物理,探究能力还在不断地积累阶段,不具备独立、自主探究的水平,所以笔者在“记录光”的环节以“问题链”的形式引导学生不断的层层深入的思考,学生在教师的引导下与小组同伴一起探究.经历“看到光的反射路径→形成初步的直观表象→对两线的位置关系能够形成自己的猜想→小组讨论后想到用笔画下来→小组合作记录、分析讨论→用数学方法‘对称’初步发现光的反射规律”这样一个较为完整的科学探究过程,熟悉了科学研究的诸多要素.

在“定位光”的环节,利用泡沫板模拟镜面,用红色木条模拟光线,黑白相间的木条模拟法线,运用光的反射规律确定反射光的位置.在找反射光线的过程中,学生切身体会到反射定律中的逻辑关系:利用法线确定所在平面(两条相交直线确定一个平面)→根据法线与入射光线确定平面内的区域→利用夹角相等确定准确位置.这样的设计既是上一探究环节结论的应用,又将探究内容进行了完美整合.在这样的课堂教学中,有物理方法建立物理模型法的运用,有数学方法“对称”、“共面”的应用,还有“前因后果”式结论的逻辑关系的描述以及空间想象思维.这些被教师充分挖掘的素材都将极大地刺激并锻炼了学生的科学思维,最终内化为学生基本的科学探究素养.

各个版本的新教材,普遍将“光的直线传播”在新授课中的比重明显降低,是因为学生在小学科学课上已经学过这些内容.但是,初中物理理性的层面与小学科学感性的层面毕竟是属于知识螺旋上升阶段的不同侧重.因此,在学生“熟知”的光沿直线传播这一环节,通过“光穿过糖水变弯曲”这一现象到“用搅棒搅拌均匀后糖水中的光又变回直线传播”,视觉上极大的反差将会使学生在试错中纠正脑中“已有的概念”,不断修正自我认知,不唯书、不唯师、只唯实.他们会慢慢地养成在观察事物和推导结论时,能够不带个人色彩、不带地域性及气质性偏见,这对他们从事任何活动都大有助益.[4]课堂上的学生,都陶醉在光的世界里,有些学生还不时地用手去抓它,想留住这美妙的瞬间,而此时的我也不在忍心去打扰他们,最好让他们始终都能自由的、快乐地探寻着、思考着……这也许就是教师和学生们梦想的课堂吧.既那么美又那么真(真理、科学),刚好体现了科学态度与责任这一核心素养的有效渗透.

核心素养是彼岸,课程是渡船,物理教育工作者都是撑渡人.教育者的责任是站在时代的高度、以崭新的观念、活跃的思维、创新的能力去引导、鼓励学生主动探求知识、创造性的解决问题.[5]如何将物理课程中的科学探究做到“去伪存真”,能留给学生将来走向社会后真正有用的东西,是我们物理人永恒的追求.不管怎样,相信只要是符合学生认知需求、心理特点、能促进学生可持续发展的科学探究都将被传承下去.物理课程的育人价值,其定位应该是以知识为载体,在文化层面、国家层面对物理课程的要求.它不仅影响着学生个体将来的健康发展,更关乎国家的未来.教育是一门慢的艺术,以物理为核心的科学教育则决定着社会的理性、关系着民族的未来,最好的科学探究课程,物理人一直在路上.