核心素养下高中物理思维型课堂习题教学研究

摘   要：《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》中明确提出，通过问题解决促进物理学科核心素养的达成。习题教学是培育物理学科核心素养的有效途径。思维型教学理论以核心素养为目标追求，强调有效教学的核心是诱发学生主动思考，培养学生思维能力。尝试将思维型教学理论与高中物理习题教学有效融合，落实习题教学的育人功能——建构“螺旋阶梯”习题教学框架，设计相应教学流程。以高中物理习题教学中较为典型的“板块问题”为案例，做了课堂实践探索。

关键词：核心素养；思维型教学；物理习题教学；板块问题

中图分类号：G633.7 文献标识码：A    文章编号：1003-6148（2024）8-0024-5

1    核心素养与习题教学

《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》［１］中明确提出，通过问题解决促进物理学科核心素养的达成。要从培养物理学科核心素养的视角审视习题教学的目的，应通过习题教学，使学生在科学思维、探究能力、实践意识、科学态度等方面得到有效提升。习题教学的作用不仅仅是为了得到答案，而是要全面提高学生的问题解决能力。习题教学是培育物理学科核心素养的有效途径。

2    核心素养与思维型教学理论

林崇德、胡卫平基于聚焦思维结构的智力理论，提出思维型课堂教学理论（图1），即思维是智力和能力的核心，思维活动是课堂教学活动的核心活动［2］。经过近二十年的理论和实践证明，思维型教学理论是指向核心素养的课堂教学的有效途径［3］。思维型教学理论的应用颇为广泛，不仅是核心素养方面，课程评价改革与教师专业能力方面也有长期实践［4］。

李俊永、王长江、杨明松论证了基于思维型教学理论的课堂教学是培育学生核心素养的有效载体。第一，教学设计上要指向思维的发展，这是学科育人的保证；第二，情境教学中要引发思维的动力，这是学科育人的关键；第三，教学认知上要契合思维的发展，这是学科育人的前提［5-6］。

3    核心素养下高中物理习题教学研究

3.1    价值导向与框架建构

习题教学是培育物理学科核心素养的有效途径。思维型教学理论以核心素养为目标追求，强调有效教学的核心是诱发学生主动思考，培养学生思维能力。笔者尝试将思维型教学理论与高中物理习题教学有效融合，落实习题教学的育人功能。

思维型教学理论引领下的习题教学模式，其目标直指核心素养，始终围绕激发积极思维这个主题，要有思维必先有认知冲突，因此在整个过程中，学生的核心素养并不是一帆风顺、直线式单调变化，而是在“认知冲突”与“核心素养更高水平”的思维过程中持续、往复。整体上，学生的核心素养会呈现螺旋式、阶梯式的发展，因此将该习题教学框架简单、形象地命名为“螺旋阶梯”教学框架（图2）。

3.2    核心素养下高中物理习题教学流程

根据思维型教学理论的五个基本原理以及新课标对习题教学提出的育人要求，思维型教学理论引领下的高中物理习题教学流程如图3所示。

4    核心素养下高中物理思维型课堂习题教学案例

笔者以高中物理习题教学中较为典型的动力学的板块问题为案例，对促进核心素养发展、基于思维型教学理论的“螺旋阶梯”习题教学框架加以具体阐释。

4.1    设置适当情境，激发学习动机

动力学的板块问题是运动与相互作用的综合情境，难度较大。这个经典模型中聚集了摩擦力的深度理解、运动状态的定性分析、临界态的推理论证等高中物理的核心知识与方法。一般在人教版高中物理必修第一册学完之后，作为对动力学认识的提炼与升华来呈现。因此，案例1这种地面光滑、仅有一个接触面粗糙的板块，更能激发学生的学习热情，契合学生的最近发展区。

案例1 如图4所示，有一块木板A静置在光滑且足够大的水平地面上，木板质量M＝4 kg，长L＝2 m，木板右端放一小滑块B，并处于静止状态，小滑块质量m＝1 kg，其尺寸远小于L。小滑块与木板之间的动摩擦因数为μ＝0.4。（设最大静摩擦力等于滑动摩擦力，g取10 m/s2）

（1）现用恒力F始终作用在木板A上，为了让小滑块B不从木板A上滑落，求恒力F大小的范围；

（2）其他条件不变，若恒力F大小为24 N，且始终作用在木板A上，求小滑块B滑离木板A时的速度大小。

4.2    基于原有定式，产生认知冲突

在学生充分地独立思考后，对于第（1）问，鼓励学生勇敢地说出自己的思路，主要是受到之前单个物体是否推动的思维定式影响，误以为当推力F<μmg时，A、B静止，符合题中所说B不从A上滑落。这种认知的偏差主要原因是学生的生活经验大多来源于粗糙地面，很少有光滑地面的直观感受。再加上之前学习最大静摩擦力时以推桌子作为典型例子，当水平推力恰好等于最大静摩擦力，水平面上的桌子处于将要滑动的临界态，这种思维定式对于新情境产生了负迁移。而且感觉能看懂、有解题思路的学生暂且还意识不到自己的问题。

教师可以进一步追问，当F=μmg时，A、B都是恰好静止的吗？（学生答：是的）静止时应该满足的受力条件是什么？（学生答：合力为0）分析一下A、B各自所受的合力一定为0吗？（学生答：为了满足A所受合力是0，B对A一定施加了一个向左的摩擦力，但是力的作用是相互的，B也会同时受到向右的摩擦力，B的合力不可能是0……）至此，学生的认知冲突清晰地展现出来了。

4.3    认知社会双建构，观念思维再形成

有了强烈的认知冲突后，学生自然议论纷纷。这时教师可以提出“如果一个较小的拉力作用在A上，可能是怎样的运动状态”议题，作为小组讨论的主题。给予学生充分思维互动的时间，小组的代表主要有两种类型的答案。第一种是感觉派，他们认为在光滑的地面上，就算再小的拉力，系统也绝对不可能静止，要不一起加速，要不就分别加速。第二种是逻辑派，他们可以假设较小的拉力作用时系统静止，然后对整体受力分析可知水平方向没有任何力可以和较小的拉力平衡，因此假设不成立，不可能静止。这两种答案都是正确的，是具象思维和抽象思维的不同表现。

在得到“不可能静止，只能是加速状态”的观念之后，教师可以进一步引导，在拉力从0逐渐增大的整个过程中，能不能将A、B的运动状态分析清楚？学生定性分析推理可知，当拉力较小时，A、B是一起匀加速；而当拉力较大时，A、B分别匀加速，而且B的加速度要大于A。当拉力处于某个临界值时，A、B是刚好要滑动或者说刚好不滑动的临界态。当A、B接触面将滑时，根据F=ma，对B，μmg=ma；对A、B整体，F=（m+M）a，由此可知F=20 N。

4.4    知识方法又迁移，态度精神恒发展

4.4.1    设置适当情境，激发学习动机

如果之前没有案例，案例2就显得难度过高，不易激发学生的学习兴趣。但现在通过案例1的学习，学生对于运动与相互作用的认识更为深刻，接触面之间滑动还是不滑动是需要深入探讨的。在掌握了这个光滑地面板块模型之后，学生的认知水平又达到了新的高度，最近发展区也随之变化，这时案例2的呈现也变得顺理成章。

案例2 如图5所示，质量M＝1 kg、长L＝4 m的木板静止在粗糙的水平地面上，木板与地面间的动摩擦因数μ1＝0.1，在木板的左端放置一个质量m＝1 kg、大小可以忽略的铁块，铁块与木板上表面间的动摩擦因数μ2＝0.4，g取10 m/s2，求：

（1）若某时刻起在铁块上加一个水平向右的恒力F＝5 N，加上恒力F后铁块和木板的加速度大小；

（2）若某时刻起在铁块上加一个水平向右的恒力F＝8 N，铁块经多长时间到达木板的最右端，此时木板的速度为多大？

4.4.2    基于原有定式，产生认知冲突

对于案例1的情境，学生心理上普遍接受度较高，因为这与实际生活联系更为紧密，更容易理解。而且经过案例1的学习，学生对于接触面刚好滑动瞬时力的特征理解也比较熟悉。因此，在对待案例2的第（1）问时，学生的发言更为踊跃。学生普遍是一上来就不假思索地认为铁块分别受到水平向右的恒力（5 N）和水平向左的滑动摩擦力（4 N）。进而根据F=ma得到铁块的加速度为1 m/s2。教师可以引导，此时木板的加速度是多少呢？（学生答：同理，根据F=ma，对木板受力分析，受到铁块施加的水平向右的4 N的摩擦力和地面施加的向左的2 N的滑动摩擦力，因此木板的加速度为2 m/s2。）此时，已经有部分学生根据生活经验直觉地认识到拉力作用在铁块上，怎么会是铁块的加速度小。但是，也有部分学生没有这样的感性认识。教师可以继续理性追问，那现在木板的加速度比铁块大，木板相对铁块的运动方向向哪？（学生答：木板相对铁块运动方向向右，可是木板受到铁块的摩擦力也向右……）至此，学生已经完全意识到这样的认知有明显的矛盾。

4.4.3    认知社会双建构，观念思维再形成

正所谓，不愤不启、不悱不发。在学生产生强烈的认知冲突后，教师才可以适时地抛出这个问题“铁块、木板间的接触面什么情况下才滑动”，作为小组讨论的核心议题。经过热烈、积极的探讨后，小组代表出现两种不同思维下的产物。

第一种是具象思维，对于动摩擦因数是0.4和0.1有一个丰富的想象力，0.4被想象成锯齿状咬合般的接触面，0.1被想象成绸缎状丝滑样的接触面。根据生活经验，自然而然地想象出当恒力较小时，铁块、木板间的接触面不滑动，铁块、木板可能静止，也可能一起向右加速；当恒力较大时，铁块、木板间的接触面滑动，铁块、木板分别向右加速，且铁块的加速度比木板大。

第二种是抽象思维，逻辑清晰、思维缜密地概括：这是一个上下两个接触面哪个先滑动、哪个后滑动的问题。当不能一眼看出哪个接触面先滑动时，就先假设其中一个接触面将滑，相当于控制变量，将滑的那个接触面在假设法的运用下就恰好是最大静摩擦力。比如说假设铁块、木板间的接触面将要滑动瞬时，那么铁块、木板间的接触面间的摩擦力就是最大静摩擦力μ2mg。然后，对象转换为木板，木板受到铁块对它施加的最大静摩擦力μ2mg，相当于一个推桌子情境中外界推力的效果。而木板与地面间的最大静摩擦力为μ1（mg+Mg），由于在这个情境中，μ2mg>μ1（mg+Mg），说明此时木板与地面间早就已经滑动。由此可证，应该是下接触面先滑动，然后随着拉力的继续增大，上接触面才开始滑动。

最后，再由小组综合分析整个情境的动态图景。当拉力非常小时，铁块、木板均静止；当拉力稍大一些时，下接触面滑动，上接触面相对静止，铁块、木板一起向右加速；当拉力非常大时，上、下接触面都滑动，铁块、木板分别向右加速，且铁块的加速度大于木板。由此可知，案例2比案例1多了一种可能的运动状态，临界态也比案例1多了一个。

当下接触面将滑时，根据F=ma，对铁块、木板整体，F=μ1（mg+Mg）；当上接触面将滑时，同理根据F=ma，对木板，μ2mg-μ1（mg+Mg）=Ma，对铁块、木板整体，F-μ1（mg+Mg）=（m+M）a；在此题的设定下，F=2 N，F=6 N，因此案例2的第（1）小问，在5 N的恒力作用下，铁块、木板处于一起匀加速的状态。

在上述较复杂的综合分析过程中，学生头脑中的运动与相互作用观念得以继续发展；基于事实证据和科学推理对运动状态的猜想加以检验和修正；在知识与方法的迁移辨析、质疑批判中，严谨认真、实事求是和持之以恒的科学种子自然而然地在学生的心中萌芽、生长。思维型课堂习题教学注重学生的最近发展区，以激发最大学习动机；在现有的认知观念下，解决新情境的问题中，认知冲突产生了，由此教育契机也产生了；在教师的引导下，在师生、生生的思维互动中，从认知冲突走向自主建构、监控，达到更高的发展水平；再将发展后的认知观念应用迁移到另一个最近发展区的情境之中，如此循序渐进，核心素养水平得以持续螺旋阶梯发展。

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）［S］．北京：人民教育出版社，２０２０：５５－５６．

［２］林崇德， 胡卫平． 思维型课堂教学的理论与实践［Ｊ］． 北京师范大学学报（社会科学版），２０１０（１）：２９－３6．

［３］胡卫平．思维型教学理论及其应用［Ｊ］．教育家，２０１８ （４８）：１3－16.

［４］胡卫平． 深入理解科学思维 有效实施课程标准［Ｊ］．课程·教材·教法，２０２２，４２（８）：５７－６２．

［５］王长江，李俊永．中学物理“思维型”课堂的教学框架与实施建议［Ｊ］． 课程教学研究，２０１８（１０）：65-68．

［６］李俊永，王长江，杨明松．思维型课堂视域下物理学科核心素养的培养策略［Ｊ］．中小学教材教学，２０２１（１）：48-51．

（栏目编辑    刘   荣）