“境・思”物理课堂建构的实践探索
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作者:钟志鹏 黄皓
摘 要：“境・思”物理n堂中，“境”指的是教学情境，“思”指的是学科思维，它注重以“境”启“思”，发展学生的核心素养。教师要围绕学生思维、教师思维、教材内容这三个维度设计教学活动，通过有故事的情境、重过程的探究、有建构的思维、用物理的视角四个关键阶段推进课堂教学，使学生产生思维动机、保持思维动力、达成思维迁移、发展物理思维品质。
关键词：“境・思”物理课堂；教学情境；学科思维；物理教学
物理思维品质的形成路径渗透在物理问题的解决过程中，这一过程由三个相互衔接、密切联系的环节组成［1］，详见图1。
但是，有些教师过度关注环节3，在新课教学时便越过前两个环节，建立特定模型，凝练二级结论。笔者认为，这种做法往往会将鲜活的物理素材“脱水”为干巴巴的陈述性结论，这样的教学缺乏育人层面的考量，教学方式失当，贻误了发展学生物理思维品质的契机［2］。
物理知识的习得要领在于明晰结论的缘起与适用条件，这样即使面对陌生情境，我们也能从容面对。基于此，笔者探索“境・思”物理课堂的实践策略，并以人教版普通高中教科书《物理》必修第三册第十章第五节《带电粒子在电场中的运动》第一课时教学为例说明。
一、“境・思”物理课堂
近年来，笔者所在研究团队围绕学生思维、教师思维、教材内容这三个维度设计教学活动。在实践中，我们遵循“现象―探究―反思―规律―现象”的层进式学习过程，有序推进教学，初步形成了“境・思”物理课堂教学范式，详见图2。
“境”指的是教学情境，“有学科韵味的故事情境”是课堂教学的逻辑起点，“重生本底色的过程探究”则是学科素养发展的土壤，只有这样才能切实降低学生对新知识的陌生感，增强其具身体悟。“思”指的是学科思维，“建构有生命力的科学思维”是课堂教学的价值追求，“形成物理的学科视角”则是素养发展的内在支撑，只有这样才能帮助学生超越学科现象理解学科本质，形成持久的学科解释能力和迁移能力。“境・思”物理课堂注重以“境”启“思”，包含“有故事的情境”“重过程的探究”“有建构的思维”“用物理的视角”四个关键阶段，并遵循此教学路径使学生产生思维动机、保持思维动力、达成思维迁移、发展物理思维品质。
二、“境・思”物理课堂的设计策略及解读
（一）创设富有学科韵味的“故事性”情境
物理学是人类对客观事物运作规律的概括性认识。有学科韵味的“故事性”情境既可以是生产生活中遇到的操作问题，也可以是实验探究过程中出现的异常现象，还可以是物理学科发展史上存在的认知冲突。其与学生的已有生活经验和认知基础匹配度较高，故能使学生沉浸其中，并进行自主探究。
例如，在《带电粒子在电场中的运动》教学的导入环节，笔者精心选择了两例科技应用。先展示示波器的心脏――示波管，让学生观察实物、猜想其工作原理并自主查证。学生发现示波器中的电子束好像笔尖，可以在屏面上描绘出被测信号瞬时值的变化曲线，这支神奇的笔让他们惊叹不已。然后介绍北京正负电子对撞机中的正负电子在对撞之前，电子要加速到接近光速，即1秒内绕地球赤道转约7.5圈。学生知道加速必须有动力的推动，于是思考什么力量能有如此大的威力。
“示波器”是教材的“规定动作”，“对撞机”是笔者的“自选动作”。笔者深入发掘“示波器”“对撞机”中的“故事性”，既呈现了后续科学探究的问题载体，又激发了学生强烈的学习兴趣，为后续探究埋下了伏笔。
（二）科学探究的“过程观”要有生本底色
科学探究是高中物理学科核心素养的重要组成要素，因此教学活动的设计注重过程探究是物理教学的本然属性和应然特征。重过程的探究有两个关键点需要关注。一是强调过程性，即循序渐进，引导学生逐步进行质疑、分析、论证。因此，教师可将相互关联的问题设计成脚手架，以此带动知识发展和思维进阶。二是增强探究性，有些物理实验只能通过视频、图像的方式在课堂演示，这就降低了学生的参与度和探究性。因此，教师应基于学生的认知难点，借助数字化技术梳理、改进校本化实验，以增强学生的探究能动性。
该课例的探究活动由三个环节组成。
［环节1］ 必要的基础知识准备
问题：设计一个让电子由静止开始加速的方案。
经学生头脑风暴，师生协同筛选出匀强电场加速和点电荷电场加速两种代表方案。设计此环节是为学生做必要的基础知识准备，从而使其明确求解末速度的两种方法：方法一，从力与运动关系出发，通过加速度与速度、位移关系求解末速度；方法二，从电场力做功，电势能和动能发生转化的过程求解末速度。
［环节2］ 提出关键问题
情境：北京正负电子对撞机外观像一支羽毛球拍，其“直柄部分”是一台202米长的直线加速器，可将电子加速获得2.5×109eV的能量。
问题1：如直接给电子加速，需要多大的电压？
问题2：能否改变加速装置结构，使用相对较小的电压，让粒子获得同样的能量呢？
部分学生应用方法一计算得出一次加速电压为25亿伏，但如此高的电压缺乏安全性和实用性，所以方法一显然不可行。部分学生应用“化整为零”的思想，结合方法二发现可把电压较小的匀强电场沿直线有序排列，靠增加加速次数来完成任务，即将一次加速分解为n次加速，随着加速次数n的增多，即使每次加速电压Un较小，也能让粒子获得较大的速度和能量。
此环节的设计先由计算引发学生对超高电压的关注，引导其发现需要解决的问题，再以功能关系为新课学习的第一知识抓手，然后经历多级加速方案的设计与论证。这适合学生当下的认知，为后续探究提供了有效支撑。
［环节3］ 工程解决问题
问题：理论问题已经解决，那么在工程技术上该如何操作？
笔者先让学生分析、讨论、交流，然后展示其自主设计的加速器。用静电感应起电机让铝箔条带上等量异种电荷，铝箔条间便形成三级加速电场。让铝箔包裹的轻质球带电，学生便可清晰地观察到小球在电场间加速运动。
此环节中，笔者巧妙设计演示实验，将多级加速过程搬到了学生面前，让其眼见为实。在实验过程中，学生的感官负责与客观世界“对话”，而大脑负责调动高阶思维来认识与描述物理规律。如此，学生逐渐实现从感性到理性，从猜想到论证，从科学推导到实验验证的转变。具有“生本底色”的探究活动不仅仅是“热闹一场”，更要指向“理解”这类学习本质。
（三）科学思维的“生命力”要有结构特性
物理学科知识抽象且复杂，单纯的讲授只能通过外力将知识灌输给学生，学生得到的只是静态的程序性描述、概念和原理，很难将其迁移到新的问题情境，而结构化的知识和思维体系具有持久的生命力和强大的解释力。结构化知识和思维体系的建立，需要学生主动调动原有的认知储备，通过分析现象、探究问题、推理过程、论证结果，促进知识由内而外的纵向生长及横向关联，从而交织成有结构的学科知识和思维体系。
据此，笔者将“设计带电粒子偏转方案”环节分为三个层次展开。
层次1：加速后的粒子如何实现偏转呢？请设计方案，让加速后的粒子击中正前方偏下的某点。
学生有两种具有代表性的方案。方案一，安装一对倾斜的平行极板，让电子在电场力的作用下沿BC方向做直线运动，击中C点（详见图3-1）。方案二，在加速实验装置的基础上，加装一对竖直平行金属板，在其间形成匀强电场（详见图3-2）。
方案一中粒子初速度方向和电场力方向不共线，粒子做曲线运动，不能沿BC方向做直线运动。而方案二粒子必定做曲线运动，有可能击中C点。
层次2：实验验证。
笔者在加速实验装置的基础上，加装一对平行金属板，在其间形成匀强电场，让学生观察加速后的小球进入第二个电场后的运动。学生发现确实发生了偏转，但打在了下极板上。笔者随后调节电压，让学生再做一次实验。这次，小球不仅发生了偏转，还离开了偏转电场，可以击中C点。
层次3：规律探寻。
偏转运动的规律同样围绕其末速度的求解这一核心问题来进行探究。在图3-2中，已知偏转电场电压为U2，极板长度为L，间距为d2，求电子偏转到达C点的速度Vc？
在偏转电场中带电粒子受到的电场力是恒力，初状态电场力与初速度垂直，其运动性质和平抛运动类似。因此，可用运动分解的方法，在水平和竖直两个方向来分析。
在这个片段中，笔者将教学重心放在设立问题而不是讲授知识上，将物理规律建构过程分解为逻辑相关、层层递进的本原性问题，再用实验加以“显化”处理，使思维与实践并重，将实验现象与当前学习内容建立内在关联，实现结构化。在方案提出后，笔者让学生优先进行实验论证，成功且有悬念的实验结果有效地提振了学生解决复杂问题的愿望。调整电压后小球才穿出电场的现象，也为课堂反馈环节提供了应用该课时所学知识反思和解决实际问题的契机。长此以往，学生会逐渐形成主动运用物理规律、科学思维解决问题的心理倾向。
（四）养成用物理学科视角解决问题的“习惯”
发展物理观念、提升科学思维，这既是物理教学的价值追求，也是物理学科的特征所在。在具体的、特定的常识与抽象的数学之间，存在着所谓的物理学。常识总是和“有意义”的情境绑定在一起，数学则蒸馏出一些纯粹的符号，而物理学选择了只在需要的时候作诠释，这就是“物理的视角”。物理课堂应注重引导学生从物理的视角审视问题，透过物理现象建构物理模型，从而凸显物理学科意蕴，发展物理观念和思维，形成解决物理问题的思考惯性和行动范式。
该课例在反馈环节，运用定性、定量推演分析来解决问题。
1.聚焦一次“失败的”实验现象
问题：演示实验中第一次加速后的小球向下偏转，并没有穿出偏转电场，而是打在了极板上，该如何改进，才能带电小球穿出偏转电场？
笔者引导学生从力与运动关系出发、采用运动分解的方法，在水平、竖直两个方向上来分析。方法一，增大初速度V0，可以通过增大加速电压来实现。方法二，增大在偏转场中的运动时间t，由竖直位移表达式可知，这能通过减小偏转加速度来解决。由加速度的表达式可以推知，降低偏转电压U2或是增大极板间距d2均可以实现目标。学生改进后的方案详见图4.
2.回看引入环节的“示波管”，简单分析其工作原理
笔者展示一个拆下外壳、接通电源的示波器，调节得到一个稳定波形，将研究对象从现象引到核心部件――示波管，先引导学生认识电子枪、偏转电极、荧光屏三个组成部分，再引导学生通过推演发现，通过控制偏转极板的正负极性和偏转电压的大小，就可以控制电子在两个维度上的运动，使其打到荧光屏上任意位置。
在反馈环节中，笔者以课堂生成资源为教学素材，引导学生运用已学规律审视新的问题。面对真实问题，学生利用抽象、类比和理想化的方法，抽取研究对象的本质，建立科学模型，并通过推演解决问题。高效的学习从来不是记忆大量的事实，而是要通过主动活动来加工学习对象，通过典型的变式去把握知识的本质［3］。同样，一旦把握了知识的本质，学生便能够辨别幻化无穷的变式，产生思考和解决问题的思维“习惯性”，其物理思维品质便由此得以发展。
综上，负责任的教学改进必须基于教学规律。在“三维”融合、“四阶”层进的“境・思”物理课堂中，学生不仅能够更深入地学习知识，还能体会到更深刻、更复杂的学科思想方法，从而更有可能成长为一个堪当时代重任的接班人。[□][]
参考文献：
［1］郭华.深度学习及其意义［J］.课程・教材・教法，2016（11）：25-32.
［2］郭华.深度学习与课堂教学改进［J］.基础教育课程，2019（2）：10-15.
［3］杨振东，顾国锋.物理“二级结论教学”：教法审视、成因溯源与弊病革除［J］.教学研究，2022（3）：87-92.
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