一、物理核心素养的现状

在以往的传统教育中，教师比较注重具体科学知识的教授与基本技能的训练，随着课程改革的不断深化以及创新思想的逐步深入人心，越来越多的教育工作者认识到了教学方法论和思维素养的重要性，于是相应的教学尝试也更加普遍。但由于传统教学影响深远，仍然有少数人没有意识到这些，加上与抽象的科学文化知识相比，学生的思维素养这种基本能力的衡量难于被量化，致使相应的教育评估体系很难给出较好的答案。所有这些因素导致目前实践中在对学生思维素养的培养上面仍旧存在着一些问题。

当前，学生在物理学习过程中主要存在以下几方面的问题：首先，没有课前预习的习惯或者不会预习更加谈不上物理核心素养。一部分学生会去课前预习，而一部分学生从来不去预习，因为一些学生认为教师在课堂上都会讲到，课前预习是没有必要的，会浪费大量的时间。少数学生认为，预习之后再去听课缺乏新鲜感，反而会影响物理课堂听课的效率与质量，在预习过程中不会注意到物理思维的养成。其次，没有主动思维的习惯。调查结果表明，一部分学生没有明确的学习目的，更没有近期的学习目标和长期的学习目标，没有短期和中长期学习计划，不善于独立思考问题，习惯于一看就有结果的学习方式。例如，在做物理习题时，学生只满足于做好题中所涉及的问题，很少对本题解题方法进行总结。学生没有钻研的习惯，遇到难题时，不会做就放弃，不是先反复思考，而是遇难就问，一问就了事。最后，没有好的听课习惯。

出现以上教学现状的原因有很多，其中主要是由于教师的课堂教学模式较为陈旧、学生都存在个性化差异导致的，如学生往往习惯运用单一思维，发散思维能力相对较差。学生在分析和解决问题时，通常是按照事物的发展过程来思考问题，注重由因到果的思维习惯，不注意变换思维的方向，缺乏从多方面来探寻解决物理问题的途径和方法。在对一些典型问题的分析上，仍然可以显示出学生在解决物理问题思维上的障碍和惯性。

二、提升学生物理核心素养的对策

（一）在物理理论学习中培养学生的物理学科素养

在物理学发展的过程中创立的各种观点、研究方法和思想方法是指导其他学科研究的有效方法，物理学是现代科学技术的重要基础，为国民的科学素养提高提供保障。事物的发展具有一定的规律性，认识物体运动的规律、物体间的相互作用具有的规律对学生的辩证唯物主义世界观有极其重要的作用。物理学理论以其简洁、普适、和谐且强大而为人称道。经典力学中的牛顿运动方程、万有引力定律将万物的运动囊括其中，解开了宇宙中的众多谜题。万有引力定律的强大功能在于能够计算太阳、行星及卫星等天体的质量；能够解释恒星、双星、星团及星系的运动；预测出地球的形状、海王星的存在、哈雷彗星的回归。万有引力定律为我们观察世界提供了新的视角，为原本看起来杂乱无章的天体运动建立新的秩序，揭示了隐藏在“黑暗”中的真理。牛顿的力学基本理论，直至今日仍然有效地指导着我们的实践活动，在机械制造、土木建设、交通运输等科学技术领域得到广泛地运用。无独有偶，麦克斯韦将所有的电磁理论总结在简单的方程之中，揭示了所有的电磁现象，预言了电磁波的存在，麦克斯韦方程被誉为“上帝之手写下的方程”。我们中学阶段学习到的物理理论及物理知识简单而深刻。教师在教学的过程中只有站在坚实的理论基础上进行教学设计才会新颖而独具特色。学生只有在理解物理理论的真正意义后才会在应用物理知识解决现实问题时得心应手。教师要让学生充分了解物理学理论的形成过程，物理学理论的形成是一个较为漫长且复杂的过程，大多数结论都是经过很多人多次假设、检验、实践，不断修改片面与错误的想法，让理论逐渐接近正确的观点，直到能够圆满地解释已有的全部现象，并能利用这一理论正确地预言将要发生的现象，这样的理论才能称得上物理定律或物理理论法则。例如，在学习“行星的运动”时，可以先让学生课前查阅有关天体运动的资料，在小组内部开展交流，准备课堂展示。

环节1：小组展示，小组之间相互辨析与提问，教师要补充形成统一的观点。

环节2：托勒密的研究成果和错误；哥白尼的发现、质疑、结论、后人的评价；第谷用了35年的实践科学、精确地科学观测天文现象；开普勒在没有确定自然界是受规律支配的前提下以其非凡的勇气花费了近20年研究出“开普勒三大运动规律”；伽利略利用天文望远镜观察到木星的卫星与月球的表面，并且为哥白尼的“日心说”进行辩护。

环节3：开普勒研究行星运动得出三大定律的意义，即通过对行星运动从定性到定量的描述，不仅仅解释了天文现象中的动力学关系，还对牛顿建立万有引力定律起到了重要的作用。

环节4：开普勒定律的应用。定性地分析近日点与远日点行星速度的大小；计算火星的周期、同步卫星的离地高度、哈雷彗星的周期等。

课后反思：学生通过查找和分析资料，体会科学家处理问题的科学思想方法而得到的乐趣，学生自己提出的问题往往更能培养对物理学科素养。在“万有引力定律的成就”中也可以采用这种教学模式。学生学习物理的过程和人类认识自然界中的现象类似。现象的观察、规律的总结及数学架构理论的建立完成了物理学的大厦，使物理学成为科学王国中的佼佼者。学生了解物理规律的发现历程，有助于培养学生对客观事物正确地认识。

人类对电的认识也经历了几个世纪的岁月。静电阶段包括从摩擦起电到“闪电和地面上的电相同”的认识，再到库仑定律；“动电阶段”有欧姆定律、电流的磁效应、电流之间的相互作用和电磁感应定律等，是电力广泛应用的开端；麦克斯韦的电磁场理论使得光、电、磁得到大综合。奥斯特、法拉第的贡献在于发现一些电磁现象的规律，麦克斯韦利用其数学天赋建立的电磁理论方程为人类进入信息时代在知识上奠定了基础。历史表明，物理学理论从来不是突然创造的产物，而是缓慢、逐渐形成的结果。所有的物理学理论从来都是科学家们的智慧和心血的结晶，他们总结前人的经验、实践检验、大量计算，最终逐渐建立起相对完美的理论。

（二）在物理基本概念的学习中培养学生的物理学科素养

物理概念不同于日常用语，其是在物理实验的基础上经过逻辑推理建立起来的，是物理规律的基础和物理理论大厦的基石。学生只有正确地理解所学的物理概念，才能应用这些概念去分析、解决各种实际而复杂的问题。在物理学习的过程中，物理概念的学习应该从思想上引起师生们的重视并准确地理解其含义。

许多物理概念都经历过从错误到相对正确、从模糊到逐步接近事实的过程。在物理学上很有建树的惠更斯在《摆动的时钟》中有这样一段话：“一个做匀速直线运动的物体由于受到指向圆心的强迫作用而做圆周运动时，它还会受到从圆心指向外面的‘离心力’的作用，这个力与前一个力相平衡。”现在我们知道，物体做圆周运动时向心力为其提供加速度而改变物体的运动状态，“离心力”是一种根本不存在的假想力。由此可见，人类对物理概念的建立并非一帆风顺。

伽利略在研究自由落体运动时还没有速度的概念，最简单的变速运动是速度相对时间均匀变化还是相对路程均匀变化呢？伽利略通过数学推算出速度随时间均匀变化的变速运动是最简单的。从斜面上滚下来的铜球和从不太高的地方落下的石块都是很好的匀变速运动的例子。正是在这一研究过程中，伽利略建立起平均速度、瞬时速度及加速度的概念。

在牛顿之前人们不会正确地区分“力”和“动量”的概念，更不要说“能量”和“力”的区别了。牛顿在《自然哲学的数学原理》一书中用了大量的篇幅给出八个定义，如物质的量（质量）、运动的量（动量）、惯性力、外力等，以便准确地描述物理定律。物理概念的形成经历了人们从感性认识到理性认识、从简单到完善的过程，用发展的眼光学习物理概念，既符合认知规律又有史诗般的韵味，又消除了物理的神秘感。

在教学中让学生了解物理概念的发展历史，使学生在了解其来龙去脉时找到物理学家的思维方法，可以启发学生思考，激发兴趣，加深他们对物理概念本质的理解，形成能够反映与物理现象密切联系的完整概念，对大自然的可知性和发展性有足够的认识。新概念的建立要联系客观世界，在引入新概念时多举一些生活实例以便学生更好地理解。教师在物理概念的教学中引导学生从四个方面进行学习：该物理量是描述什么的；该物理量定义式是什么；该物理量的大小、方向是由什么决定的？该物理量和相关的物理量之间的区别和联系。

物理学中的定性概念是物理学家通过分析、综合抽象出来，能定性地反映物理现象和物理过程的本质属性。例如，匀速直线运动既可以说是物体的速度保持不变的运动，也可以说是物理任何相等时间内的位移都是相等的运动，还可以说是加速度为零的运动。教师在概念教学中让学生进行全方位的理解，不要对表述形式的僵化记忆，掌握物理学中的基本概念和基本理论，将复杂的问题分解成多个小问题，然后逐一解决，从而逐步提高自己分析问题、解决问题的能力。学生的物理学科素养在问题的解决中逐渐提高，学生也可以在以后面对纷繁复杂的客观世界时变得从容。

（三）在教学中用物理思想方法培养学生的物理学科素养

知识的更新如此之快，教学生掌握科学的学习方法比知识显得更为重要。科学方法对学生能力的培养和世界观的形成有深远的意义。物理学中的精密实验和严格的逻辑推理形成了物理学独特的方法。物理学科的方法通过抽象概括可提升为自然科学研究中的一般方法，进而提高个人解决一般问题的能力。在学习物理的过程中，掌握科学方法可以增加学生学习的主动性，提升学生解决问题的能力。物理学科中的方法是学生获取物理知识的重要手段和工具，物理学科发展的过程也是科学方法论发展的过程。世界各国教育界均将科学方法作为重要目标之一。我国在新课程标准中也明确将科学方法作为中学物理教学一部分，说明科学方法在物理学习中的重要性。下面，笔者从物理方法的几个方面说明物理方法的独特魅力。

1.理想化方法

（1）理想化模型和理想化过程

受多种因素的影响，物理现象及物理过程一般都比较复杂。人们在研究物理问题时，如果不分主次，把所有的因素放在同等的地位来对待，会使研究将变得异常复杂，甚至难以得到正确的结果。抓住事物本质特征，排除次要因素，用理想化的模型代替具体事物，可使复杂的物理问题简化，能够比较顺利地得出所需要的结果。高中阶段，物理课程中的大部分研究对象都是理想化模型，大部分过程也是理想化的过程。高中物理课的第一节就引入了“质点”这一理想化模型，正如地球和月球组成的系统绕太阳转动的同时，太阳和其行星组成的系统也在绕银河系的中心转动，一样在研究人造卫星绕地球转动时，只需把卫星视为质点绕地球运动即可，不必再考虑是否受其他星体的作用力。教师在教学中要引入恰当的实例，引导学生逐步分析，抽象出主要特征，建立起具有普遍意义的质点模型，并在以后的学习中逐步渗透这一科学思想方法。(www.daowen.com)

（2）理想化实验是建立物理理论的重要方法

不少物理定律都是借助理想化条件或理想化方法建立起来的。“牛顿第一定律”建立在伽利略的理想斜面实验的基础上，描述的是在理想状态下的物体的运动。在研究力的相互作用时，牛顿曾设计过一个理想实验说明天体间引力是等大、反向的。如图1-1所示，设想一个星球由A、B、C三部分组成，如果A受到C的吸引力大于C对A的吸引力，B受到向右的压力大于向左的压力，那么将带着这个星球向右加速运动。这充分说明物体间力的作用是大小相等，方向相反的，从而建立起“牛顿第三定律”。

图1-1　牛顿的理性实验图

2.积分思想在物理研究中的应用

积分的过程分为细分和求和两个过程，细分是将复杂的过程分解为许多很小的简单过程，并求出各个小过程的相关物理量；求和的过程是将细分过程中的结果相加，得到原来的复杂问题的所要求解的物理量。在高中阶段，变速直线运动中位移公式的推导、变力做功、弹簧的弹性势能的求解、曲线运动中重力做功、电场力做功等都需要用到了积分思想。积分思想使人类的认识领域从直线运动到曲线运动、从恒量到变量、从定性的描述到定量的计算，使学生的发散思维达到较高的层次，在提高学生的物理学科素养上是别的方法无法替代的。

3.类比法

在物理问题研究中，常常用已知的现象与未知现象相比较，找出其相似点和联系，将原来知识、方法、规律迁移到新的问题研究中来，推测未知现象的一些特征和规律，这就是物理研究的类比方法。类比法对物理概念的建立、规律的形成、知识的运用及学生思维的提升都大有裨益。将感性材料应用到抽象的物理概念或模型之中，会提高学生的理解能力、概括能力、推理能力和创新能力。

在研究电荷间相互作用时，卡文迪许和普利斯特利都猜想和万有引力相似，确信有“平方反比”的规律。库仑验证这一猜想时在实验方法上也借鉴了地面上的单摆运动，使得他在1785年发现库仑定律。卡文迪许利用类比的实验方法，在1798年利用扭秤测出万有引力常数。

类比在物理学习时能提高学生的逻辑思维能力和想象力，将所学知识更好地迁移，符合最近发展区规律。类比是人类在头脑中根据研究对象的某方面的相同或相似的推理，其结论的严密性需要进一步通过实验验证。例如，在学习电容器的过程中，为了更好理解电容、电荷和电势差的关系，将这些物理量和盛水杯子的横截面积、杯子的贮水量、水面的高度进行类比；在研究电源的电动势时，将电动势和物体距地面的高度相类比。

4.假设法

假设法是科学家探索未知世界的一种重要的方法，在物理学的研究中有广泛地应用，即根据已有的事实，提出一种可以解释这些事实并能够预言新情况发生的理论或模型。在“原子结构”一章中，不同阶段的科学家用假设法猜想出不同的原子的结构。1803年，道尔顿提出原子是一个坚硬的实心小球；1904年，J.J.汤姆逊由于发现电子提出“葡萄干蛋糕模型”，可以用于解释原子对外不显电性，受激发产生阴极射线等现象。粒子散射实验说明原子的大部分都是空的，卢瑟福猜想原子的质量集中在核上，电子在一定轨道上高速旋转，即原子的行星模型。这一模型是否完美呢？后来，玻尔在1913年提出了电子的量子化轨道和电子云模型，使人类对原子的认识又向前迈进了一步。

假设法对物理学的发展起着重要的作用，同时也让学生正确地认识旧理论的合理性，培养学生勇于创新的信心，树立正确的科学价值观。此外，观察与实验、分析与综合、归纳与演绎、模拟与类比等都是物理学中的重要方法。在高中物理的学习过程中，学生不仅要学到逻辑严密、应用广泛的物理知识，还要掌握全面的科学方法，增加学习的主动性。对自然界的感性认识逐步深刻，在知识的深化过程中培养学生的思维方式，让物理学习过程成为改造自身的力量，学生会成长为创造型人才。正确的方法是提高学生的科学素养和鉴赏力，在加快掌握知识步伐的同时培养学生的创新能力。科学方法是科学之魂，学生掌握科学方法对自己的能力提升和世界观的形成一定有深远的意义。

（四）在物理试验中培养学生的物理学科素养

实验是物理学发展的动力和源泉，也是检验物理理论正确与否最直接、最根本的标准。从观察到实验获得感性材料，从定性分析到定量计算、数学推理，在此基础上得出假设，设计实验进行检验，得出正确的规律。物理学家建立的物理概念、科学规律和物理理论源于实验，立足于实验，使人们对自然界的认识更加清晰。实验是物理学研究的基本方法，丁肇中在获得诺贝尔奖发表演讲时向发展中国家的青年们强调了实验工作的重要性：“自然科学理论不能离开实验的基础，特别是物理学更是从实验中产生的。”高中阶段的学生除了应该学到课本中的学生实验外，还有课本中“做一做”和“问题与练习”中的一些实验性题目。

物理学建立物理规律和物理理论的历史也是物理实验的历史。物理理论是人的思维对自然界规律的反映，可以将人的思维和客观世界联系在一起。而实验在验证物理假说和建立物理规律建立时有着不可或缺的作用。

物理学中的实验是对现象的精确观察，同时伴随对这些现象的诠释，这种诠释借助观察者认可的理论，用于数据对应的抽象和符号的描述，代替观察实际收集的具体数据。伽利略被誉为“实验科学之父”，他自制仪器，严格操作物理实验，将实验和数学、逻辑推理论证结合起来进行落体实验的研究，利用斜面实验研究物体的运动和力的关系，得出落体定律和惯性定律；将物理学从思辨中分离出来，使物理实验这一方法提升到全新的高度。

（五）物理学的应用

物理学中的每一次重大发现、创新发明产生重大技术革命，都会直接在更大程度上间接地推动社会的发展，从而改变人类的生活方式，促进社会的精神文明进步。18世纪，人类进入工业社会，继而进入蒸汽时代、电气时代、电子原子能时代和信息时代。法拉第当初回答发电机的用途时说：“一个刚出生的婴儿有什么用呢？”现如今这个“婴儿”成长为“工业巨人”，成为电气时代的王者。现阶段，物理理论在新的领域如航天事业中的应用使得人类社会以更快的速度发展；中子的发现解决了电子-质子假说解释质量数的困难，使物理学家探索原子核时多了一种新的“炮弹”，打开了原子核的大门，促进了原子物理学的发展；中子轰击铀核裂变引起科学技术的革命，核电站、核潜艇、核医疗的发展改变了人类的生活，人们对微观世界的认识也由此改变。

在中学物理学科教学中，新课程标准要求物理要体现出它对社会的巨大贡献，并将相关的理论知识应用到解决实际问题中去。教师应积极引导学生关注物理学在现实生活中的应用、关注能源问题，培养学生的社会责任感，理解物理学对未来的预见作用。在人教版的教材中，STS这一小栏目给学生很多启迪；《速度与现代社会》或许能够说明我们的城市为什么越来越大但交通越来越堵；《航天事业改变着人类的生活》描述了航天事业的发展影响普通人的生活；《大面积停电引发的思考》描述了停电后恐慌的人的行为；《原子弹与科学家的责任》告诉我们科技的进步带给人类新思考。此外，《科学漫步》栏目更贴近我们的生活和认知范围。在教学中，教师将生活中的物理现象引入课堂进行教学，并把所学物理知识应用到社会生活中去，可以激发学生对生活的关注，提高应用物理知识解决现实生活问题的能力和热情。以一辆普通的汽车为例，汽车低重心的设计增加其稳定性，流线型设计可减小运动时的阻力，轮胎上的花纹是为了增加摩擦因数，安全带可以减小刹车时带来的伤害，汽车行驶时地面的摩擦力是汽车行驶的动力，爬坡用低档是为了增加发动机的内力，拐弯是倾斜的地面的支持力为其提供加速度等，光学、热学、电学在汽车上也有广泛的应用。在“机械能守恒定律”中，将打桩机打桩、过山车的运动、坡度很小的火车站台、来回摆动的小球都设计成学生耳熟能详的生活场景的视频引入课堂，帮助学生从形象思维过渡到抽象思维。通过运用物理知识解释实际问题，能够巩固、深化、拓宽学生认知结构中已有的知识，使学生的思维从抽象到具体，完成知识的再次飞跃，从而提高学生的物理学科素养。

（六）用物理学家的科学精神培养学生的物理学科素养

新课程的目标之一是培养学生的好奇心和学习兴趣，用创新的方式去学习，具有服务社会的使命感。在高中物理教材中许多关于科学家的感人事迹，在人教版的教材中，《科学足迹》这一栏目介绍了《人类对行星运动规律的认识》《牛顿的科学生涯》《伟大的科学家法拉第》等，介绍了物理学家的事迹，让学生感悟他们的探索精神。笔者建议学生在假期里读一些物理学家的传记，看一些科学家的纪录片，如《伽利略为真理而战》《牛顿的秘密》《电的故事》等，特别推荐电影《居里夫人》和《横空出世》，从而培养学生的人生观、价值观和世界观。

培养学生用辩证的观点看待物理学的发展本身就是在培养学生实事求是的态度。大自然以自身的有序性和可知性吸引着物理家将满腔的热情投入到未知领域的探索之中。揭示大自然奥秘的过程是获得发明发现并产生巨大的个人价值和社会价值的过程，大自然的可知性让科学家勇于向错误的学说挑战，推动人类认知的发展。实事求是是指科学家在收集实证材料、研究客观事实、排除错误的猜测和认识的态度，是建立理论时的科学的方法。

观察是创建物理规律的必要条件。利用望远镜对天体的观察、利用显微镜对微观世界的观察，精密仪器延伸了感觉器官的范围，也让人类对自然界的认识更进一步接近真相，唯实求真在观察中起着重要作用。定量分析可使物理研究更加精细化，在收集和整理事实的过程中思考物理量的关系，严格地按照步骤和规则操作，以保证数据的可靠。

发现新的现象并积极地思考，是创新的萌芽。物理学分出很多分支，并且仍在不断的扩展和深化。进入20世纪以后，一大批优秀的物理学家突破传统观念，相对论、量子力学的产生引发了一场新的物理革命。敏锐地捕捉问题，从偶然的反常现象捕捉到有价值的线索，结合事实材料并成功地开展科学研究，这是创新的前提。热衷与探索、细心地观察、非凡的洞察力和勤于思考感知的事物并从中找到有价值的线索是创新的基础。伽利略、开普勒、惠更斯、胡克等都为万有引力的探索和发现奠定了基础。牛顿将前人的理论综合升华，使人类对物质的运动认识实现了科学上的第一次大综合、大统一，为自然科学的发展建立了基础。站在巨人的肩上，在永无止境的探索中，前人留下的疑难问题需要后人攻克、破解，很多科学家从中找到工作的起点和努力的方向。科学家们期待科学将走向微观和宏观的统一、空间和时间的统一、人和自然的统一，统一理论的探索是我们新世纪的探索方向。