CN论文《核心素养导向的创客教育与物理教学融合初探》_游洪滢418
发表时间：2018-12-01 08:32 发表于《福建教育研究》2018年第6期K044 核心素养导向的创客教育与物理教学融合初探 ——以《科学探究：杠杆的平衡条件》为例 游洪滢 （福州华侨中学，福建 福州350004） 摘要：物理核心素养是核心素养在物理学科的具体化，是学生学习物理之后所形成的综合运用物理知 识、观念、方法解决实际问题所表现出来的、具有物理学科特点的关键能力与必备品格，是物理学科育 人价值的集中体现。探索基于物理核心素养发展的课堂教学设计与实施，是当前物理教学改革的风向标。创客教育作为教育改革的新理念，是在国家竞争力与教育改革的互动下催生的创客运动与教育的结合，要求在各个教学要素之间进行重构与融合，为学习者提供一个创造的学习环境，培养学习者创造素养。高度符合新时代教育改革所提炼出的物理核心素养的要求。所以本文《科学探究：杠杆的平衡条件》为例，尝试运用创客教育理念培养物理学科核心素养，并落实于课堂教学。 关键词：创客教育；核心素养；物理教学 一、引言 2014年3月30日，教育部印发了《关于全面深化课程改革，落实立德树人根本任务的意见》，文中首次提出“核素养体系”的概念[1]。2015年4月教育部组织的相关课题研究组提出了如图1所示的我国核心素养指标体系。它包括“全面发展的人”为核心，分为文化基础、自主发展、社会参与3个方面，综合表现为人文底蕴、科学精神、学会学习、健康生活、责任担当、实践创新等六大素养。
图1 我国核心素养指标体系 2017年教育部下发了《普通高中物理课程标准（2017年版）》中提出：物理核心素养是学生在接受物理教育过程中逐步形成的适应个人终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力，是学生通过物理学习内化的带有物理学科特性的品质，是学生物理核心素养的关键成分，要由“物理观念”“科学思维”“实验探究”“科学态度与责任”等四个方面的要素构成[2]。 基于核心素养导向的物理课堂教学设计与实施，注意知识的学习情景和应用情景。在学习情景中构建物理核心概念，掌握物理思维和探究方法，了解科学精神。在应用情景中应用方法知识，体验科学精神。在物理教学中逐步形成适应个人终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力。而如何真正有效地落实于课堂，培养全面发展的人，是当前物理教学改革的重点。 创客教育兴起于美国的创客运动（Maker Movement）。创客运动泛指在日常生活中致力于对知识进行分享和创造的群体，他们参与创意物品的制作，利用现实或虚拟的媒介与他人分享自我的造物经验和成果[3]。它将学校教育和课外教育相结合，促进各个创新项目的建设和发展，激发孩子们的兴趣、信心、创造力，让每个孩子成为创客。因创客运动旨在激发创意，培养创新能力，与教育实践活动高度契合，其在教育领域产生很大的影响。2014年，美国启动“创客教育计划”（Maker Education Initiative），为年轻人创造更多的机会，从做中学，帮助其建立信心，促进创造力，激发其对科学、技术、工程、数学、艺术和整体学习的兴趣[4]。 创客教育在不同国家和地区有着不同的发展。在我国，中小学创客教育体系的构建主要有以下几个方面：（1）教育主管部门，需要根据学段特点，设计多元目标体系的创客教育；（2）社区，最大限度为中小学提供创客资源；（3）学校，大力创建创客空间；（4）教师，精心设计和组织优质创客课题。所以，不同学者从不同的层次出发对创客教育的内涵有着不同的定义。从狭义来看，创客教育是要与学校教学相融合，为学习者提供一个创造的学习环境，培养学习者创造素养的教育模式。从广义来看，创客教育是新时代要求的教育理念，目标是培养具有创客精神和素养的创新人才；教育内容是在掌握知识技能的同时通过实践和创造激活知识和技能；要求立足学生的亲身体验，架设科学世界与生活世界的桥梁，使“知、情、意、行”结合、“学—思—动—用—创”统一；教学模式灵活多样，可以是真实问题的即时反馈设计，个性化的学习过程与学习成果，基于合作网络的分组学习；教育评价强调面向学生和教师的多元价值，针对小组、个人和成果的持续评价；教育时空由封闭走向开放；教育主体由单向主导变为平等交互；教育资源更富现代化、信息化。 创客教育理念与物理核心素养导向下的物理课堂教学有着高度的契合度。如何在核心素养视野下将创客教育理念融入物理教学中，使核心素养能够真正落于课堂，落于学生的研究是有意义的。这不仅为创客教育本土化提供一个途径，也为核心素养落地提供一个模式。 二、模式构建 创客教育在发展过程中，也有许多的学者在实践过程中形成教学法，有一定的教学模式。如：IDSME五步法[5]，通过创意（Idea）——设计（Design）——制作（Maker）——分享（Share）——评价（Evaluation）五个步骤创作项目作业，实现“做中学”。“SCS创客教学法”[6]，通过情怀故事引入（Story）——简单任务模仿（Copy）——知识要点讲解（State）——扩展任务模仿（Copy Extended）——创新激发引导（Stimulate）——协同任务完成（Cooperation）——成功作品分享（Share）七个步骤实现创客教学。“基于项目学习”教学模式建立在创客项目的基础上，将学生的学习过程融入到包含一系列相互关联任务的创客项目之中，包括呈现内容——选择项目——拟定计划——原型制作——成果展示——评价反思六个基本步骤[7]。 可见，在创客教育中，通常基于项目或任务，通过设计、制作、探究以解决问题，并进行评价反思。
图2 核心素养导向的创客教育与物理教学模式 据此，笔者提出核心素养导向的创客教育与物理教学模式。任何的教学设计的前提就是对教材和学生情况进行分析，确定本节课物理核心素养的培养目标。在实施过程中，教师必须要以学生为教学活动的主题，自己承担指导者、辅助者的角色，并提供所需的教学环境，包括教学用具、实验用具、交互式白板等以及学校建立的创客空间。在教学过程中，从简单任务引入，创设问题情景引入课题，通过知识讲解，构建概念，使学生获得一定的知识基础，便于接下来开展拓展任务。在拓展任务中，学生需要进行自主设计、协作探究，最终完成制作或创造，进行分享评价，完成这一阶段的学习情景。最后布置应用任务，再次激发创新，应用制作，进行问题解决，反思整个学习应用过程，将其内化为自身能力素养。达成核心素养目标所要求的：物理观念、科学思维、实验探究、科学态度与责任四个维度。 三、教学案例 （一）前期分析 1、教材分析 《科学探究：杠杆的平衡条件》是思南版八年级物理第10章第1 节内容，课程标准对这节课的要求是“知道简单机械。通过实验，探究并了解杠杆的平衡条件”[8]。教材第六、七章分别各用一节介绍了力的作用效果和平衡知识，本节从新的角度，在不同层次上研究这个问题，其内容是前面所学知识的扩展，也是后面滑轮、等其他一些简单机械的基础。本节课是在认识了杠杆的基础上，探究杠杆平衡的条件。通过本节实验课的教学，继续向学生渗透物理来源于生活，经过观察、实验等手段获取物理知识，并能解决生产、生活中的实际问题。 2、学情分析 学生已经学习了受力分析以及力的平衡等知识，也具备一定的逻辑思维能力和强烈的探宄欲望，但对杠杆的认识是粗浅的，并存在错误的前概念，比如：杠杆的阻力和动力方向相反，杠杆平衡就是动力和阻力的平衡等，因此需要在教师的引导下，更深入地认识杠杆。 3、物理核心素养培养目标 基于课程标准和学情基础，本课的物理核心素养培养目标如下： 物理观念：知道杠杆是一种简单机械，能从常见的工具中辨认杠杆，能找出支点，画出动力、阻力、动力臂、阻力臂，理解杠杆的平衡条件。 科学思维：知道杠杆是一种理想化模型。通过观察生活中的杠杆，认识杠杆，建立杠杆模型。 科学探究：学生动手实验，能得出杠杆和平衡条件，并能利用杠杆平衡条件解决一些实际问题。通过实验操作和分析培养学生的动手能力和观察分析实验现象的能力。 科学态度与责任：通过力臂的引入过程，促进学生深入思考问题，体会建立物理概念的艰辛。通过实验的操作和分析培养学生实事求是的科学态度。认识简单机械的使用对社会发展的作用。 4、教学重难点 教学重点：探究杠杆的平衡条件。 教学难点 （二）实践条件
教师引导下问题讨论与实验探究相结合 教具、设备 自制教具、跷跷板、天平、胡萝卜、交互式白板，传感器 （三）教学过程 1.简单任务引入：能否将一个大的矿泉水桶提起？ 学生活动：直接提起很费劲 教师指出人类会为了生活方便而使用机械，提供给学生一个装置。学生将装置应用如图。 发现还是很费力。教师指出，这个装置的神奇之处在于可以能够伸长。学生再次尝试，发现轻松很多。 教师强调：这个神奇的装置能够通过伸长距离达到省力的效果，其实这就是我们今天要研究的杠杆。在生活中，杠杆是一种简单，但用途十分广泛的机械。 （设计意图：通过游戏，创设问题情景，激发学习兴趣，为这堂课的学习做好铺垫，并能体会简单机械给生活带来的便利） 2.知识构建1：认识杠杆 教师提问：以下这些工具，虽然形状不尽相同，但使用过程也是杠杆，如：抽水机的手柄、剪刀、夹子、缝纫机的踏板，他们在使用过程中都有很多共同点，你们能找到吗？ 教师利用白板课件，将这些共同点进行展示，并提出：物理学中，为了更好的研究这类机械，忽略其形状的不同，把这些具体事物抽象为一根硬棒。而这跟硬棒都能在力的作用下绕固定点转动，我们就把它称为杠杆。 （设计意图：本环节通过观察、总结、抽象得出杠杆是在力的作用下绕固定点转动的硬棒，体现了物理学中建立模型常用的理想化方法，抓住主要因素，忽略次要因素，培养学生的科学思维） 3.知识构建2：杠杠的支点、动力、阻力 教师指出杠杆定义中的固定点就是支点O。 使杠杆转动的力就是动力F1。强调动力是作用在杠杆上，画出动力的示意图。 杠杆在转动过程会受到阻碍，阻碍杠杆转动的力是阻力F2。强调虽然阻力是由被移动物体的重力产生，但重力并不是阻力。 教师提问：那阻力的方向如何判断呢？是否与动力方向相反呢？ 引导学生思考、讨论：不一定，可以相同也可以相反，从阻力定义出发，突出两个关键词：阻碍、转动，所以阻力的方向应该和阻力作用点的运动方向相反。即要先判断阻力作用点的运动方向，再沿着其相反方向画出阻力方向。 （设计意图：本环节通过师生互动讨论，有效的纠正学生错误的前概念，阻力的方向不一定与动力的方向相反，培养学生正确的物理观念） 4.扩展任务1：力臂 教师指出杠杆在动力和阻力作用下保持静止或匀速转动时，我们就说杠杆平衡了。 提出问题：杠杆的平衡条件可能和哪些因素有关呢？ 设计探究1：跷跷板游戏 1 2 学生根据游戏，猜想杠杆的平衡可能和力的大小和物体的位置有关？
学生猜想1：位置是作用点的位置。 实验：改变支点的位置也可以重新平衡 学生猜想2：位置是支点到作用点的距离。 设计探究2：这是一根杠杆，它可以绕着支点O转动，在杠杆的一端挂着一个重物，重物对杠杆的拉力看做阻力。现在用一个力传感器在A点施加一个向下的动力，使得杠杆水平静止。此时，动力的作用效果与阻力的作用效果相互抵消了。控制作用点不变，改变力的方向，如果影响杠杆平衡的距离是支点到作用点的距离，那么我改变方向，力的大小还是不变。实验发现发现力的大小在不断的变化。所以这个距离并不是支点到力的作用点的距离。 5.分享评价 教师指出影响杠杆平衡的距离应该把力的方向考虑在内。物理学中把过力的作用点，沿力的方向所做的直线叫做力的作用线。而这个距离是支点到力在作用线的距离，我们把它叫做力臂。动力臂就是从支点O到动力F1作用线的距离 。同理，阻力臂就是从支点O到阻力F2作用线的距离。 练习：画出动力臂和阻力臂
强调：力臂是支点到力的的作用线的距离，而不是支点到力的作用点的距离。力臂可以在杠杆上，也可以不在杠杆上 结论：影响杠杆平衡的因素有力的大小和力臂大小 （设计意图：本环节通过实验探究，得出影响杠杆平衡的因素有力的大小和力臂大小，为下面的实验探究打下基础。同时，经过两个实验探究得出力臂的概念，让学生体会一个物理概念的引入是十分不容易且有意义的，培养学生的科学态度与责任） 6.扩展任务2：探究杠杆的平衡条件 教师提问：通过刚才实验我们发现杠杆的平衡与力的大小和力臂大小有关。当动力、动力臂与阻力、阻力臂满足什么条件时杠杆就会平衡？ 学生猜想：动力+动力臂=阻力+阻力臂；动力-动力臂=阻力-阻力臂；动力*动力臂=阻力*阻力臂；动力/动力臂=阻力/阻力臂。 教师指出：并不是所有猜想都有意义，由于力和力臂的量纲不同，猜想二者的加减关系是毫无意义的．只有力与力臂的乘除关系才可能有意义。 ②设计实验 首先要先选杠杆。老师已经给大家准备了一个杠杆，把它固定在铁架台上便于操作。 接下来要让杠杆平衡。请同学观察以下两种平衡状态，该选哪一种？
学生讨论：我们知道对于水平位置的平衡，支点到力作用点的距离刚刚好就等于力臂，所以只要杠杆上有刻度，我就可以读出力臂的大小了。对于非水平位置的平衡大家画出它的力臂，发现这时力臂不在杠杆上，要测量的话要用尺子这样测，会非常麻烦。 进一步提问：现在我们要调整杠杆水平平衡，如何调节呢？ 学生发现：两边有平衡螺母，杠杆左边向上，则将平衡螺母往左调。杠杆右边向上，则将平衡螺母往右调。 最后要怎么改变条件？力的大小可以通过挂砝码来改变，我们把砝码挂在这个环下，移动环就可以改变力臂的大小。我们要改变动力、动力臂、阻力、阻力臂，但都要使杠杆保持水平平衡。 ③进行实验
学生进行实验，并记录数据 ④讨论交流，得出结论 学生根据实验结论，讨论得出杠杆的平衡条件是：动力*动力臂=阻力*阻力臂 ⑤教师总结 动力臂×动力=阻力臂×阻力。用公式表示为：F1*l1= F2*l2，这个就是杠杆平衡的条件了。动力臂×动力表示动力使杠杆转动的效果阻力臂×阻力表示阻力阻碍杠杆转动的效果。这二者效果相互抵消，杠杆就平衡。 （设计意图：本环节突出科学探究中提出问题、猜想与假设、设计实验与制订计划、进行实验与收集证据、分析与论证、评估、交流与合作等要素。让学生经历科学探究的过程，培养初步的科学探究能力。能书面或口头表述自己的观点，能与他人交流，有自我反思和听取意见的意识，有初步的信息交流能力。） 7.应用任务布置 ①动物园里的饲养员想要将一个胡萝卜平均分给两只小兔子，他用绳子将胡萝卜水平吊起保持平衡，然后在从绳子的位置切下，这样做能公平的分为两份吗？ 学生主要分为两种观点，请学生代表分别阐述。 最后教师指出：事实要通过实验进行验证。请一个学生将胡萝卜沿绳的方向切下，放在天平上，发现短的这边重，长的这边轻。 学生利用所学杠杆平衡问题进行解释。 教师强调：杠杆的平衡条件是动力*动力臂=阻力*阻力臂，而不能认为是动力=阻力。 ②学习了杠杆的平衡条件，大家能否解释一下为什么改变这根棒的长度就能达到放大力的作用？ 除了刚才增大动力臂的办法，还有别的办法可以实现吗? 学生想到：伸长棒的长度是增大动力臂，那么动力就小，就省力。还可以通过缩短阻力臂来省力。最后请同学再上来提起水桶，发现用这两种办法能够更轻松提起。 （设计意图：本环节通过问题解决，加深学生对杠杆平衡条件的理解，培养学生利用所学知识解决实际问题的能力，使学生体会简单机械对生活生产的作用。） 8.反思 杠杆在我国古代早就有许多巧妙的应用，在我们的生产、生活中大量使用杠杆，但每个杠杆都各有特长，需要扬长避短，将其应用于正确的地方。请同学找出生活中不同用途的剪刀，找出支点、阻力、动力、阻力臂、动力臂，配上示意图，根据平衡条件，分析其省力还是费力。 （设计意图：本环节通过反思，总结课堂教学内容，并给学生留下任务，从生活中不同用途的剪刀，让学生发现其中用途不同在形状结构上的不同，从而体会杠杆在生活中的作用。前后呼应，实现从生活走向物理，从物理走向社会。） 参考文献 [1]中华人民共和国教育部制定.关于全面深化课程改革落实立德树人根本任务的意见[Z]. 2014-04-24. [2]中华人民共和国教育部制定.普通高中物理课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018. [3]克里斯.安德森.创客新工业革命[M]. 萧潇译. 北京:中信出版社, 2012. [4] MAKER E D.2013 Annual Report [EB /OL].( 2014-09-15 ). http ://makered.org/wp-content/uploads/ 2015 / 01/Annual-Report -Design_1.8.15_FINAL_web.pdf. [5]王蕾.五步创客教学法上好Scratch课[J].中国信息技术教育.2015(17). [6]高金丽.创客教学模式的设计与实践研究——基于创新能力培养的视角[D].华东师范大学.2016(09). [7]姬文广,曹淑玲.创客教育,我们在路上……——行知行创客课程的“点-线-面-体”构建[J]. 今日教育,2018(1). [8]中华人民共和国教育部制定.义务教育物理课程标准:2011年版[M].北京师范大学出版社,2011.
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