基于新高考背景高中物理STS情境分层教学及作业设计

摘要：教育服务于社会科学发展，教育不能脱离社会科学的实际发展现状。新课标、新教材、新课程、新高考的“四新”以各自方式强调教育与社会科学发展之间应加强联系，教师却对此有些束手无策。STS教育的应用契合教育行业需求，通过设计STS情境分层教学及作业设计能够有效培养学生的物理核心素养。本文从新高考人才选拔模式、STS教育、高中物理之间的关系入手，分析STS情境分层教学及作业设计要点，探讨STS情境分层教学及作业设计策略，为提升高中生的物理课堂学习效果提供思路。关键词：新高考；STS情境；分层教学；作业设计新高考背景下，如何在教学中落实立德树人根本任务、如何有效培养学生核心素养成为高中各学科教师的研究重点。但高中物理课堂长期存在着社会情境与物理知识契合浅表化、学习过程缺乏探索等问题。STS教育是多年探索之下找寻到的比较契合新高考要求、契合高中物理教学要求的教学模式，能够解决高中物理教学当前问题的方式之一[1]。一、新高考背景下的高中物理STS教育（一）新高考背景下的高中物理新高考：取消传统高考文理分科采用3+3或3+1+2模式进行选科，2021年福建省实行“3+1+2”选科新高考模式。在高考模式优化的同时，高考评价体系也发生着转变，可概括为“一核四层四翼”。“一核”指落实立德树人的根本任务，为高中学科建设和教学提供引导；“四层”指高考考查学生对于学科核心价值、学科素养、关键能力、必备知识的掌握；“四翼”指高考考试划分成四个部分，基础、综合、应用、创新。新高考评价体系为高中课程改革优化提供了重要的指引和影响[2]。基于新高考模式和评价体系的调整，福建省鲁科版高中物理课后作业设计进行跟随调整，在帮助学生巩固、反馈学习情况的基础上保持学生对学科学习的兴趣，强化学生的物理学习能力，使学生能够更好地迎接高考。（二）STS教育与高中物理STS教育诞生于第二次世界大战期间。世界大范围战争使各国各界人士意识到科技发展、社会进步之间的密切关系，逐渐发展出一种新的教育思想，即通过引入社会问题情境来促使科学技术的发展，通过科学发展解决社会问题，通过二者的引入优化教育成果，以教育来促进科学技术发展和社会进步。STS是Science、Technology、Social的首字母组合，这是一种为了促进人类社会发展、科学技术进步而诞生的教育思想[3]。在高中物理教学中引入STS教育，可使物理课程与科技、社会、其他学科产生紧密联系，有利于学生对知识产生整体认知，有利于学生跨学科应用物理知识解决问题，有利于培养学生的科学态度和社会责任感，使学生向着综合性人才的方向发展。（三）新高考与STS教育新高考强调发展学生的核心素养，为促进人类科学事业的传承与社会的发展而努力；STS教育强调将科学技术、社会问题情境与教育相结合，培养综合性人才，以教育促进科学技术的发展和人类社会的进步。新高考和STS教育从目标上来看具有一致性，从手段上来看具有相似性，能够在高中物理教学阵地上进行融合应用，共同促进高中物理教学质量的提升，共同促使高中生进行有效的、深度的物理学习。二、基于新高考的高中物理STS情境分层教学和作业设计目的新高考对学生学科核心素养进行针对性考查，出题组所编制的题目与社会生活、科技发展关系较为密切。高中生的物理基础和学习水平有较大的层次差异，分层教学能够满足不同层次学生的学习需求，能够推动学生尽量向新高考选拔要求方向靠拢。作业是教育教学的重要组成环节，与课堂教学和学生自学之间存在衔接性关系。通过作业能够反馈学生的课堂学习情况，通过作业能够巩固学生的学科知识学习成果，通过作业能够锻炼学生的学科学习能力，通过作业能够为学生自主学习提供明确指引方向。基于新高考和STS教育进行高中物理进行分层教学和作业设计，提升不同层次学生物理学习质量，强化学生对物理知识的迁移应用能力。教师需要将单元、课程教学知识与社会生活中的具体情境相结合，为学生提供应用性、针对性、操作性更强的作业内容，强化学生物理学习能力，提升学生的科学思维和创新能力。基于新高考和STS教育的高中物理校本作业包含调查、体验、实践等多种形式，新奇有趣且充满挑战，可在动手探索、尝试中增强学生对物理知识点的理解，调动学生对物理知识的学习兴趣，培养学生的物理学科核心素养。三、基于新高考的高中物理STS情境分层教学策略（一）清晰教学目标要求课堂教学、作业设计建立在教学目标之上，教学目标来源于课程标准[4]。教师必须通过仔细研读、分析课程标准来确定具体教学目标，参照教学目标进行课堂教学设计和作业设计。以“自由落体运动”为例，这是高中物理机械运动、物理模型主题下的重要组成。《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》中对“自由落体运动”部分内容的描述为：①通过史实了解近代实验科学产生的背景，认识实验对物理学的推动作用；②通过认识质点，了解物理学研究中物理模型的特点，体会物理模型在探索自然规律中的作用；③经历匀变速直线运动的实验研究过程，理解位移、速度、加速度，了解匀变速直线运动的规律，体会实验在发现规律中的作用；④能够使用公式、图像描述匀变速直线运动，能体会数学在物理研究中发挥的重要作用。根据新课标的要求可以明确教学目标的分类，了解物理实验背景和推动作用，可以培养学生持之以恒的科学探究态度，可以培养学生的科学探究能力；认识质点、体会物理模型的特点和作用，可以培养学生的建模观念和意识；匀变速直线运动实验研究，可以用来培养学生的实验能力；用公式、图像描述匀变速直线运动，可以培养学生处理实验数据、解释实验现象的能力。汇总新高中物理课程标准的要求，可形成“自由落体运动”课程的清晰教学目标：①要求学生可以认识自由落体运动是竖直方向上的匀变速直线运动，了解影响物体匀变速运动快慢的因素；②可以借助打点计时器等相关实验仪器，总结出相应的运动轨迹；③通过自由落体实验结果，可以总结出自由落体运动的规律，并用总结出的规律解决生活中的实际问题；④促使学生通过课程学习体验掌握探索自然规律的科学方法，强化学生物理知识学习能力、物理实验能力。在掌握清晰的教学目标要求基础上进行情境分层教学和校本作业设计，既能够明确考查的重点，又能够兼顾学生的兴趣、态度，可为学生设计出合理的课堂练习题目和作业，更好地为高中物理教学服务。（二）明确教材内容资源教材是学科知识、资料的重要载体，教材中所包含的STS内容资源可在一定程度上为情境分层教学和校本作业设计提供帮助，助力学生的学科核心素养发展。以鲁科版高中物理教材为例，鲁科版虽然没有明确标明STS教育字眼的板块，但“科学书屋”“拓展一步”“迷你实验室”“物理聊吧”四个栏目中都含有STS教育内容，STS教育资源较为丰富[5]。其中，“科学书屋”栏目在鲁科版必修、选修高中物理教材中的数量分布较多，主要包括物理学史、近代经典物理科学实验、现代先进物理实验仪器等知识，属于物理学科历史发展过程、前沿成果的展示栏目。“拓展一步”栏目中以生活物理现象为主，借生活现象解释物理知识，调动学生对物理学习的兴趣。“迷你实验室”栏目中以了解实验仪器、生活产品为主，鼓励学生通过模拟实验了解实验所用器材，帮助学生认识物理对生活的影响。“物理聊吧”栏目中以介绍生活物理知识为主，以物理知识指导学生生活。在掌握教材STS教育内容资源的基础上，进行情境分层教学和校本作业设计事半功倍。教师可以借助教材中已有的STS情境资源，也可以教材资源为中心进行拓展辐射，促使学生在社会情境、科技情境、应用情境中迁移应用所掌握的物理知识，提升学生的物理学习质量，培养学生的物理学科核心素养。（三）掌握本校物理学情学情是情境分层教学和校本作业设计的重要基础之一。本校学生物理学习水平处于同期学生群体的位置、对物理知识的掌握程度、所具备的物理学习能力和实验能力，决定了情境分层教学和校本作业设计难度。若学生整体水平偏低，而课堂教学难度和课后作业难度偏高，则有相当部分的学生会因为挑战高难度失败而被消磨自信心，教师也较难通过作业完成情况了解学生对物理知识的实际掌握情况。若课堂教学难度和课后作业难度与学生整体水平相互契合，不仅教师能够通过作业了解学生实际掌握知识的程度，而且学生也能够在情境作业的完成过程中收获物理学习的兴趣和自信心。教师需将学生划分成学困、中等、学优三个层次。学困生普遍物理知识薄弱、缺乏物理学习自信心、学习主动性差；中等生普遍存在物理知识掌握不够扎实的问题，日常预习、课堂学习、课后作业完成情况比较积极，但物理思维能力有限，对知识的灵活应用效果较差。学优生普遍物理知识基础扎实、对物理的学习兴趣较高、学习积极主动，且能够灵活应用所掌握的知识，具备自我提升和拔高能力。四、基于新高考的高中物理STS情境课后作业设计策略教师需在明确新高考下物理教学目标的基础上，结合学情为学生匹配难度适当的课后作业。并根据原题内核选用适宜的社会情境、社会问题、前沿科技发展成果，形成STS情境校本作业。（一）匹配作业难度教师需为三个层次的学生匹配相应难度的作业。学困生作业以基础题为主，趣味性相对偏高一些，作业完成情况较好，能够调动学生的积极性，让学生收获自信心。中等生作业以基础题、综合题、应用题为主，可以由教师按照适当比例进行搭配，也可设置作业超市，由学生根据自身情况进行选择。学优生作业以综合题、应用题、创新题为主，契合其学习能力和水平，给学生一定的挑战性题目助力学生成长。（二）划分作业层级作业层级划分按照新高考高中物理试卷出题层级进行，实现高中物理教学与新高考对标。为使作业难度层级更加一目了然，选用同一单元物理知识进行STS情境校本作业设计，选用对象为鲁科版高中物理必修1“力与运动”。①基础类。例：2023年10月31日神舟十六号载人飞船返回地球，进入大气层后依赖大气阻力逐渐减速，距离地面约10km、速度降至200m/s时打开降落伞，经历一系列竖直向下的减速运动后平安降落。在此过程中，航天员所在的返回舱速度减小，所受大气阻力减小，加速度大小会发生怎样的变化？根据题意可知，返回舱做竖直向下的减速运动，过程受竖直向下重力和向上大气阻力影响。调用牛顿第二定律可知加速度公式为，。返回舱质量不变，地球上单一地点的不变，返回舱下降速度越慢向上的大气阻力越小，则加速度越小。这一题借用了2023年返回的神舟载人飞船作为情境，利用载人飞船返回舱落地前的减速运动，情境信息量较小，单一使用牛顿第二定律即可完成解题。情境包含我国航空航天科技知识，既能够考查学生对牛二定律在实际科学实践中的应用情况，又能够向学生渗透爱国思想，是一道基础类情境作业。②综合类。例：某城际高速公路上，司机以72km/h的速度驾驶一辆m=5000kg的卡车做匀速直线运动。突然，司机发现前方存在障碍物，在0.6s内做出反应立刻进行刹车制动。假设刹车后卡车受到的阻力F恒为15000N，求：从发现障碍物到最终停车，卡车的总前进距离？说一说影响卡车刹车距离的因素及其影响方式。根据题意可知，卡车在刹车反应期间做匀速直线运动，0.6s后进行匀变速运动，阻力F=15000N，质量m=5000kg，初始速度v0=72km/h。在解决第一问时，学生需要用到两个典型的运动模型中的多个知识点，表现出了明显的综合类题目的特征。综合类题目难度高于基础类题目，解题过程中并非使用单一物理知识点可以得出正确结果，需要用到多个知识点的衔接进行求解；同时难度低于应用类题目，所以运动过程较为清晰、模型应用较容易判断，更多考查学生面对交叉综合问题的知识应用能力。而第二问则体现出STS情境校本作业的亮点，将物理与生活相联系，从第一问中求刹车距离S的过程入手去探究，交通管理部门为什么提出不能超载、不能超速、不能疲劳驾驶、不能酒驾、与前车保持安全距离、地面湿滑要减速等一系列要求，使学生从物理知识的角度去认识社会问题，强化学生尊重交通规则的意识，达到高中物理学科育人的目的。③应用类。例：在蹦极运动中，蹦极人从蹦极台跳下的初始速度为0，下落到A点时蹦极弹力绳恰好伸直，人继续下落达到最低点B，AB点之间位置关系如下图所示。在蹦极过程中，弹力绳的弹力大小满足公式F=kx，其中k是弹力系数，x是弹力绳的形变量。求：分析从A到B过程中蹦极人运动情况；分析人从A到B过程中加速度a随位移l变化而发生的变化，尝试绘出加速度与位移之间的变化曲线图，并尝试解读自己所画变化曲线图中图像与坐标轴之间的关系或物理意义；假设有一个新的蹦极人，体重大于原蹦极人，分析新蹦极人最低点位置与原B点之间的位置关系，并说明原因。根据题意可知，蹦极人在A点与B点之间受到竖直向下的重力和竖直向上的绳弹力作用，发生变速运动，需要学生将蹦极人视为质点，分析质点的受力以及因受力而出现的运动变化。第一问属于较为简单的运动变化分析，需要用到力和运动两方面多个知识点，表现出明显的综合性；第二问要求学生用图像来表示加速度与位移之间的变化曲线，并阐述曲线的物理意义，明显在考查学生用图像表示运动过程的能力以及结合具体情境读图的能力，使得这道题超出了综合类试题的范畴，偏向于应用类；第三问更改原本受力分析、运动过程分析中的m，要求学生分析运动结果变化并说明原因，又是在具体的情境中要求学生运用物理知识解释物理过程，呈现出明显的应用类题目特征。解决这一题，学生可以用橡皮筋、小球等工具自行制作简易的蹦极装置，观察实际的物体运动过程辅助分析。图1蹦极情境图④创新类。例：沙尘暴是每年春天都有可能在我国北方地区出现的恶劣天气情况，大量沙子在空气中被风吹动，使空气质量下降。假设沙子颗粒为球形，半径为r，密度为。沙子颗粒在空中时受到流体力学的影响，空气对沙子颗粒的作用力公式为，其中是流体力学系数，是空气密度，A是物体截面积，v是物体速度。求：沙子颗粒在空气中从静止开始下落，写出下落过程中最大速度vmax与半径r之间的关系表达式；为我国的沙尘暴治理提出你的建议。分析题意可以发现，虽然题干给出一个复杂的流体力学公式，但实际上沙子颗粒在空中从静止开始下落时所受的依然是竖直向下的重力和向上的空气阻力，只不过空气阻力需要用新获得的流体力学表达式。在沙子颗粒下落运动中可用牛二定律判断加速度变化，在沙子加速度为0时达到最大速度，此时沙子颗粒上的受力平衡可根据流体力学中的A引出与半径之间的关系。第一问不仅涉及高中物理教材中的牛顿第二定律问题，还涉及新的流体力学知识及公式，只要学生发现流体力学公式与已有牛二定律、加速度之间的关系，就可以进行应用解题，难度并不高。但如果学生并未能扎实掌握牛二定律，且看到复杂的流体力学公式就慌了手脚，则很难找到正确的解题思路。而且，从牛二定律、加速度、最大速度到半径之间的关系表达式推导过程确实较为复杂，对学生的耐心、扎实程度有较高要求，难度在应用类题目之上。这一题中出现了学生并未接触过的新知识，为学生提供了社会问题的情境，要求学生进行物理条件关系式的推导，表现出明显的创新