基于创新素养培育的物理课程建设

一、基于创新素养培育物理课程建设的提出

为了贯彻国家关于创新人才培养的有关精神，近年来基础教育界积极开展创新人才培养的研究与实践. 然而，我们通过文献综述和相关实地考察，结合我校创新教育实践，发现现行高中物理创新教育研究与实践中存在一些问题，比如较多地注重认知领域研究与实践，而缺乏非认知领域的研究与实践，这些研究与实践对于培养具有较为全面创新素养的创新人才是远远不够的；较注重理论领域的研究与实践，而缺乏实践领域的研究与实践，不利于培养社会需要的多样化创新人才；物理创新教育研究比较零乱，缺乏系统性和课程建设.

物理理论的发现和建立是一种原质创新过程，物理实验是实施方法、技术创新的重要领域，物理理论、研究方法应用实际过程是进行移植创新的过程，物理学与其他学科的综合是进行综合创新的重要源泉.因而，物理学科是实施创新教育的一个重要领域.针对现有创新教育中存在问题和物理学科巨大的创新功能，我们认为高中物理创新教育的重点是培育拔尖创新人才所需要的创新素养.根据创新素养培育的一般性，在分析我校物理教育特色和创新教育条件的基础上，我们提出“基于创新素养培育的物理课程建设”这一研究课题.该课题研究对于科学地构建创新素养培育物理课程体系，促使高中物理创新素养培育规范化、系统化、多样化，突破创新人才培养模式具有十分重要的意义.

二、基于创新素养培育物理课程建设整体框架的构建

（一）高中物理创新素养培育的内容

我们根据拔尖创新人才所需创新素养的一般性结合高中物理教育的实际，确定如下高中物理创新素养培育的内容.

1.物理创新个性品格

（1）物理创新意识

发现问题、提出问题意识.具有质疑批判习惯，优化探究愿望，能运用相关方法发现和提出问题.

求证否定意识.具有严谨的实事求是的科学态度，能运用实验和一般性原理例证或论证新的猜想，能运用实验和科学的方法揭示原有理论和方法存在的问题，能进行反思并及时改进自身存在问题.

（2）物理创新动机

创新的求知欲望.具有探究新知识、寻求新方法、进行新设计、解决新问题的强烈愿望.

创新的兴趣.乐于探究自然界奇异现象和奥秘，喜欢探究奇异和矛盾的问题，沉浸在物理学探究创新活动之中.

创新的热情.感受物理创新的成功感，体验和领略科技创新的科学价值和人文价值，具有从事探究物理学的专业抱负和志趣志向.

（3）创新的意志和精神

创新的自觉性.认识物理创新的价值，明确创新的目标，能自觉地进行创新活动.

创新的果断性.能及时地决定创新行动，坚决和有信心地执行创新计划.

创新的坚韧性.有旺盛精力和拼博精神，克服创新过程中种种困难，能持之以恒地进行创新活动.

2.物理创新思维方法

（1）一般性创新思维

发散思维.能通过观念、知识、方法和技术等信息的重新组合，多角度发散思维，提出和解决问题.

直觉思维.能运用思辨思维、想象思维、联想思维、灵感思维提出问题、分析思考问题.

侧向思维.能从横向视角另辟蹊径提出、分析和解决问题.

逆向思维.能从已有思路的反方向去思考问题，创新解决问题.

（2）物理创新思维方法

等效思维方法.能运用等效思维方法提出探究问题，创新解答物理问题.

类比思维方法.能运用类比思维方法提出探究问题，创新解答物理问题.

移植构建思维方法.能移植构建熟悉、简单物理模型解答陌生领域复杂的物理问题.

对称思维方法.能运用对称思维方法创新提出问题，解答疑难物理问题.

3.物理创新技法

（1）列举缺点法.能在实际探究过程中对原有解题方法、实验设计方法、物理技术进行质疑，从不同角度考虑，揭示存在的问题，提出完整的思路和方法.

（2）组合方法.能综合应用不同的知识和方法以及技术和实验设备，多角度进行物理实验的设计和应用，产生创新的整体功能.

（3）移植方法.能移植应用相关的物理实验思想、实验原理和方法、实验技术，创新进行相关实验仪器的设计和改进，应用性地解决生活、生产中的实际问题.

（4）转化方法.能运用物理理论、方法和相关硬件设备（例如传感器）实施力学、热学、电学、光学、声学等不同特性物理量间的转化，创新设计物理实验和设备.

（5）放大方法.能运用相关物理理论、方法、技术放大微弱物理量，精确测量难测物理量，实现创新测量技术的目的.

（二）基于创新素养培育物理课程建设的目标

我们根据上述高中物理创新素养培育内容，结合创新素养培育的一般要求和物理学科课程建设实际，确定如下创新素养培育物理课程建设目标.

1.学生层面目标

使参与实验项目的学生在达到较高学业水平的同时，价值素养、科学和人文素养、学习素养、身体和艺术得到较好培养，物理学术研究、物理实验创新、物理设计创新、科技创新等特长得到和谐发展，使他们的创新个性品格、创新思维、创新技法得到良好的培养.

2.教师层面目标

使参与实验项目研究教师的物理专业水平、课程开发能力、实施能力、科研能力、创新教育水平和热情得到较大提升.撰写发表多篇相关创新素养培育的论文，出版体现物理创新素养培育策略和成果的专著以及课程讲义多部.

（三）基于创新素养培育物理课程体系的构建

1.构建多层次基于创新素养培育物理课程结构

根据拔尖创新人才所需的物理学科知识、价值素养、体艺素养、学习素养、人文素养、科学素养、创新素养等要求，结合高中物理教育实际，遵循学生认知发展规律、情感需求和价值取向，构建如图1所示的物理创新通识课程、物理学科基础课程、物理学科拓展课程、物理创新特色课程、创新专家讲席课程等多层次创新素养培育物理课程体系，并明确目标指向.

2.确定创新素养培育物理课程的内容

我们根据创新素养培育物理课程结构和目标指向，结合学校物理师资条件确定了如表1所示的创新素养培育的物理课程类型、具体内容、课时和学分.

三、基于创新素养培育物理课程建设的实践探索

（一）开设创新个性品格培育的系列课程，培养学生的创新个性品格

1.开设“物理创新素养通识教育”课程，提升学生创新理论水平

通过开设“创新素养通识教育”课程，使学生认识创新的背景和意义，了解创新的特点和内容、创新素养内容，提升学生创新理论水平和品质，为创新人才培养打下良好基础.

2.开设“物理创新个性品格培育”课程，培养学生创新个性品格

物理创新个性品质课程包括物理学家创新个性品格分析、物理课题探究、物理实验创新等内容.通过物理学家创新个性品格剖析，使学生明确创新个性品格的内容（创新意识、创新动机、创新意志等），认识到良好的创新个性品格在创新过程中的重要作用.通过物理课题探究、物理实验创新等实践活动，促进学生在经历实际创新活动中养成良好的创新个性品格.

3.实施“物理悖论探究”专题教育，实施创新品格专题教育

针对科学悖论探究中科学家创新个性品格的重要作用，我们根据高中物理学习与科学探究在认识和思维、情感需求、价值取向等方面的相似性，实施高中物理“物理悖论探究”专题教育，从以下三个方面来实施创新品格专题教育.

（1）运用导致悖论方法培养学生的创新兴趣和发现、提出问题的意识

例1 如图2所示，水平金属导轨间距为l，导轨左端接有阻值为R的电阻，质量为m的导体棒垂直跨接在导轨上，导轨和导体棒的电阻均不计. 矩形区域内匀强磁场磁感应强度为B，方向如图.导体棒始终在磁场区域内，当磁场以速度v2匀速向右移动时，导体棒受到大小为f的恒定阻力.试求金属棒运动的最大速度.

分析：部分学生解答为：由E=Blv，I=■，Blv=f，解答vm=■.运用特殊化方法导致悖论：当f=0时，vm=0.但事实上，当磁场运动时，通过闭合回路的磁通量发生变化，棒上有感应电流受磁场力作用而运动，vm≠0，从而导致“最大速度”悖论.这个悖论激发学生的探究兴趣，发现动生电动势公式E=Blv的局限性，教师再引导学生提出新的探究问题：“磁场运动情形下E=Blv中v的含义是什么？”

（2）强化悖论探究过程，培养学生的创新意志

例如，针对“最大速度”悖论，要求学生探究导体棒切割磁场的一般情形下感应电动势规律：磁场以v1速度水平向右运动，导体棒在导轨上以v2速度也水平向右运动.探究t时间导体棒产生的感应电动势为ε=■=■=■=BL（v1-v2）=BLvr（vr为相对磁场的切割速度）.学生经历上述悖论的艰辛探究过程，遇到了多次失败，克服了种种困难，从失败到成功，从错误到正确，培养了创新的意志和精神.

（3）消除悖论，探究规律，培养学生创新热情

例如，通过“最大速度”悖论原因探究，不仅揭示了错误原因，消除悖论，使学生认识到原有认知的局限性，探究出导体棒相对运动磁场运动时动生电动势的规律ε=Blvr，更为重要的是使学生获得创新的成功感，进一步培养学生创新热情.

通过实施 “物理悖论探究”专题教育，使创新个性品格教育得到进一步的提升，切实有效地培养学生的创新个性品格.

（二）开设物理创新思维培育课程，培养学生物理创新思维

我们重组原有物理竞赛社团活动，开发开设物理创新思维培育课程，由原有以竞赛获奖为主的目标转变为培养创新思维为主的目标；整合原有物理竞赛课程资源，探索培养学生创新思维的教学方式和学习方式.灵活运用知识创新教学模式和方法创新教学模式引导学生探究新的物理知识和物理方法. 鼓励学生积极撰写物理创新小论文，提高学生的物理创新思维和学术研究水平.

例如，在物理拓展课程的“静电场”章节拓展教学中，我们通过如下途径来培养学生的物理创新思维.

1.运用移植、构建思维方法，创新探究新的知识

例2 如图3所示为单位长度带电量为λ的无限长直带电体，试证明：在距离直线为r处产生电场强度为E=■.

分析：这个电场强度公式往往运用大学物理中的高斯定理推导.在物理竞赛教学中，学生构建如图3所示，在带电半圆中，由于半圆线电荷和无限长直电荷在O点产生电场强度相等，且半圆线电荷在O点产生的电场强度容易求解，因而移植运用半圆线电荷电场规律可以求解无限长直带电体产生的电场.从而实现在知识创新的同时，培养学生的创新思维.

2.运用等效、类比思维方法，创新求解复杂电荷运动问题

例3 如图4所示，一个质量为m、带电量为q的点电荷约束在一个很大的固定接地金属板上方很近的位置，当它们之间的距离为d时释放点电荷.重力的作用忽略不计.试求：这个带电质点到达金属板需要多长时间？

分析：为了简化非均匀分布感应电荷，首先运用等效方法构建对称镜像电荷-q，再运用等效方法把运动的原镜像电荷-q等效为在板上O点的固定不动的电荷q1=-■.再把点电荷直线运动视为偏心率很小的椭圆，运用类比思维方法把点电荷运动与天体运动类比，求出点电荷运动时间近似为绕O点运动椭圆运动半个周期（具体解答略）.通过综合运用等效、类比思维方法，不仅使这个复杂问题提到初等化降解处理， 更重要的是有效地培养学生创新思维方法.

（三）开设物理创新实验课程，培养学生的创新技法

我们整合物理实验资源、选修课程和研究性学习时空，开设实施物理实验创新课程.该课程主要以高中物理实验中存在和遇到的实际问题为研究课题，引导学生进行物理实验创新活动.通过物理实验创新活动，不仅解决高中物理实验中存在的问题，而且有效地培养了学生的创新技法.

1. 运用列举缺点方法揭示原有实验存在问题，提出设计课题

教师向学生演示物理选修3-4课程（第19页）中“受迫振动”和“共振”演示实验，揭示原有实验存在问题（例如，“共振”实验中，单摆之间会产生耦合作用而相互影响，摆线容易扰乱；“受迫振动”实验中振幅较难测量，不利于定量或半定量研究）.通过列举缺点方法，提出实验创新设计研究课题.

2.运用移植方法，设计改进实验方案

学生受复旦大学天欣仪器公司制造“音叉受迫振动”实验（如图5）相关原理和设计思路方法（调节音频交变电频率，改变电磁驱动力的频率，探究音叉振幅与驱动力频率的关系）和高中电磁打点计时器原理的启示，移植转化的设计思想方法，把传统的力学驱动转化为可调节的电磁驱动，创新设计如图6所示的受迫振动实验方案.

3.运用放大方法，创新实验仪器

通过实验发现，如图6所示实验中振片振幅较小，而且振幅大小不能定量测量.学生通过深化研究，运用放大的方法，在钢片上放一个小强磁铁增加磁性，同时在振片顶端固定一个较长的轻质指针，并标上刻度，再用闪光灯照射以显示指针的振幅，设计创新出如图7所示装置，该实验效果良好.

4.运用组合方法，进行拓展创新

在上述实验创新基础上，学生组合运用弹簧振子、电磁驱动装置和转化、放大方法，拓展创新出如图8所示电磁驱动弹簧振子的受迫振动实验装置，原理简单，效果直观精确，稳定性好.

除了上述创新素养培育物理课程建设的实践探索外，我们还在创新素养培育物理课程开发、管理、课程设置与课时安排、课程组织方式、教学方式、学习方式、课程教学质量评价、课程学生学业评价等方面进行探索实践.由于文章篇幅限制，在此不作详细介绍.