1、Vol.41 No.8物理教学探讨2023年第8 期教学设计“脑科学+核心素养”视域下概念教学案例分析以“密度”为例董黎军1,李建雄,赵夫辰3*,李子明41.河北省武安市第六中学,河北邯郸0 5 6 30 02.河北省邢台市教育科学研究所，河北3.河北师范大学教师教育学院，石家庄4.河北省武安市第十中学,河北邯郸0 5 6 30 0摘要：脑科学的发展促进着人类智慧与才能的提升。脑科学强调了学习过程中意义建构对学生科学思维、情境创设对学生认知引导、学生情绪和评估对学习效果等方面的影响。学生创新思维的培养、关键能力的获得、必备品格的形成，无不依赖于“学什么”“怎么学”“学到什么程度”。因此，在学习
2、过程中，将脑科学与教育规律相融合，可促进学生大脑的发展，进而掌握物理规律。在脑科学理论指导下，围绕过程性的“教”与“学”，建构相应的评价体系，从而探索物理概念教学中的“教一学一评”一致性的路径。关键词：脑科学；物理概念；核心素养；案例中图分类号：G633.7脑科学的“保证和觉醒系统”“信息接受和处理系统”“评估和情绪系统”“调节与控制系统”四大系统制约并影响着学生学习的效果 1。而从脑科学出发的课堂教学,将教师的教、学生的学以及过程性评价紧密地结合在一起，形成以学促教，以教促改，以改促评，进而利用评价促进学生深度学习及改进教师的教学行为,并在将“学一教一评”融合、贯穿于教与学的全过程中，达到开
3、发学生大脑潜力的目的。以“密度”概念教学为例,探索“脑科学+核心素养”视域下的物理概念课堂教学。1“脑科学+核心素养”视域下“密度”概念教学分析【课标分析】通过实验，理解密度。【教学目标】通过比值法建立密度的概念；通过实验探究，明白密度概念的图像表述方式、数邢台（054000050051文献标识码：A文章编号：1 0 0 3-6 1 4 8(2 0 2 3)8-0 0 31-5学表述方式和文字表述方式；能从数学和物理的角度解释密度概念的内涵，准确说出密度常用的单位,能解释密度的现象。(1)学什么：密度概念建立的分析、归纳、比值类比的思维方法；密度概念呈现的三种形式；密度是物质的一种特性；密度的
4、单位。(2)学到什么程度：课标明确指出“通过实验，理解密度概念”。其学习的程度为“描述、解释”，即能够运用比值法建立密度概念的处理方法，能举例说明密度大小的决定因素，能用密度知识解释与密度有关的问题。(3)怎么学：通过情境创设，激发学生求知的欲望；通过活动探究，利用比值法得出密度的概念；通过实验结论，解释密度是物质的特性，记住密度的单位及其常见的数据；通过活动解释相关的物理现象。收稿日期：2 0 2 3-0 6-1 0基金项目：国家社会科学基金“十三五”规划课题“开发脑教育理论研究与课程创新实验”（HBA190125)；河北省教育科学“十三五”规划课题“以积极心理学指导农村义务教育提高质量均衡
5、发展实践研究”（2 0 0 30 0 6)；邯郸市十三五规划课题“双减背景下农村初中数学课堂模式的实践研究”（2 2 YB124)。作者简介：董黎军（1 9 7 2-），男，中小学高级教师，主要从事中学物理教学工作。*通信作者：赵夫辰（1 9 6 3一），男，教授，主要从事物理教学论研究。-31 一2023年第8 期【教材分析】本节课内容是初中物理第一个（理解层次）重要的概念，也是学习力学体系承上启下的核心概念。教学中要引导学生根据实验原理、实验仪器以及实验要测定的对象，自主设计实验步骤及实验表格，并根据测量结果计算出物质的密度；通过速度概念的类比，加深比值法对物理概念学习的重要意义。【学情分
6、析】学生还不能从物理学和数学的角度去区分密度，对密度单位的组成、符号、读法、写法、kg/m与g/cm之间的关系等还会混淆。尤其是对密度概念的表述形式、密度概念的内涵与外延、密度的公式理解不深。针对以上问题，首先，通过直观的实验，引导学生在合作探究、小组讨论过程中自主建构密度概念。其次，从学生的最近发展区人手，以数学思维为工具，通过速度概念的类比，逐步抽象形成密度概念。最后，在学生运用密度公式进行解题时,要注重思维的培养与方法的引领，使其熟练运用密度概念。【学习目标】(1)通过实验，学会用比值法定义密度概念。(2)通过密度概念的建立过程，能从物理学和数学的角度去区分密度的含义。(3)能准确说出密
7、度的常用单位,能解释密度的现象。【学习重点】（1)通过实验探究，学会用比值的方法定义密度的概念。(2)应用密度的概念、公式，解决生产生活中的问题。【学习难点】在实验探究的基础上，利用“比值”定义密度概念,能准确解释密度是物质的一种特性。【评价】脑科学围绕学习目标，将教育方式、教育资源、教育规律和脑科学的规律融合统一起来。具体来说，由于学习目标设计是明确的、可操作的、可测量的和可评价的,因此，可根据学习目标设计相应的教学活动和教学评价，明确学生学什么及学到什么程度，从而保证三者的内在一致性。2孝教学设计过程2.1激疑引趣，促进深度连接【视频引课】请同学们观看视频-“泡沫铝和气凝胶”的特点及其应用
8、。新材料的研究与应用促进了科学技术巨大的进步，这些新材-32物理教学探讨料与本节课的学习内容息息相关。【评价】脑科学证实，当环境刺激输入时，神经元之间、不同神经结构之间的纤维连接会自主地生长，形成新的突触连接，并修正或者剪切已经存在的神经连接 2 。因此,在新课引人环节,播放视频材料“泡沫铝和气凝胶”的特点及其应用，指向下一步教学活动，激发学生的学习兴趣，调动学生的好奇心，吸引学生的注意力，为探究学习本节课内容奠定基础。2.2任务驱动，把握目标方向【学习目标】利用多媒体呈现本节课的学习目标。【评价】脑科学研究认为，教师应该关注学生的学习动机、课堂情绪、思想映射等，以实现教育的最大价值,优化学生
9、的学习过程 2 。因此,该环节用多媒体呈现学习目标，让学生清楚学习目标与学习方向，沿着“提出问题一探究问题一解决问题”的思路开展科学探究。2.3诱惑冲突，激发思考意识问题1：如何鉴别图1 中物体（铜、铁、铝、木）是什么材料？根据什么鉴别？问题2：老师手中还有一组材料，它们是油漆过的铜、铁、铝、木块（图2)，怎样来鉴别？王冠的秘密也是用相同的方法破解，依据的就是物质的另一种特性一一密度。D图1 材料鉴别图图2 铜、铁、铝、木块鉴别【评价】脑科学表明，教学要创设真实、丰富、复杂的学习情境，激发学生探究的动力，消除学生对失败的恐惧 2 。本环节精心设计情境问题，激活学习动机,遵循“情境一问题一探究一
10、交流一反思一迁移”的教学逻辑，沿着“激疑一设疑一探疑一质疑一解疑”的问题主线，围绕“问题一证据一解释一交流”的先决性条件开展探究活动，教师巡视指导。2.4任务导向，凸显科学探究问题3：同种物质，质量与体积的比值是否相同？问题4：不同物质，质量与体积的比值是否一神奇的相同？问题5：实验中需要测量的物理量有哪些？问题6：这些物理量用什么工具测量？Vol.41 No.8ABCVol.41 No.8【活动一】探究同种物质的质量和体积的关系(表1)。表1 铝块质量与体积关系数据收集及处理表实验铝块质量体积次数编号m(g)1A2B3C4D108(1)数据分析：将实验数据填人表格，指导学生在数据关系不易直接
11、观察到时，可以借助图像建立坐标系、描点、连线处理数据，并发现物理量间的关系。(2)分析论证：将实验数据填入表格，并在图像中正确描点（图3），通过数学归纳和观察图像得出结论一一同种物质，质量与体积的比值相同。个mlg1201008060402000结论：通过数学归纳和观察图像得出结论同种物质的质量与体积成正比或质量与体积的比值是定值。问题7:水的密度是1.0 1 0 3kg/m,它的含义是：【活动二】探究不同物质质量与体积的比值(表2、图 4)。表2 不同物质质量与体积关系数据收集及处理表实验材料质量体积次数编号m(g)1A2B1583C2374D3165E6F1787G2678H356物理教学
12、探讨个m/g400350-300质量与体积250V(cm)的比值（g/cm3）271054208130401020图3铝块m-V关系图质量与体积V(cm)的比值(g/cm)791020304089102030402023年第8 期铜块铁块2001502.71002.7502.7002.7图4 铜块和铁块的m-V关系图问题8：既然同种物质的质量与体积的比值相同，不同物质的质量与体积的比值不同，那么，“质量与体积的比值可以反映什么呢？结论：通过数学归纳和观察图像得出结论不同种物质，质量与体积的比值不同。接下来，通过类比匀速直线运动速度的定义，学习密度的概念，指出“比值定义法”。【评价】以开发脑力为
13、目标的课堂教学，更加注重学生学习的主体性、过程的动态性、方式的多样性等，突出学生进行深度学习，从而实现高效且可持续的课堂教学效果。本环节通过活动一、二，运用比值法,归纳抽象出密度概念(对应学习目标1 和2)。整个学习过程，沿着预设的活V/cm动形成密度概念建立过程，突出了概念建构的意30407.97.97.97.98.98.98.98.9V/cm1020义与策略,即为什么研究密度的概念，怎么研究，采用了什么实验的手段和什么思维方法。总体来说，该环节理清了概念表述的形式一一图像、文字、公式；阐述了密度概念的内涵，即对象的特有属性；学习内容环环相扣，学生表现行为积极向上，迁移在速度概念中使用到的比
14、值法，运用“启发式、讨论式、探究式、参与式”等多种学习方式，学生学习方法和个性特征有效凸显。2.5厘清本质，养成思维习惯(1)定义：某种物质组成的物体的质量与它的体积之比叫作这种物质的密度，即质量一反映物质的一种特性一密度体积(2）公式:0-问题9：密度与质量成正比，与体积成反比，这种说法对吗？为什么说物质的密度是物质的一种特性？(3)单位:kg/m或g/cm,其中1 g/cm=103kg/m问题1 0：冰和水的组成成分相同，但密度不30-33-402023年第8 期同，原因是什么？不同物质密度一定不同吗？【联系实际】自然界的密度之最：被称为密度大王的黑洞，密度可达5 1 0 1 9 kg/m
15、；“脉冲星”的密度高达1 0 1 8 kg/m；“中子星”的天体密度达1 0 kg/m；白矮星 的天体密度为3.0 x10kg/m；物理教学探讨体和烧杯的总质量m与液体体积V的关系如图6 所示，则空烧杯的质量和液体的密度分别为个m/g248上Vol.41 No.8饿的密度为2 2.6 x103kg/m3等。自然界密度最小：锂的密度只有0.5 34 g/cm，密度最小的气体是氢气。【活动三】利用漏斗和不同饮料汁（表3调制分层果汁饮料（图5）。表3不同饮料密度名称颜色1蓝莓菠萝汁2草莓番石榴汁3蜂蜜车厘子汁图5 分层果汁饮料效果图【评价】脑科学研究表明，探究式教学模式，不仅能显著提高学生的学习成绩
16、，还能提高右脑倾向和形象思维 3。若传输的信息与学生自身的经验有关联，更有利于学生建构意义。本环节遵循学生学习心理发生规律，设计学习密度定义、公式、单位以及解决相关问题的活动（对应学习目标3）。学习内容的丰富拓展了学生的视野，学习过程的多种刺激、多种学习方式，加深了学生对密度概念的理解，问题导向的探究活动达到了教学活动与学习目标的一致性。2.6迁移应用,培养思维能力问题1：气凝胶坚固耐用，是航天探测中不可替代的材料，在正常情况下呈现烟云状，主要成分是二氧化硅和含量为9 9.8%的空气。气凝胶的绝缘能力强，导热性和折射率很低，可以承受自身重量几千倍的压力和1 4 0 0 的高温 3。已知某大型飞机采用现在盛行的超高强度结构钢(P刚=7.8 x103kg/m）制造，耗钢1 30 吨，若采用气凝胶(p气凝胶=5 x10kg/m)代替钢材来制造一架同样大小的飞机，则需气凝胶的质量为多少？问题2：在测量液体密度的实验中，测得液-34-1580图6 液体与烧杯总质量与液体体积关系图密度(kg/m)问题3：酒精消毒液已成为居家必备用品。蓝色1.10103红色1.06x103紫色1.131032040
