提升學生科學素養的物理實驗教學

張濱　阮偉文

摘 要：物理學科是一門以實驗為基礎的學科，培養學生實驗素養和實驗設計創新能力是中學物理教學的主要目標之一。改進和創新高中物理實驗教學，使物理課堂有趣味、有思想、有創新是高中物理教師的主要工作之一，通過設計出有效的實驗教學方案可以幫助高中學生物理核心素養的形成和提高。

關鍵詞：高中物理；實驗教學；科學思維

物理學是一門以實驗為基礎的自然科學，物理學的教學需要培養學生具備實驗探究素養這一核心素養.該核心素養包含：學生經歷真實的實驗探究過程，能使用常見的物理實驗儀器，獨立完成物理實驗的能力；能運用所學知識設計相關實驗；能主動將自己的想法與同伴交流，堅持正確的觀點，積極修正錯誤想法，擁有團隊精神；積極關注國內外科技發展，有創新思想，能結合數字實驗，物聯網實驗進行創新設計；具有創造性思維和嚴謹科學態度等[1]。

提升高中生的物理學科核心素養，就是要讓學生通過物理學習，掌握研究物理最主要的方法和思維，并形成帶有物理學科特點的品質和關鍵的能力，中學物理實驗教學可以培養學生對周圍事物的觀察力、實驗儀器的操作能力和實驗數據的分析處理能力等。基于學生物理核心素養的培養，筆者從以下幾個方面對高中物理實驗課程進行拓展，提升學生的實驗研究能力。

1 設計趣味實驗， 體驗科學思維

興趣是最好的老師。實驗趣味性不僅僅只是為了吸引學生的眼球，更重要的是要能引發學生的深刻思考和激發學生的求知欲望，喚起學生的創新意識。只有在學生對實驗充滿熱情和探求欲時，實驗教學才能達到理想的效果，才能通過實驗達成對學生物理核心素養培養。所以教師在教學中要能根據教學內容和要求，根據學生已有的知識和體驗，巧妙設計出有親切感的有趣實驗。設計出的趣味性實驗不能僅停留有新奇感，更應該要能與教學內容相結合，能夠讓學生體驗科學思維素養，激發學生的探究激情。在上《牛頓第三定律》這節課時，可以用圖1所示的趣味實驗，讓學生動手體驗氣球直升機，并觀察氣球直升機的構造，分析其飛行原理，尋找該氣球直升機中有幾處用到作用力和反作用力的關系。這樣不僅提高學生學習物理興趣，而且能更好掌握作用力和反作用力的關系。有趣的物理現象有助于學生通過具體現象建立初步物理概念，促進他們盡快的建立起準確的概念和認識規律，完成從感性認識到理性認識的飛躍。通過對物理現象剖析和本質的探求，向學生展示其中所含科學思想和科學方法，提高學生對物理本質及研究方法的認識，培養了學生研究物理問題的能力，提高了他們的科學素養。

2 巧用物理實驗構建中學物理觀念

物理觀念是從物理學視角出發對物質、運動與相互作用、能量等客觀物理現象和過程形成的基本認識，是物理概念和規律等在頭腦中的提煉和升華，包括物質觀念、運動觀念、相互作用觀念、能量觀念及其應用等要素[2]。新的課程標準要求教師要有新的教學理念，轉變原有教學觀念，教師的角色應定位在學生知識體系構建的促進者和引導者，教師的教學核心應該是通過巧妙的教學設計，能夠最大限度地發揮學生學習的主觀能動性。所以在中學物理教學中，教師對實驗設計的立足點應該是讓學生通過實驗探究能構建起物理的核心概念，幫助學生將抽象的物理概念變成具體形象實驗或模型。《滑動摩擦力》這節課，在構建對滑動摩擦力概念的完整認識時，學生最難理解的就是滑動摩擦力的方向。在探究滑動摩擦力方向和物體的相對運動方向相反時，我們設計了這樣分組實驗。讓每個學生拿著一把毛刷，讓它在毛巾墊上運動。由于跟毛巾接觸的刷毛末端受到的滑動摩擦力，刷毛發生彎曲。因此可以根據刷毛的彎曲方向，來探究判斷滑動摩擦力的方向。我們可以設計一個表格（見表1）：

可以看到，刷子相對于毛巾墊向左運動受到的滑動摩擦力向右，相對于毛巾墊向右運動，受到的滑動摩擦力向左，因而探究出滑動摩擦力方向和物體的相對運動方向相反。

物理概念和物理規律是建立物理學大廈的基石。中學物理教師應該清醒地認識這一點，要善于利用物理實驗夯實核心概念，掌握物理的分析方法，提高學生的思辨能力，讓學生在對物理核心概念進行理解和升華中，體驗物理學特有的研究思想，培養和發展學生物理學科的核心素養。在物理教與學的過程中，物理概念的學習相對比較枯燥乏味，而適當的實驗可以讓學生在探究中找到樂趣，更好的理解物理概念。教師如果能夠利用能引發學生思考的物理實驗，采取有效的措施強化學生對物理基礎概念的學習，就能糾正學生在物理學習中的偏差，促使學生深入理解物理基礎概念。

3 利用探究性物理實驗，提高學生的科學思維

新課程物理學科提出的培養學生科學素養包含有“科學思維”，其具體內容包含有“模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新”[3]。在探究性物理實驗中，我們能讓學生比較全面的經歷和體會這些過程。探究性實驗本身就要針對觀察到的現象提出問題，形成猜想和假設，通過建立模型和設計并操作實驗，獲得數據并結合適當的理論分析得出基于證據的結論。在這一過程中學生也要經歷交流、反思的過程，來進一步提高實驗和理論水平。這對培養學生的科學素養有極大的作用。

在上《向心力》這節課時，探究向心力的大小跟哪些因素有關時，可以設計了三個實驗：

實驗1： 在一根細繩的一端拴一個橡皮塞或其他小物體，掄動細繩，使小物體做圓周運動（如圖2）。引導學生的猜想：向心力跟物體質量m、半徑r、角速度ω有關。

實驗2：進一步引導學生猜想向心力與m、r、ω的定性關系。學生根據感受可能猜想向心力與質量m成正比，與半徑r成正比，與角速度ω成正比。

（1）介紹圖3向心力演示器實驗構造

（2）實驗方法：控制變量法

（3）實驗過程

①質量不同的鋼球和鋁球，控制它們運動的半徑r和角速度ω相同，比較向心力的大小

②兩個質量相同的小球，保持運動半徑相同，探究出向心力與角速度之間的關系

③兩個質量相同的小球，保持小球運動的角速度相同，選擇不同的半徑r，比較向心力的大小。

綜合上述實驗結果可知：物體做勻速圓周運動需要的向心力與物體的質量成正比，與半徑成正比，與角速度的二次方成正比[4]。

實驗3： 借助DIS數字化傳感器向心力演示器進行實驗，將光電門傳感器和力傳感器分別接入數據采集器，按實驗裝置圖4把兩個傳感器固定在向心力實驗器上，在電腦上記錄F與ω數據如圖5，借助電腦軟件描繪F 與ω2關系的圖像，選取X軸為“ω2”，Y軸為“F ”，發現是線性關系如圖6，通過實驗的圖像逐一探索改變向心力的因素，從而驗證向心力公式，更有力地說明實驗的科學性和重要性。

利用DIS實驗進行的探究性實驗教學，是目前及未來一定時間內發展的趨勢。它有利于學生提高探究的效率，解決一些傳統方法無法解決的問題，并將學生的注意力集中在知識的建構上，有利于學生鞏固和利用所學的物理知識解決新問題，有利于學生進行探究和創新.

當前還有一些物理教師在教學還是采用傳統的灌輸式的教學方法，只是將實驗設計、原理和方法直接灌輸給學生，而不是采用啟發式、引導式和探究式等教學方法.不少學校購買了數字化實驗設備，但利用這些設備進行實驗的不多.要善于利用數字物理實驗室，提高學生的興趣和體驗精確的實驗和數據處理對物理的重要性，在條件允許時更應該讓學生接觸探究型的實驗設計。要讓學生的不斷的接觸實際操作機會，只有讓經歷過實際的實驗操作，學生的實驗能力才能得到真實的提高，學生的學科核心素養才能得到提高。隨著新課程改革更多的實驗物理的成果不斷推出，學生的學習方式也會不斷改善。新一輪課程改革是圍繞著提高學生的學科核心素養展開的，我們應該轉變觀念，適應新課程的需要，發揮物理的實驗教學在培養學生創新思維不可替代的作用，讓物理實驗 可有趣、有用，促進學生的全面發展。只要我們深入研究，不斷探索物理實驗教學方法，做到因內容制宜、因學生制宜，就能為提高學生的科學素養做出貢獻。

參考文獻：

[1]張平昭.基于物理核心素養拓展物理實驗課程[J].物理教師，2016（11）：35-37.

[2]陳小平.創新實驗設計，培養高中生的物理核心素養[J].課程教學研究，2016（10）：69-73.

[3]中華人民共和國教育部.高中物理課程標準[M].北京：人民教育出版社，2017.

[4]司南中學物理教材編寫組.普通高中課程標準實驗教科書物理（必修2）[M].濟南：山東科學技術出版社，2005.