基于核心素養的高中物理實驗教學

北京市育英中學 張 宇

《普通高中物理課程標準（2017年版）》指出：物理學基于觀察與實驗，建構物理模型，應用數學等工具，通過科學推理和論證，形成系統的研究方法和理論體系。從體現和落實培養學科核心素養這一物理課程基本理念和課程目標來看，對物理實驗的教育教學功能進行重新審視是非常必要的，從提升學生物理核心素養的角度重新認識物理實驗的教學價值是擺在每一位物理教師面前的問題。

物理學科核心素養主要包括物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任四個方面。物理教學如果僅以知識為線索展開，容易導致教學設計聚焦于知識，僅僅專注于學生獲得知識，而忽視物理課程對物理學科核心素養的全面培養。為此，必須把物理學科核心素養作為物理教學的重要目標，將物理學科核心素養的培養落實于教學活動中。從實驗教學的發展趨勢來看，實驗的功能已經不僅僅是為了引出概念、驗證規律以及提高學生的動手能力。通過實驗教學，更重要的是讓學生體驗科學探究過程，學習科學研究方法，培養科學精神，增強創新意識和實踐能力。

一、物理實驗教學與物理觀念

物理觀念是從物理學視角形成的關于物質、運動與相互作用、能量等問題的基本認識；是物理概念和規律等在頭腦中的提煉和升華；是從物理學視角解釋自然現象和解決實際問題的基礎。通過實驗創設情境，有助于學生形成基本的物理觀念，并用這些觀念解釋自然現象、解決實際問題。

例如，學習彈性碰撞，我們可以通過以下實驗有目的地幫助學生建立“運動與相互作用”“能量”等基本物理觀念。

如圖1所示，有2個完全相同的小鋼球A和B，鋼球A從高度為h處由靜止釋放，在有限的幾次碰撞中，A、B兩球上升的最大高度幾乎不變，實驗效果非常明顯。這就為學生形成機械能守恒、動量守恒的觀點提供了非常直觀的感性材料，把抽象的物理觀念具體化了。

圖1

之后再讓它們繼續進行多次碰撞，A、B兩球上升的最大高度明顯減小，讓學生思考其原因。學生思考或討論后得出：小球運動過程中受空氣阻力會把部分機械能轉化成內能，碰撞過程中也會有一部分機械能轉化為內能。這樣學生對能量的認識就更深刻了。

物質可以分為實物和場，場看不見、摸不著，對學生來說非常抽象。磁現象的實驗現象明顯，形象直觀，對學生形成場的概念有非常重要的作用。我們可以用下列實驗幫助學生建立磁場的概念。

通過圖2所示的實驗，讓學生認識到磁體周圍存在磁場，而且空間不同位置的磁場方向不同。通過圖3所示的實驗（奧斯特實驗），讓學生認識到電流周圍也存在磁場。學生可以歸納出磁體和電流都可以產生磁場。

在此基礎上，可以引導學生從哲學的高度去認識物質，我們周圍所有的客觀存在都是物質，包括像空氣、水這些實物，也包括像電場和磁場等“場”類物質。

圖2

圖3

對于相互作用觀念，學生對相互接觸的物體間的彈力和摩擦力有充分的感性認識，但是對沒有直接接觸的物體間的相互作用感性認識比較少。通過磁場的學習還有助于相互作用觀念的形成與發展。

首先，讓學生再次體驗磁極間的相互作用，如圖4所示，然后用磁場概念來解釋磁體間的作用力。對圖3所示的實驗進一步分析：電流對磁體有力的作用，那么磁體對電流是否也有力的作用呢？可以用圖5所示的實驗來驗證我們的猜想。進一步推理：電流是電荷定向移動形成的，磁體對電流有力的作用，那么磁體是否對運動電荷也有力的作用呢？為此可用圖6所示的實驗進行驗證。綜上所述，磁場對置于其中的磁體、通電導線和運動電荷都可以產生力的作用。

圖4

圖5

圖6

由上述實驗進一步分析可知，通過磁場發生的作用力可能有以下9種：磁體對磁體、磁體對電流、磁體對運動電荷、電流對磁體、電流對電流、電流對運動電荷、運動電荷對磁體、運動電荷對電流、運動電荷對運動電荷。我們可以用圖7所示的裝置來研究平行通電直導線之間的相互作用，用圖8所示的實驗裝置來研究電流產生的磁場對運動電荷的作用，等等。

圖7

圖8

二、物理實驗教學與科學思維

科學思維是從物理學視角對客觀事物的本質屬性、內在規律及相互關系的認識方式，主要包括模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新等要素。

物理實驗教學不僅僅是給學生提供豐富的物理事實材料，使學生更好地理解物理概念和規律，它更大的作用是通過物理實驗教學激活學生的思維，培養他們的創造能力。學生的思維品質的飛躍往往體現在實驗教學中，利用物理實驗有助于學生加深對知識的理解，有利于提高學生探索問題和解決問題的能力，從而發展學生的思維。

培養思維能力總是從問題產生開始的。因此，在物理演示實驗教學中應充分發揮實驗的設疑作用，激發學生強烈的求知欲，調動學生動手、動腦的積極性，使學生始終處于積極有效的思維狀態。例如在學生學習了靜電的基礎知識后，可以進行如下實驗：把金屬“易拉罐”平臥放在絕緣的水平面上，用毛皮摩擦過的橡膠棒靠近“易拉罐”，請學生觀察并描述實驗現象，然后用所學知識解釋現象。學生發現起初“易拉罐”朝橡膠棒滾動，與橡膠棒接觸后，“易拉罐”又朝遠離橡膠棒的方向滾動。學生分析并解釋實驗現象時，需要經歷如下思維過程：1.“易拉罐”運動狀態發生變化，一定受到力的作用，這個力應該是帶負電的橡膠棒施加的；2.“易拉罐”先是被吸引，然后被排斥，說明“易拉罐”經歷了兩個不同的起電過程；3.起初靠近時金屬“易拉罐”發生了靜電感應現象，靠近橡膠棒的部分帶正電從而相互吸引，距橡膠棒較遠部分帶等量負電被排斥，吸引力大于排斥力，所以“易拉罐”朝橡膠棒滾動；4.“易拉罐”接觸帶負電的橡膠棒后發生電子轉移，“易拉罐”也帶上了負電被排斥，所以又朝遠離橡膠棒的方向滾動。

所以觀察物理現象不是簡單地用眼睛“看”，它是與“想”結合在一起的。會觀察，更要會思考，通過觀察、思考，才能全面、正確地認識事物。所以教師要充分發揮實驗教學的功能，通過實驗創設物理情境，提出問題，調動學生積極思考，才能提高學生的思維能力。

三、物理實驗教學與科學探究

“科學探究”主要包括問題、證據、解釋、交流等要素。科學探究始于提出科學問題。應充分發掘實驗在培養學生發現和提出問題能力方面的潛在價值。教師可在物理實驗中創設情境，讓學生在觀察和體驗后有所發現、有所聯想，萌發出科學問題。還可以在實驗中創設一些任務，讓學生在完成任務中運用科學思維，自己提煉出應探究的科學問題。

通過探究性實驗來研究學生自己提出的、亟待解決的問題，這會極大地激發他們的好奇心，有助于培養科學探究能力。例如學習滑動摩擦力時，很多學生認為相對運動越快，滑動摩擦力越大。教師應該順勢引導：你們的想法看似很有道理，但這個結論正確與否，必須經過實驗檢驗，請大家設計實驗檢驗你們的想法。學生設計實驗時，需要解決兩個問題，一是如何測定滑動摩擦力，二是控制變量，保持其他條件不變，只改變相對滑動速度的大小。如圖9所示，由于上面的物塊相對地面靜止，彈簧測力計的示數等于滑動摩擦力的大小，加掛鉤碼，使下面的小車做加速運動，發現彈簧測力計的示數保持不變。改變鉤碼數量，重復實驗，都能得到“滑動摩擦力的大小與相對運動速度大小無關”這一結論。在科學發展史上，常常用到這樣的研究方法：在已有的物理理論的基礎上，經過邏輯推理做出假說或預言，通過實驗來證實或證偽。例如在學生學習了磁場對通電導線的作用后，可以引導學生進行如下推理：通電導線受到磁場施加的安培力是由于導線中有電流→電流是電荷定向移動形成的→磁場對運動電荷應該有力的作用。然后通過圖9或圖10所示的實驗來驗證。

圖9

圖10

四、物理實驗教學與科學態度

科學態度是指在認識科學本質，認識科學、技術、社會、環境關系的基礎上，逐漸形成的探究動力，主要包括科學本質、科學態度、社會責任等要素。

（一）通過物理實驗教學，使學生正確認識科學本質

對科學本質的認識，是指對于科學知識、科學研究過程、科學方法、科學精神、科學的歷史、科學的價值等方面的認識。在教學中，實驗可以在一定程度上模仿科學研究過程，讓學生主動地探求物理規律，學習研究方法。物理實驗的設計應關注科學家在科學探索過程中所凝練、升華的科學思維方式和科學研究方法，讓學生學習科學家的科學思維、研究方法及科學態度等。

（二）通過物理實驗教學，培養學生嚴謹的科學態度

實驗教學還能培養學生實事求是的科學態度、嚴謹細致的工作作風和堅韌不拔的意志品質，所以在實驗教學中，教師一定要加強非智力因素的培養。要求學生明確實驗原理，規范實驗操作過程，如實記錄實驗現象和數據，認真處理和分析實驗數據。教師要教育學生對自己的實驗結果有信心，實事求是，不要盲目相信別人的結果，更不能隨便更改實驗數據或抄襲別人的結果。實驗誤差過大時，要引導學生冷靜地分析原因，鼓勵同學之間、師生之間討論實驗過程中發現的問題。從學生第一次進實驗室就開始嚴格要求，逐步培養學生嚴謹的科學態度。

（三）通過物理實驗教學，提高學生的社會責任感

通過物理實驗，可以培養學生主動與他人合作，尊重他人，基于證據和邏輯發表自己的見解，實事求是，不迷信權威。教師要引導學生養成先做好實驗預習（或設計）、而后動手實驗的良好習慣。愛護實驗儀器，實驗儀器的使用要嚴格遵守操作規范要求，了解實驗儀器的作用、性能，并學習正確的使用方法是愛護實驗儀器的基礎。亂動儀器和不敢用實驗儀器都是學生需要克服的毛病，對不熟悉的器材要認真閱讀使用說明書，不能盲目操作。養成實驗前檢查儀器零件是否丟失或儀器是否損壞的習慣，發現問題要及時報告；實驗完畢要整理好實驗器材，方便下節課使用。珍惜獲得的實驗數據，如打點計時器打出的原始紙帶應粘貼在實驗報告上，不要隨手丟棄。教師應盡可能地為學生交流創造機會，發展學生的表達能力，體驗和享受合作的成果。教師應培養學生嚴肅認真對待實驗的態度，尊重實驗結果與事實，在實驗中如實記錄、客觀對待所獲取的實驗數據，杜絕編造和修改實驗數據，遵循基本的科學倫理和道德規范。

總之，物理實驗是高中物理教學的重要內容，物理實驗教學是培養學生物理核心素養的重要途徑和方式。