核心素養下的高中物理實驗教學實踐

王鵬

摘 要：當前，新課程理念已經深入人心，核心素養既是個人發展的需要，更是社會發展的必需品，因此，在日常的教學過程中如何培養學生核心素養是一個不可回避的問題。高中物理是一門以實驗為基礎的學科，高中物理實驗是教學中的一個重要的、不可或缺的環節，而高中由于教學任務的緊張，往往造成實驗只是走馬觀花，甚至有時候還是老師講得比較多，真正讓學生做的比較少，能真正從實驗中得出結論的學生少之又少，更談不上什么實驗拓展。近幾年來，利用課外時間，經常帶學生開展一些考綱以外的實驗，其目的是增強學生對物理的興趣，同時對學生的實驗探究能力大有提高，對培養學生的科學思維有著不可替代的作用。結合開展的實驗拓展研究的案例，談談課外實驗拓展與培養學生核心素養之間是如何無縫對接的。

關鍵詞：物理；實驗拓展；核心素養

一、實驗拓展與核心素養

學生發展核心素養主要指學生應具備的，能夠適應終身發展和社會發展需要的必備品格和關鍵能力。研究學生發展核心素養是落實立德樹人根本任務的一項重要舉措，也是適應世界教育改革發展趨勢、提升我國教育國際競爭力的迫切需要

筆者平時開展的實驗拓展一般都是從學習中遇到的問題入手，以科學的方式對問題進行研究，主動地解決問題，獲取知識。這是一種主動探究的學習方式，要求在開放的學習環境中遵循客觀認知規律，在原有認知結構的基礎上，對所確立的研究性問題進行分析研究，結合科學研究方法對提出的問題抽絲剝繭，設計出合理的解決方案，并進行實驗及材料數據的收集，對資料信息進行加工、處理，最終創造性地解決問題。

認知主義的代表人物奧蘇貝爾提出了接受學習和發現學習，而后者對于學習者主動性的關注，對于學習過程中所培養的科學精神以及實踐創新能力是一般課堂上難以達到的效果。

物理核心素養強調物理觀念、科學思維、實驗探究等，而實驗正是培養學生這些與核心素養息息相關的特質，對于所研究開展的拓展性實驗，都是從學生在學習和生活中遇到的問題出發，設計方案，實踐探究，從而獲得結論的過程。筆者認為，應將拓展性的思維方式滲透于日常的教學過程中，使學生在探究中逐漸找到適合自己的學習方法，同時培養其科學精神，在處理具體的問題中具備實踐創新能力、終生學習的能力。

二、拓展實驗實踐研究

1.問題的提出

（1）問題生活化

“電源電動勢”這一節內容非常抽象，學生在學習的過程中都說理解難度很大，即使對書本所闡述的內容能理解，也總感覺意猶未盡，一知半解，導致解決問題時總是模糊不清，給學生的感覺就是電源離我們生活很近，但電動勢好像離我們很遠，只是在無條件地接受這方面的知識，卻缺乏了體驗與感受。

（2）問題情景化

后來在做學生實驗“測量干電池電動勢”的時候，有學生發現說是1.5V的干電池，但測量結果有些大于1.5V，有些小于1.5V，我跟學生說舊電池電動勢會有所減小，學生卻繼續問我為什么？

又有學生問，他在實驗中發現舊的干電池用伏特表去測量其電動勢仍然可達到1.3V左右，1.3V與1.5V相差不大，但為什么已經不能使小燈泡發光或發光很暗呢？我跟學生說舊電池的內阻會明顯增大，使路端電壓明顯變小，所以小燈泡不能發光。沒想到學生又問，那怎么解釋舊電池長時間不用，然后再接到電路中時，會使小燈泡有短暫的發光，然后又迅速暗下去呢？

（3）體現科學素養

好多學生似乎已經不滿足書本上的那點內容了，還要我給他們講講干電池的工作原理，想知道干電池是如何把化學能轉化為電能的。學生想通過了解干電池的工作原理，了解非靜電力，來解決這一系列疑惑。在一個個的問題面前，我意識到不能再做單項的知識傳輸工作，要帶著他們去探索，在實踐過程中去解決問題，培養其科學精神。

2.設計方案

面對這些問題，學生準備自己組團，自己去查閱相關資料，用實驗去回答自己的一個個困惑，學生很快組成了六人研究小組，確定了組長，接著進行前期準備工作：（1）學習必要的物理、化學知識；（2）準備必要的實驗材料及儀器設備；（3）練習必要的實驗操作技能；（4）初步設計實驗方案。

學生預計的成果：得出重要結論、撰寫實驗報告、制作視頻素材對外交流。

3.實驗設計、實踐

初次實驗，學生讓一節新的干電池保持0.2A左右的電流持續放電，每隔半個小時左右測量一次電動勢和內阻，經過10小時左右的放電，電動勢由1.52V降低到0.96V，內阻由0.96歐上升到1.81歐。

該電池放置一天再測電動勢恢復到1.32V，回升非常明顯，內阻為1.70歐，無明顯變化。

有了初步的發現之后，學生再次進行實驗設計：分五天進行，預計每天持續放電8小時左右，放電電流0.2A～0.4A，隔一段時間測一次電動勢內阻。實際上電池越舊，持續使用時電動勢降低越快，到第五天每隔10分鐘測量一次，放電電流減為0.15A左右。

在設計實驗的過程中，培養了學生的多元化思維，在實踐中創新，同時學生的動手能力得到了鍛煉。這些都是中學物理核心素養中不可或缺的因素。

學生查閱了許多相關資料，再到化學老師處了解干電池內部的化學反應情況，這樣將實驗數據情況分析結合電場電流知識、化學反應知識等，他們大膽地推理解釋了學習生活中出現的那些現象。

4.實驗結論——現象解釋

電池是將化學能轉化為電能的裝置。電池內部的物質發生化學反應，通過非靜電力做功，把正負電荷搬運到電池的兩極，分別積累正負電荷，從而在兩極極間形成電勢差。對于沒有接入電路的新電池，電源內部非靜電力與電場力處于平衡的狀態，內部的化學反應不再進行，處于暫停狀態。

電池接入電路開始放電，兩極積累的電荷量減少，此時非靜電力大于電場力，化學反應開始，若放電電流較大，就會出現極板上釋放電荷的速度比聚集電荷的速度快，這樣極板所積累的電荷量將逐漸減小，電源兩極間的最大電壓減小。我們所測得的“電動勢”實際上就是開路時的路端電壓，因此從這層意義上講，“電動勢”減小了。此時若將電池停止使用，化學反應會繼續，兩極板積累的電荷量會逐漸增大，一直到電場力與非靜電力平衡時才結束反應，這就是放置一段時間后，“電動勢”又會回升的原因。其實，只要將放電電流減小，使非靜電力做功積累電荷的速度比極板放電速度快，“電動勢”也會回升。當然我們如果一開始就以較小的電流放電，“電動勢”短時間內是不會降低的。

其實，電動勢最準確的定義是“單位正電荷在電源內部從負極移送到正極時，非靜電力所做的功”。從這個角度講，電源內部非靜電力與電場力平衡是電源兩極間的開路電壓在數值上等于電源電動勢的條件。若電源持續以較大的電流放電，內部非靜電力與電場力已經不平衡了，此時我們測得的開路電壓已經不等于真正意義上的電動勢了。要等電源放置一段時間，等兩極電荷聚集，電場力與非靜電力重新平衡時，測得的開路電壓才是電動勢。

從電動勢確切定義的角度看，干電池的電動勢與電池新舊程度有關，越舊的電池，電動勢越小，原因是干電池隨著使用時間的增長，化學物質的消耗，離子濃度降低，導致化學反應量減少和反應速度減慢，電池將化學能轉化為電能的能力降低了，即非靜電力減小了，平衡時的電場力當然也會減小，所以我們測得的舊電池電動勢要比新電池低。

舊電池長時間放置再使用能使小燈炮短時間內發亮，然后很快就暗下去了，其原因并不是內阻太大。若是內阻太大，就不會有初始的發亮現象了，根本原因是電池舊了，通過化學反應使兩極板聚集電荷的速度更慢了，比放電速度小得多了。這樣在很短的時間內，兩極積累的電荷迅速減少，兩極間的電壓迅速減小，放電電流也隨之迅速減小，最終會達到一個動態平衡的結果，放電速度與化學反應聚集電荷速度一樣，越舊的電池動態平衡放電電流越小。一節新的干電池平衡放電電流可以達到1A左右，但不能維持很長時間，若一直放電下去的話，電流越來越小。

雖然電池的電動勢和內電阻的值在變化，但對于用電時間不長，在放電電流不大的情況下，多次測量的電動勢和內電阻變化不大，可以認為其電動勢和內電阻是不變的。但在用電時間很長或者短時間較大電流放電的情況下，電動勢就不能認為不變了。其中，短時間較大電流放電引起的電動勢降低指的是兩極間的開路電壓減小，不是真正意義上的電動勢減小，而長時間小電流放電最終導致的是真正意義上的電動勢減小。

后來我們利用傳感器再次設計了兩項測試，進一步證實了我們的猜測的合理性。

三、筆者感悟

1.拓展性實驗直接指向核心素養

課外實驗拓展探究是針對學習中遇到的問題而開展的，在實踐過程中體現了“創新”，實驗探究中學會了多種處理問題的方法，培養了科學思維，在知識的獲取過程中體會到“終身學習”的重要性；在整個實踐過程中又使學習者的“科學精神”得到培養與完善。

以筆者指導的這次實驗拓展為例：

學生在整個科學探究過程中體現了從日常觀察到設計實驗研究，從“實踐”出發進行猜測推理，不斷創新，如對閉合電路歐姆定律、電動勢、非靜電力等恒定電流中的概念有了更深入的掌握，對干電池的工作原理有了較深入的了解，尤其是平時遇到的那些疑問都得到了解決。

在整個實踐過程中又使學生的科學思維得到培養與完善，是發展核心素養的有力武器。長期以來我們在物理教學中過分依賴“接受式學習”，把接受式學習置于中心地位，從而造成學習者創造力不足的弊端。課外拓展實驗在培養學生科學思維、實驗探究等方面都有其獨特的優勢，對發展學生的核心素養有著不可替代的價值。

2.學習能力得到真正培養

筆者發現課外實驗拓展并沒有因為占用了時間而使學生物理成績下降，反而使成績明顯提高了，連高考都取得了不錯的成績。原因何在？

筆者認為一方面是課外實驗拓展使學生學習物理的興趣大大提高，變被動學習為主動學習，并且使學生的學習方式方法不斷完善，多渠道獲得知識的學習能力不斷增強，這些都能反作用于學生的日常課堂學習，使學生更有效地學習，考試成績自然也就能得到很好的提升。

另一方面是實驗拓展過程中所培養的科學思維、探究精神是學生終身發展和社會發展需要的必備品格和關鍵能力。這些能力在當前的考題前體現出了強大優勢。

3.利用物理實驗獨特的魅力服務物理教學

人的思維能力是智慧的象征，單純的知識堆積無法形成智慧，而在平時的實驗中由于時間的關系往往難以發揮實驗的真正作用，從學生長遠利益、終身發展的角度來說，作為一線的老師，直接面對的是教學主題，在日常教學中需要教給學生的是什么，為什么教，是教給學生知識本身，還是那些知識背后的那點東西，值得每位老師去深思。筆者這幾年一直堅持帶學生做實驗拓展，參與的學生不僅對物理的學習有了很大的興趣，在新高考中也都能取得比較理想的成績，學生從實驗拓展探究過程中所獲得的那些能力也真正是當今社會發展中所需要的必備品格。

四、結束語

時代在發展，理念在更新，我們強烈呼吁戰斗在教學第一線的廣大物理教育工作者，將真正能發展學生核心素養的物理實驗開展好，用它服務我們的高中物理教學，使我們的教學理念、教學模式、教學效果都更上一層樓。