芻議核心素養觀下的物理探究實驗教學

鄭渝　林立燦

摘 要：物理學是以實驗為基礎的自然科學。在物理教學中，滲透物理學科核心素養觀，通過探究實驗教學，既能培養學生的探究精神和自主探究的能力、提高學生的自主學習能力，也能豐富課堂教學方式、提高學生對物理的學習興趣。以“力的合成”一課為例，對核心素養觀下的物理探究實驗教學，提出一些看法。

關鍵詞：物理學科核心素養；探究實驗教學；力的合成

1 力的合成的實驗教學過程簡述

為了在課堂上達到良好的教學效果，首先要了解學生的學習背景：在之前的學習中，學生已經了解力是矢量，并能利用力的圖示來描述力，也掌握了利用數學幾何方法研究平行四邊形的方法，另外學生對DIS數據采集處理系統已經有一定的認識。由此，在有限的課堂時間和空間的前提下，為實現不僅體現新課標指導下的核心素養觀、也充分發揮學生的主體作用、激發學生學習的主動性和自覺性的教學目標，筆者在力的合成教學過程中對實驗教學設計如下。

1.1 創設情景，提出問題

以初中學習過的電阻為例，我們可以利用兩個3Ω的電阻串聯來等效替代一個6Ω的電阻。那么生活中，單手提水桶豎直向上的拉力F，它的作用效果與兩人雙手提水桶的拉力F1和F2，共同作用的效果一樣，都是將水桶提起并使其靜止。因此拉力F稱之為F1和F2的合力。那么互成角度的兩個分力F1和F2及其合力F的大小和方向，滿足什么關系？

1.2 啟發和引導學生建立物理模型，設計實驗方案

進行物理實驗時，常常要對生活中的問題，通過建立相應的簡單模型進行簡化，以剛才生活中提水桶為例，進行實驗模型簡化。

物理模型：兩根繩子通過結點拉下方的鉤碼，這兩個繩子拉力的合力，我們利用等效替代的思想，通過一根繩子拉同等數量的鉤碼來實現。

展示并介紹實驗裝置：力的傳感器能準確測量沿掛鉤方向的拉力或壓力的大小，并通過DIS軟件的數據采集界面，讓學生進行體驗。

引導學生設計實驗方案：通過改變固定力傳感器曲柄之間的夾角，利用力的傳感器和DIS數據采集系統來獲得互成銳角、直角和鈍角的各組分力和合力的大小，而兩個分力的方向則利用圓形刻度盤得到的繩子與豎直方向間的夾角來表示。實驗裝置安裝如圖1所示。

1.3 實驗探究互成角度的共點力的合成

演示多組互成不同角度的分力及其合力（見圖2），請學生列表記錄各組分力及其合力的大小和方向（見表1）。引導學生發現合力與分力大小之間的關系。

[學生活動]：觀察數據，很難直接得到合力與分力大小之間的規律。

[引導解惑]：物理是一門與數學密不可分的學科。許多物理規律的獲得過程背后無不有著數學知識的強有力支持。例如運動學圖象就是很好的數形結合的應用例子。合力與兩個分力之間的關系是否也能利用數形結合的方式來得到呢？

1.4 利用力的圖示，尋找力合成的運算規律

為了提高課堂教學的效率，并幫助學生迅速準確的定位作圖，筆者在預先發給學生的實驗紙上，每隔15°作一虛線，請學生分組在這些實驗紙上畫出對應的合力與分力的圖示（如圖3所示）

[學生活動]：觀察分力與合力的圖示，合力總是夾在兩分力之間，但仍很難具體得到其大小和方向之間的關系。

[引導解惑]：在解決數學幾何問題時，我們常常引入必要的輔助線。在這里，筆者指導學生將各力的矢量箭尾連接起來，圍成四邊形，再進行觀察。

[學生活動]：圍成的四邊形看起來很像平行四邊形，利用數學幾何知識進行證明。用三角板初步斷定該四邊形在誤差允許范圍內可以認為是平行四邊形。

提出力的合成遵循平行四邊形定則。這也是所有矢量運算所遵循的普遍法則。注意強調前輩科學家是通過精確的實驗，利用大量實驗數據分析，才能得到具有普遍意義的平行四邊形定則。

1.5 歸納總結，升華提高

將多組實驗圖示結果疊加顯示（如圖4所示），讓學生對力的合成有更感性的認識。

2 探究實驗教學過程中的幾點思考

2.1 探究實驗教學過程要以學生為探究主體，滲透物理核心素養的培養

《普通高中物理課程標準（2017年版）》指出：學生的核心素養，是指學生通過物理學科的學習所獲得的，在其將來的學習生活、個人發展與社會適應所必需的必備品格與關鍵能力[ 1 ]。高中物理學科核心素養分為“物理觀念”、“科學思維”、“科學探究”、“科學態度與責任”四個方面[ 1 ] 。在物理日常的探究實驗教學過程中，滲透物理物理學科核心素養的培養，必須以學生為探究主體，以教師為主導，教授學生學會自主學習，促使學生在實驗過程中形成物理觀念、培養自身的獨立思考和創新學習的能力，回歸物理學習的本質[ 2 ]。

在探究實驗教學過程中，以學生為探究主體，要求教師在教學過程中，改變固有的以灌輸為主的教學方式，不斷更新自己的教學觀念。在教學活動中，使教師從教授者轉變為引導者，使教學過程從知識傳授轉變為科學觀念和能力的培養。但以學生為探究主體，也不是一味地將課堂完全交給學生，而是要以教師為主導，它們之間并不矛盾。在這一節課的教學過程中，筆者先創設情境，由教師引出提水桶問題中的力的合成問題，然后引導學生逐步建立理想化的物理模型。接著教師給出DIS實驗裝置后，引導學生設計實驗方案，并進行實驗。在最后的實驗數據分析整理過程中，在學生感到迷茫的時候，適時給予引導，列表分析、數形結合、輔助線等數學分析方式的引入，幫助學生逐步體驗科學家進行科學研究的探究過程。筆者認為，這種教學方式，將設計實驗和最為重要的探究規律的過程交給學生，實現了以學生為主體，充分調動學生學習的自主性，培養學生的探究精神，激發學生的學習興趣，從而不斷提高學生的物理核心素養的目的。而為了提高教學效率，筆者讓學生分組畫出不同夾角的分力與合力的圖示，再匯總進行觀察，討論。分清主次，充分引導，這樣才能讓學生在有限的課堂教學時間內，最有效地完成探究實驗，觀察物理現象，總結出相應的物理規律。

將探究的主體還給學生，有利于提高學生的科學探究能力，也能大大增加學生對物理學科的學習興趣。在實驗教學過程中，在驗證力所圍成的四邊形是平行四邊形這一學生活動環節中，有的學生提出不同的驗證方案：（1）以兩個分力為鄰邊畫出標準的平行四邊形與力圍成的四邊形做對比；（2）可以量出圍成的四邊形的四條邊的邊長，研究是否滿足對邊相等。課堂上筆者一一給予了肯定，這對發揮學生學習的主動性很有幫助。在作圖過程中，留給學生充分的作圖觀察時間，并在此過程中向學生強調作力的圖示要注意標明：力的標度、刻度、方向箭頭、大小和物理量名稱，將科學探究的方法滲透到學生的探究過程中。

在探究實驗教學過程中，不能由教師代替學生思考，要留給學生足夠的思考和探究的時間和空間。同時，不能讓學生在探究的過程中，無所適從，不知從何入手，這就要求教師在設計探究實驗教學時，要充分考慮到學生可能遇到的思維難點和實驗難點，適時予以幫助和引導。

2.2 在實驗教學過程中，重視學生的體驗，實現學生科學探究能力的提高

物理實驗教學中，教師應強調科學的探究，在課堂上讓學生經歷物理規律的探究過程，從而培養學生通過建立物理模型，利用數學知識解決物理問題的科學思維及科學探究的能力，讓學生體會科學探究的樂趣。通過強調前輩科學家不懈堅持和嚴謹科學的科學態度，將 “科學態度與責任”的培養融入探究活動中，讓學生在動手操作和動腦探究的過程中，既獲得知識又獲得科學思想的升華，這是物理學科在探究實驗教學中，獨有的特點及魅力。

在進行這一探究實驗教學過程中，在設計實驗之初，筆者并未立即提出等效替代法的說法，而是在引導學生設計探究實驗方案的環節，向學生問了三個問題：“什么是等效？”、“誰和誰等效？”、“怎么做到等效？”。在學生思考這些問題的過程中，充分理解分力與合力的等效替代，并自覺地將等效替代法應用到探究實驗過程中。在物理教學中，通過滲透科學思想和科學探究理念的教學方式，可以讓學生在高中階段就體驗以現有的知識水平進行科學研究的過程，更有助于提高學生的核心素養。

2.3 探究實驗中，也要重視學生對失敗的體驗

既然是探究實驗，學生在進行實驗的過程中就有可能出現失敗，可能是在操作過程中出現了疏忽，可能是在實驗數據歸納整理過程中出現了問題。筆者認為，教師在教學過程中，不要一昧只強調正確的實驗結果，歸納出物理規律，而極力回避學生在實驗過程中可能出現的失敗，而是應該正視學生在實驗過程中的失敗，讓學生思考失敗的原因，并進行討論和改進，教師從旁及時點評，這樣能加深學生對知識的理解和應用。筆者在進行“力的合成”探究實驗教學過程中發現，部分學生畫出的分力與合力的圖示，圍成的四邊形并不近似于平行四邊形。筆者在匯總實驗結果時，并沒有避開這部分學生的實驗結果，而是將正確的實驗結果與錯誤的實驗結果一同進行投影，讓學生思考，是不是我們的結論還不準確？學生們在對比過實驗結果后，發現原來那部分錯誤的實驗結果，是由于學生沒有分清兩個分力，將兩個分力F1和F2畫反了。筆者相信，通過這樣的糾錯過程，會讓學生更加深刻理解力的矢量性。

總之，在日常物理課堂教學中，利用探究實驗教學過程，以學生為探究主體，重視學生對探究過程的體驗，將有助于學生“物理觀念”的構建，培養學生的“科學思想”，提高學生的“科學探究”能力，從而讓學生將“科學態度與責任”融入日常學習生活中，不斷提高他們自身的核心素養。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2]柯秋玲.如何在高中物理實驗中提升學生核心素養[J].數理化學習，2018（1）：49-50.