優化設計型實驗教學提升學科核心素養

黃火根

摘? ?要：進階優化設計型實驗教學，能讓學生經歷實驗設計過程，體會設計思想與方法，形成創新意識，提高學科思維能力，進而提升學科核心素養。

關鍵詞：設計型實驗;進階設計;學科核心素養

引言

設計型實驗[ 1 ]即指給定實驗目的、要求和條件，由學生自行進行的實驗設計。如果能優化此類課堂的教學過程，進行有意識的進階設計[ 2 ]，充分挖掘其中的教育功能，則能很好地培養學生的實驗思維能力，形成創新意識，進而提升學科的核心素養。

下面就以優化四種類型的設計型實驗教學為例，淺談教學的進階優化設計，旨在改進傳統教學的一些不足，以促進課堂的有效生成，提升實驗能力。

1? 經典設計型

卡文迪許扭秤實驗，是物理學十大最美實驗之一，其中蘊含豐富的物理學思想與方法，對實驗素養的形成是一次很好的契機。但傳統的教學則是直接給出此實驗裝置，教師點出其中的方法，學生則被動接受，不能達到預期的教學效果。教學實踐中，筆者進行以下的進階優化設計，起到了很好的效果。

問題1：引力常量G為什么很難測量？如何解決這一問題，提出你的設計？設計意圖：讓學生明確實驗目的與設計方向，體會并思考測量的困難在哪里，為后面體驗經典的設計埋下伏筆。

問題2：同學們共同討論與欣賞卡文迪許扭秤實驗裝置，并提出你們的疑問。設計意圖：提出問題并為后面解決問題做好準備。

同學一：為什么要四球而不是兩球？同學二：為什么要用長長的T型架？同學三：石英纖維的作用是什么？平面鏡的作用又是什么？同學四：為什么要在密室里……

小組討論：共同討論并解決大家提出的問題，提煉出實驗設計的方法與思想。設計意圖：充分發揮學生主體地位，讓學生的實驗思想與方法實現正向的遷移與應用。

小組展示，教師總結：本實驗用了二次放大法、轉化法等實驗方法。

如此設計能最大限度地讓學生經歷設計過程，體會到方法思想的形成過程，享受經典實驗之美，同時培養實驗思維，提升實驗素養。

2? 改進設計型

滑動摩擦力的測量，初中的教學是用水平彈簧稱勻速拉水平桌面上的木塊，根據二力平衡的知識，得出摩擦力大小即為彈簧稱示數。高中本環節的教學則應注重初高中的銜接，通過教學的進階設計，引導學生逐步完善書本的實驗設計。

教師：回顧并展示初中實驗裝置與方法，同學們討論實驗誤差來源及提出改進設計。設計意圖：注重學生知識的最近發展區，調動學生的主動性，進行有效思維。

學生一：很難控制勻速運動。學生二：不方便讀數。學生三：彈簧稱下垂，導致示數指針與外殼有較大的摩擦，增大了實驗誤差……

教師：針對以上誤差來源，同學們進行討論并提出改進措施及設計方案。設計意圖：發揮小組集體的智慧，激發學生的創造性思維。

小組改進一：木塊不動而讓下板移動。設計理由是下板只要運動，兩者間就會產生不變的滑動摩擦力同時也方便讀數。

小組改進二：讓彈簧豎直固定，下端通過定滑輪與木塊相連接。設計目的是解決了小組一的彈簧稱下垂導致的摩擦。

小組改進三：用轉動的皮帶代替下板，理由是下板長度有限，讀數時間很短。

小組改進四：用力的傳感器代替彈簧測力計。理由是用力傳感器測量更精確……

這樣的課堂優化充分調動了學生的思維，并在思維的碰撞中產生耀眼的創新火花，整個課堂給學生以全新的感受與體驗。

3? 探究設計型

教材中楞次定律的得出，大部分教師則是先說明實驗目的，再給出準備好的器材，介紹器材，展示已設計好的表格，根據書本實驗步驟進行實驗。如此探究則失去了教學應有的效益，學生思維被動，其中蘊含的設計思想更沒有凸顯。

環節一：教師演示條形磁鐵先以N極向下插入螺線管，再以S極向下插入螺線管.目的讓學生感受到感應電流方向會產變化。

環節二：引導學生猜想影響感應電流方向的有關因素。經討論歸納為與磁通量變化有關。

環節三：共同明確探究的目的即探究磁通量變化與感應電流方向的關系。

環節四：小組進行實驗設計，包括原理的設計、實驗器材的選擇與設計、表格的設計。

環節五：討論交流設計的方案。討論焦點（1）：感應電流方向的研究應轉換為其產生磁場方向的研究，這樣探究方向轉換為探究感應電流產生的磁場方向與磁通量變化的關系。討論焦點（2）：感應電流方向與電流表指針偏轉方向的關系應通過實驗進行判斷，所以要明確螺線管的繞向。

環節六：小組自主實驗。最后從實驗得出的表格數據中共同討論得出感應電流方向的規律。

這種進階設計讓學生經歷了猜想、設計實驗、驗證猜想、得出結論的完整探究過程，注入了自己的思考與創新，教學效果顯著。

4? 開放設計型

測重力加速度[ 3 ]的實驗設計，高三的復習課中很多此類開放型實驗設計，如能重視此類設計的教學，將對學生形成知識的系統性及提升實驗綜合能力有很大的促進作用。

教師：請同學根據已學知識，討論并設計測量教室處重力加速度大小的方案。闡述原理及簡單步驟。

設計一：紙帶法。原理：Δs=aT2。步驟：讓連著紙帶的重錘自由下落，測出相鄰兩計數點間的距離差，代入公式即可。

設計二：測重力法。原理：G=mg。步驟：用彈簧稱測出已知質量的鉤碼的重力。代入公式便可。

設計三：單擺測量法。原理：T=2π。步驟：用螺旋測微器測出擺球的直徑，半徑加上繩長即為擺長。用累積法求出單擺30次全振動時間Δt，根據T=，代入即求出g。

設計四：平拋法。原理：s=v0t，h=。步驟：用光電門測出水平拋出的速度，再測出小球下落高度與水平位移，代入公式g=即可。

設計五：滴水法。原理：h=gt2?g=。步驟：調節水龍頭閥門的大小，使得水滴與管口分離時，正好為前一滴掉落在瓷盤底部發出響聲的時刻，測量出連續N=30滴水落到盤里的總時間t總，算出T=及測出下落高度h，代入即可。

學生在整個設計過程中，綜合應用了所學的知識，發散思維，形成設計，養成了獨立思考和正確判斷的良好學習習慣，提升了學科素養。

設計型實驗重點在于設計，在于突出實驗的思想和精髓，而不是具體的實驗操作與步驟。教師應提供一個自由、民主、和諧的課堂，通過優化教學設計，讓學生各項實驗能力長時間得以訓練，形成學科的思維方法，達到預期的教學目標，進而提高學科的核心素養[ 3 ]。

參考文獻：

[1]蔣志年.物理設計型實驗的開發與實踐[J].西昌學院學報，2014（6）：2.

[2]柯曉露.基于“學習進階”的物理概念教學[J].中學理科園地，2018.（6）：6-7.

[3]劉杰.重力加速度測定方法的分析與比較[D]貴陽：貴州民族學院，2010.