基于物理學科核心素養的實驗教學實踐

摘 要：物理學科核心素養包括物理觀念、科學思維、科學探究以及科學態度與責任四個要素.這四個要素中，物理觀念代表知識的內化，是其他核心素養的基礎;科學思維的培養是物理教學的核心;科學探究是物理教學的手段，同時也是學生應掌握的方法;科學態度與責任貫徹在整個教學過程中.物理是一門以實驗為基礎的學科， 如何在實驗教學中更好地落實學科核心素養是目前值得研究的一個課題.

關鍵詞：物理學科核心素養;實驗教學

文章編號：1008-4134（2019）16-0005 ? ?中圖分類號：G633.7 ? ?文獻標識碼：B

作者簡介：熊藝（1974-），女，湖北人，本科，中學高級教師，研究方向：物理實驗、教學行動研究.

物理是一門以實驗為基礎的學科，實驗過程能夠讓學生真正理解物理知識的結構、物理概念和物理規律的形成過程，從物理學視角形成關于物質、運動與相互作用、能量等的基本認識，對概念和規律的提煉形成物理觀念;物理實驗能夠培養學生的科學思維，讓學生重視對理想模型的建構和應用，關注科學推理結論，重視科學推理過程，增強科學推理時的證據意識，在質疑、創新過程中發展思維能力;物理實驗還能幫助學生確立以“核心素養”的視角觀察科學探究目標，設計有邏輯的自主探究過程，創設科學探究的真實情境，提高學生的科學探究技能，在科學探究中提升科學素養;學生用自己所學的知識分析、解釋和解決物理實驗中的實際問題，體驗在分析解決實際問題中成功的愉悅，增強學生的社會責任感以及承擔社會責任的信心，為學生樹立社會責任感創造最基本的條件.

1 通過實驗，促成物理觀念的形成

物理觀念是對物理概念、規律的提煉與升華，所以概念、規律是觀念的基礎.教學中要注意通過實驗，促成學生透過實驗現象對概念規律進行深度理解，從而形成物理觀念.

例如：在“滬科版“教材高一上“研究共點力的合成”實驗中，實驗步驟較多，尤其是幾個記錄，記錄結點O伸長到的位置O′，記錄合力和兩個分力的大小和方向.記錄只是一個表象，為什么要記錄呢？我們可以找一組學生到前面在黑板上做實驗，讓他們記錄一對合力與分力.然后提問：為什么這個力是合力？合力的概念是什么？這個實驗的目的是“研究合力與兩個分力的關系”，合力的概念是能替代幾個力的這個力.理解這個概念要抓住“能替代”這幾個字，“等效”才能“替代”，再提問：力作用在物體上會產生什么效果呢？這個實驗利用的是力的哪種效果？如何實現力的等效呢？力作用在物體上可以使物體形變或運動狀態發生改變，在這個實驗中，力作用在橡皮筋上使橡皮筋發生形變，兩次形變一模一樣就實現了力的等效.提問：實驗操作中什么步驟保證兩次等效？要保證兩次形變一模一樣，第一次拉橡皮筋時要記下結點O伸長到的位置O′.提問：可否描述成兩次拉橡皮筋的長度相同？不行，因為力是矢量，還要保證方向相同.最后提問：那在記錄合力和分力的時候，如何記錄合力和分力的方向？在細線下方離O′較遠的地方點一個點.實驗的過程中突出了矢量的特點，這種核心思路和視角，普遍用于力、電、熱等知識中矢量問題的分析，是概念和規律的提煉.

物理觀念并不是物理概念和規律，通過實驗對概念和規律的提煉，可以把這些概念和規律組合成優化的結構，成為某一知識領域的核心內容，是觀察問題的關鍵視角，是解決問題的思維指南，物理觀念的形成不是一節課就能解決的，而是教師有這個意識，每一節課都把這個放在教學任務中，在恰當的地方設置教學環節促成學生形成物理觀念.

2 通過實驗，加快科學思維的培養

“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;是基于經驗事實建構理想模型的抽象概括過程;是分析綜合、推理論證等方法在科學領域的具體運用;是基于事實證據和科學推理對不同觀點和結論提出質疑、批判、檢驗和修正，進而提出創造性見解的能力與品格.

例如在“滬科版“高中拓展教材 “研究磁通量變化時感應電流的方向”實驗中，很多教師事先設置好表格，讓學生邊做實驗邊填表格，這樣學生只是機械操作，思維毫無收獲.教師應該只畫出前兩行，學生只需記錄穿過線圈的磁方向和檢流計指針的偏轉方向.科學思維和科學推理過程如下，先提問：俯視時感應電流的方向是順時針還是逆時針？學生會發現缺少一個重要的實驗步驟，即用電源來檢驗檢流計指針的偏轉方向與感應電流的方向關系，表格上加一行.線圈中感應電流方向是水平面上的，而線圈中的磁場方向是豎直面上的，兩個物理量一個電流一個磁場，可見，兩者的關系比較復雜，難以直接描述.當兩者的關系比較復雜難以直接描述時，是不是可以找一個“中介”來描述它們之間的關系，這個“中介”就是感應電流的磁場方向，表格上加一行.這樣就能找到感應電流的磁場方向和原磁場方向關系是相同還是相反.再提問：什么條件下相同，什么條件下相反呢？線圈中產生感應電流的條件是磁通量發生變化，因此，感應電流的方向必定跟磁通量的變化有關，表格上加一行.磁通量的變化只有兩種情況：增大和減小.因此，推理出磁通量的變化跟兩個磁場方向之間的關系，即：…… 增加，…… 相反，…… 減小，…… 相同.再進一步概括得出：線圈中感應電流的方向和磁通量變化的關系為：… 阻礙 … 變化.

實驗過程中，不僅關注由實驗現象推理的結論，更要重視推理的過程，要增強科學推理時的證據意識.上面表格的形成過程就是把“理解知識”變為“進行創造”，讓學生在課堂中完成一個具體項目的創造，更能增強創新意識和提高創造能力.

3 通過實驗，提高科學探究的技能

科學探究是學習科學知識、發展科學思維、形成科學態度的手段和途徑.科學探究是運用科學的方法，發現和總結規律的過程.科學探究是一種綜合能力，包括提出問題、問題解決、實驗能力、論證能力、交流合作.在高三復習課中，教師更應該重視科學探究的作用，創設科學探究的真實情境，在探究中提升學生的科學素養.例如“滬科版“教材高一上“用DIS研究加速度與力的關系”實驗，除了實驗的目標是確定的，其他的都可以變化情境.要“加速度與力的關系”，必須要測出小車的加速度和小車的合外力，加速度除了DIS位移傳感器，還可以用什么器材？通過什么原理？可以用一個光電門傳感器，用尺測量小車由靜止釋放到運動到傳感器處的距離，原理是v2t=2as;也可以是兩個光電門，用尺測量兩個光電門傳感器之間的距離，原理是v2t-v20=2as;還可以是兩個光電門，用秒表測量小車在兩個光電門之間運動需要的時間，原理是v=v0+at.關于力的測量，課本上用鉤碼的重力代替小車的合外力，要求細線對小車的拉力與軌道保持水平、小車與軌道的摩擦力忽略、鉤碼質量遠小于小車總質量.教師應該以“素養”的視角設計有邏輯的自主探究過程或探究情境，可以問：如果不滿足鉤碼質量遠小于小車總質量，圖線有什么變化？如果不滿足鉤碼質量遠小于小車總質量，可以用什么器材準確測得合外力？如果不滿足鉤碼質量遠小于小車總質量，圖線會彎曲，加速度越來越接近重力加速度，如果不滿足鉤碼質量遠小于小車總質量，可以用力傳感器準確測得合外力.

總之，一個實驗只有實驗目標是確定的，而實驗的原理、實驗方法及步驟都可以是靈活多變的.教師應該以“素養”的視角觀察科學探究的整個過程，只有將各種實驗思想靈活地綜合運用和創造性地發揮，才能達到理想的教學效果.教師要對課本中的實驗進行創新，引導學生從不同的角度來思考物理問題， 提高學生的科學探究技能和能力.

4 通過實驗，樹立科學態度與責任

廣義的講，“科學態度”包括學習興趣、求真精神和團隊作風等，通過物理實驗教學，一方面可以激發學生學習物理的興趣，另一方面，還能讓學生保持這種學習興趣.例如“滬科版“教材高二上“直流電動機”一課的教學中，課堂的最后是學生自己根據已有器材組裝電動機，結果20組同學只有3組成功，教師提醒學生他們組裝的電動機在下一節課要用來做“測定直流電動機的效率”的實驗，學生的積極性特別高，有的小組本來完成了組裝，還跑到實驗室想辦法優化，擔心自己的電動機在下一節課不能用或性能不夠好.“測定直流電動機的效率”的實驗步驟較少：連接電路——電動機帶動盛砝碼的小盤勻速向上運動——測小盤上升所用時間及上升高度，并記下電流、電壓表的示數——計算電動機的效率.學生用學校提供的電動機得到的效率都低于20%，當他們把自己的電動機接上去時，電動機的效率低于10%，有的還無法使用.學生們體會到將知識應用于實踐還需要解決很多實際問題.教師建議他們先用實驗室提供的電動機想辦法提高效率，他們踴躍討論，找到要減少時間、高度、電流、電壓這些測量的誤差，小盤要以較小的速度勻速上升等等，再次實驗，電動機的效率最高的可達37%.

在實驗過程中，學生既感受到了成功地分析問題和解決問題帶給他們的愉悅，又激發他們奮發學習的斗志，為使他們在未來成為有擔當、有責任感和使命感的一代新人奠定為基礎.

物理作為一門抽象的自然科學，對學生提出了較高的要求.教師在實驗教學的過程中，要充分重視并不斷探索如何將實驗與培養學生的學科核心素養有機結合，在實驗的過程中，多引導學生從“素養”的視角考慮問題，循序漸進地提升學生的素養.

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（收稿日期：2019-04-09）