高中物理dis實驗與落實物理學科核心素養的融合和沖突

周洪

摘?要：高中物理課程標準（2017版）提出了培養學生的物理核心素養，需要學生內化物理學習能力，形成科學思考習慣，成為真正的學習者，終身受益。而高中物理教育貫徹始終的是實驗教育和邏輯教育，dis實驗是實驗教育的一個方向。本文中思考了dis實驗和核心素養的融合和沖突，在新的要求和新的實驗方向下，如何讓兩者統一起來？如何讓dis實驗為落實核心素養做出最大的貢獻？文章從核心素養的四個要求與dis實驗的碰撞中找到一些答案。

關鍵詞：物理核心素養;dis實驗;融合;沖突

關于中國科學發展有個著名的“李約瑟難題”，說的是擁有四大發明的文明古國為何在近代科技的發展上遠遠落后于世界。愛因斯坦曾經回答過這個問題，他認為西方科學的發展是以兩個偉大的成就為基礎，一是嚴謹的邏輯體系，二是系統的實驗，用邏輯和實驗兩種武器來解答人們對于“為什么”的思考，而中國兩者都欠缺，真是一針見血，但是中國的物理教育觀念正在發生改變，一是提倡培養學生的核心素養，用物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任四個方面來育人，讓學生不僅要學會知識，還要發展能力。二是關于實驗這個非常重要的科學武器正在大力改進，dis實驗就是一件新武器。下面就講講dis實驗與落實物理學科核心素養之間的關系。

一、 認識核心素養和dis實驗

1. 什么是物理核心素養？物理核心素養是學生在接受物理教育時逐步形成的正確價值觀念、必備品質和關鍵能力。是學生在學習中內化了的帶有物理學科特點的品質。通俗點講，就是如果物理知識都忘了，學生還剩下的東西。也就是學過物理的學生與沒學過的學生相比多了些什么。

2. 什么是dis實驗？（digital information system）用20世紀前沿科技作為技術理論支撐，具有較高科技含量的設備。主要元件有：傳感器、數據采集器、計算機和應用軟件。

A、傳感器。常用的有力、位移、溫度、光、壓強、電壓、電流等的物理傳感器。

B、數據采集器。與電腦連接，輸入傳感器數據。

C、應用軟件。能處理信息，采用多種函數得到結論。如圖1。

Dis實驗設備能快速、準確、動態的采集實驗信息，由應用軟件分析處理，并在電腦上實現各種方式的顯示。

二、 核心素養和dis實驗的融合

（一） dis實驗能幫助學生準確的形成物理觀念

物理觀念是學生對于這個世界物理學視角的認知。給結論，僅僅是知識的重現，學生學到的只是“是什么？”，而不是“怎么來的？”，也不會知道“怎么去的？”“能去到哪里？”。核心素養的要求告訴我們，要進行知識的重演，把知識真正轉化為解決問題的能力和智慧。知識的重演過程不僅需要邏輯的推導，還需要實驗的探究或者驗證。比如平拋運動的豎直方向上的分運動是自由落體運動這個觀念，采用“運動的分解”這個物理思維可以得到結論，接下來是眼見為實，但是由于實驗裝置的限制，以前往往只能進行定性的研究，比如去比較平拋運動和自由落體運動的同時性，如果學生有疑問，是不是只是時間上的相同呢？位移？速度？加速度？又如何？dis實驗就能幫助我們進行定量的驗證。如圖2。

圖中的位移傳感器能幫助得到平拋運動的二維軌跡，并能用函數計算出豎直方向的速度、加速度，做到真正的定量研究，有了dis實驗的幫助，學生對于位移、速度、加速度在一維、二維甚至三維情況下的定量求解和驗證會有更多的手段和信心，原來是這樣的運動啊！那么其他的運動是不是也能去想辦法探究？觀念更準確了，能去的地方更多了。更重要的是，體會到了科學是怎樣研究的：科學觀念的形成不僅需要推理，更加需要證據，這就是核心素養的第二部分，科學思維。

（二） dis實驗為科學思維的形成做出的貢獻

核心素養告訴我們，從物理學視角去認識世界，既是基于經驗構建物理模型的抽象概括過程，也是基于證據對世界提出質疑和批判、檢驗和修正的過程。物理教育過程中，其實還是有很多“證據不足”的認識過程的，又苦于實驗手段的落后，無法進行準確的、形象的認知。而有了dis實驗，大大擴展了我們認識世界的方法。比如研究通電螺線管的磁感應強度，教師只能說螺線管內部是勻強磁場，外部則離螺線管越遠磁場越弱，但是，學生可能會問：證據呢？或者根本不會問，因為老式的實驗手段告訴我們，問也是白問。現在通過dis，如圖3。

通過磁傳感器的探針探測過程，把通電螺線管的內部磁場分布形象地展示出來，把證據擺在面前，更把科學的思維內化，我們需要證據。學生在用科學思維研究過程中，誰形成磁場？磁場是種什么樣的東西？從哪種最簡單的磁現象開始研究？用什么手段或者儀器進行研究？dis實驗用證據顯示出它的威力。學生更有信心再問：那么怎么定義磁場的強弱？有沒有方法進行探究？磁傳感器是什么原理？還在哪些方面有所應用？這就關系到核心素養的另外兩個方面：科學探究、科學態度和責任。

（三） dis實驗為學生的科學探究提高了興趣，降低了難度

核心素養是要培養學生科學探究的能力，能基于現象提出物理問題，形成猜想和假設，還能設計實驗和制訂方案，并能對過程和結果進行交流和反思。在dis實驗背景下，可以用更多的手段和儀器來進行對比判斷，學生發現以前解決不了的問題現在能解決，興趣提高了，思維活躍了，設計實驗的信心也漲了，也更能激發學生進行交流、討論，采取最優的實驗方案。比如在探究牛頓第三定律的實驗中，可以拋出問題：力的作用是相互的，作用力和反作用力具有什么特點？讓學生自己去設計方案。鼓勵他們多想角度，多想辦法。

猜想：作用力和反作用力大小相等，方向相反。方法：一般會從兩只彈簧秤對拉開始，觀察讀數。同學一：兩只彈簧秤讀數不一樣啊？（大膽質疑，實事求是。）同學二：調零的問題？（互相交流，互相啟發。）同學三：只有水平拉？（一個新天地出現了。）同學四：看來豎直和傾斜都得做做。同學五：只有靜止拉？（思路更廣了。）同學六：動起來看不清楚讀數啊。dis實驗出場了，如圖4。

使用力傳感器，讀數的準確性和運動的多樣性判斷都得到了保證，在靜止和運動，直線和曲線，勻速和變速情況下都可以去研究實驗的問題，驗證猜想。但是有一個問題：如果一開始只有力傳感器，沒有彈簧秤，還有剛才的思考過程嗎？或者還應該問：如果直接用傳感器，是否就不能產生新的問題了？是不是就不能培養學生的核心素養了？這就涉及了核心素養的第四個方面：科學態度與責任。

（四） dis實驗為科學態度和責任的培養提供了另一個方向

核心素養中的科學態度和責任是指在認識科學、技術、社會、環境關系的基礎上，逐漸形成的探索自然的內在動力，嚴謹認真，實事求是和持之以恒的科學態度以及可持續發展的責任感，比如在上面的實驗中，力傳感器的使用可能會使彈簧的問題被淹沒了，但是力的傳感器的問題會出現：怎么工作的？在生產生活中會有什么應用？新的問題是不是會更接科技前沿的地氣？比如以上問題，解答如下。

（1）力的傳感器的工作原理：（圖5上）先通過內部的懸臂梁，將力學量轉換成金屬的應變，然后由傳感元件將這種應變轉換成電量，完成“力—電”的轉換。

圖5

（2）應變片：在受力時，應變片的上下表面會產生微小的形變。形變量會轉變為電阻的變化。（圖5下）

（3）應變片的應用：①很多稱質量或者重量的儀器，比如廚房秤、珠寶秤、汽車秤;②在大型橋梁或者建筑上，需要用應變片來檢查其工作狀態下的變形情況，防止事故的發生，等等。

就是在一個個關于傳感器的可能出現的思考中，會體現出學生的科學態度和責任，讓學生更有興趣也更有能力去探索世界，對科技的發展也更有體會。

綜上所述，dis實驗為學生的物理學科核心素養的發展和培養提供的是嚴謹的物理觀念、創新的科學思維、新穎的實驗探究以及對新技術新前沿的思考，以前的物理實驗是老牛拉車，可能厚實但是沉重，dis實驗則是大功率的開路先鋒，可以讓教育走得更快。當然事物都有其兩面性，dis實驗對于核心素養的培養也有其不足之處。

三、 核心素養與dis實驗的沖突

物理學科的核心素養在四個方面提出了從低到高五個水平的要求，dis實驗在某些要求上存在著一些偏差。當然傳統型實驗也有偏差，換個角度說，dis實驗的出現為完善傳統實驗本來就存在的問題提供了另一條路，互相補充總比孤掌難鳴要好，所以dis實驗的出現一定是有其積極意義的。現把有些沖突羅列如下，期望有更多更好的路出現，面對它才能糾正它，本身就是核心素養的要求。

（一） 物理觀念要求學生具有將物理學與實際相關系的意識，能用所學的物理學知識有效的指導工作和生活實踐

如何“有效”指導實際？比如利用實際環境，如想估測一座山的高度。通過觀察，發現山的影子可供利用，手邊能用的工具可能就是一根樹枝，用自己的影子是多少樹枝長度，山的影子是多少樹枝長度，再利用比例估測山高，你手邊有位移傳感器的機會就低了，科技越新，與真實自然界的工具就越遠，dis實驗做不到“有效”，可能只有“高效”，對實際的指導意義就弱了點。

（二） 科學思維要求能對已有的結論提出有依據的質疑，并能創新

在電學中，有個實驗叫描述小燈泡的伏安特性曲線。如果用普通的電表測量電壓和電流，由于學生學過電表的結構，那么腦中有“電表內阻”這個依據，就會質疑測量值與真實值的誤差，對于內接外接減少誤差的創新方法就能理解。那么在傳感器做實驗上面，會不會有質疑，應該也會有，但是現有的知識不夠形成“依據”，那么在使用dis實驗時創新就有難度了。其實隨著知識面的擴展，這個局限性應該是暫時的，甚至可能是未來實驗的發展方向。

（三） 科學探究要求能靈活的選用合適的器材獲得數據，并能用多種方法分析數據，發現規律，形成結論

其一，靈活的選用，一方面要求各個儀器都會用，還具有使用儀器的基本能力，如測量能力、讀數能力，甚至是修理儀器的能力，如多用電表，使用它得有很綜合的素質，才能“靈活”的選用，dis實驗儀器的使用是方便了，但是對能力的培養就弱了點。另一方面是得“選”，仍然拿多用電表來說，選什么檔位，選什么量程，都要經過考慮，dis實驗儀器的選擇性也有，但更多的是選范圍，更偏重于拿來就能“用”，而不是“選”。

其二，是多種方法分析數據，比如測電源的電動勢和內阻，可以兩組數據算方程，也可以多組數據取平均值，更可以畫圖表。傳統的實驗在數據處理上所花的時間大概有50%，Dis實驗儀器的數據處理時間大概只有5%，傳統鍛煉強度更大。但是dis實驗圖像多，對于學生的用圖讀圖能力鍛煉是比傳統實驗要多的，所以只是側重點不一樣。

（四） 科學態度和責任要求學生有較強的學習能力

傳統的物理實驗由于在數據處理和調試儀器方面有大量的練習，有利于培養學生的操作能力和克服困難的堅強的意志品質，從中學習的能力一是在心，堅持不懈的韌性;二是在手，有較強的動手能力。Dis實驗不是不鍛煉學習能力，只是側重點又不太一樣，一是在腦，在計算機上操作，軟件能力增強。而很多dis實驗器材比傳統實驗容易上手，就可以集中精力思考怎樣用好這些儀器優化實驗過程，鍛煉自主探究能力。二是在腳，dis的實驗操作方便，測量簡單，傳統實驗完不成的實驗目的它能達到，就能走得更遠，爬得更高。

四、 結語

楊振寧先生說過：絕大部分物理學是從現象中來的，現象是物理學的根源。正是因為在研究現象的過程中，我們在邏輯中進行實驗，在實驗中思考邏輯，路才能越走越遠。趙凱華先生說過：一個人學了物理之后干什么都可以，他的物理就沒有白學。物理學科的核心素養要求堅忍不拔，勤于動手，積極動腦，所以我們才能把物理學好，同時把人做好，成為一個優秀的學習者。dis實驗為學習提供了更強大的底氣，同時讓科技的翅膀飛入到課堂，讓孩子接觸科技，喜愛科技的力量，自身也成為這個力量的一份子，而對于物理核心素養培養的重視讓千千萬萬的中國孩子都能成為物理思維、物理方法的受益者，讓科學飛得更高，中國孩子變得更強，這就是物理教育的成功！

參考文獻：

[1]普通高中物理課程標準，2017.

[2]辛亞.重視知識發生過程?培養學生核心素養[J].物理教學探討，2018（12）：10.

[3]王麗姜.借助物理課堂培養學生的物理核心素養初探——以“洛倫茲力及應用”為例[J].物理教學探討，2019（2）：10.