基于核心素養的初中物理實驗教學新視角

周吉平

摘 要：物理核心素養教學的落實，實際教學中與理論闡述者的見解略有區別，本文從理想實驗、實驗創新、誤差分析等能力的培養方面闡述學生物理核心素養的教育途徑.

關鍵詞：物理學史;壓力概念;誤差分析

1 理想實驗中科學態度素養的培育

科學態度與責任是物理學科重要的核心素養，其包括科學本質、科學態度、科學倫理.從課堂教學融合物理學史角度出發，以《牛頓第一定律》教學為案例進行研究，梳理了初中、高中、大學有關該定律教學內容，初步探討了物理學史與學科教學的整合路徑，探索科學態度素養培育的落腳點.

表中所述初中版內容淺顯、形象，符合學生認知特點，而物理學史中明確指出：伽俐略的實驗初衷是為了論證亞里士多德“落體定律”的錯誤，但初中教材中卻被認為定律形成的關鍵性實驗.因此我在教學過程中補充科學史實，讓學生結合當時的科學背景，客觀地認識到亞里士多德等物理學家的貢獻，從而培養他們敬畏科學、尊重真理的科學態度.高中人教版沿襲初中版模式，遵循伽俐略發現、笛卡爾完善、牛頓總結的編寫邏輯，論述了定律的形成過程.在定律的形成過程中，三位物理學家的貢獻作用突出且各有千秋，因此有必要結合物理學史，向學生再現一下科學研究原貌，促成學生對物理科學不斷發展這一本質的認知.大學生的抽象邏輯思維能力強，他們對定律的理解主要建立在初、高中階段的認知基礎上，因此初、高中階段的牛頓第一定律教學要建立在科學的基礎上，教學內容上要形成系統連貫性，要挖掘物理學史中的資源，從知識源頭上幫助學生厘清科學求真的本質，從而培養他們的實證精神及嚴謹的求知態度.

如何在初中課堂中融入物理學史的教學，提升課堂教學內容的科學性？教學過程中由簡介亞里士多德的“落體定律”導入，設計質量不等的兩球同時落地實驗，引發學生猜想力和物體運動的關系，闡述伽俐略的結論，補充迪卡爾的改進內容，強調牛頓的抽象過程，得出第一定律.通過教學，學生們認識到：牛頓第一定律是幾千年來物理學家們不斷累積的成果，不能割裂物理學的歷史背景而孤立地理解物理知識，每一個概念、規律、定理有其相應的科學時代背景.將物理學史融入課堂教學設計，立足于科學的課堂，學生更能認識到科學發展的艱難與必然，學生的科學態度素養達成落到實處.

2 實驗課中創新精神的培育

學生在學習壓力內容時常出現以下困惑：不能有效區分壓力與重力概念，混淆壓力與重力方向，認為壓力由重力產生，受生活中表面物理現象干擾.出現上述現象，與他們生活經驗的思維定勢有關，根據生活經驗，學生們會認為載重卡車、盛水的桶對地面壓力大，而一張紙、一根鵝毛對接觸面不會產生壓力，學生常認為物體越重，產生的壓力越大，這根深蒂固的錯誤前概念問題不解決，對學生后續學習力學知識會造成困擾.要讓學生真正理解壓力概念是不容易的，只有通過實驗演示壓力的產生條件、方向等，讓學生由直觀思維提升到理性思維，從而認識壓力及其作用效果，才能讓學生走出對壓力和重力認知上的誤區.筆者圍繞壓力概念教學進行了相關探索，并利用身邊器材對傳統實驗進行了如下簡單創新：（1）通過海綿在水平面、斜面、豎直面方向的形變，演示壓力產生的條件;（2）以海綿形變方向與指針指向顯示壓力方向;（3）用刻度尺和指針測量海綿形變量Δh，探究影響壓力作用效果的因素.這些改進增強了實驗現象的可視化程度，提升了實驗課堂的教學效率，促進了學生對壓力概念的深度理解.

生活中常見的壓力是如何產生的？壓力就是重力么？圍繞壓力這個核心主題展開如下探究.

如圖1所示：水平木板上放海綿，上放一張紙，海綿沒有明顯形變，加上磚塊后發生形變，學生常常誤認為磚的重力比紙的重力大，磚的重力使海綿發生形變，略提起磚塊位于海綿正上方，脫離海綿，磚塊有重力，海綿此時不發生形變，說明海綿形變非重力作用.那是什么力使海綿發生了形變呢？再次緩緩放下磚塊，讓學生觀察到磚塊先接觸海綿到擠壓海綿的全過程，磚塊接觸擠壓海綿時產生了壓力，壓力使海綿發生了形變.通過實驗讓學生明確了壓力的施力物體是磚塊，磚塊所受重力的施力物體是地球，若壓力就是重力，兩力施力主體相矛盾，便自然而然的區分了壓力和重力.利用上述器材還探究了“物體相互接觸是否就能產生壓力和壓力一定等于重力” 兩個重要問題，操作如下：水平木板上放海綿，上加一塊磚，緩緩提起木板一端構成斜面，比較圖1和圖3，發現海綿形變程度減弱，說明受到壓力減小，而磚塊質量不變，重力不變，說明磚塊對海綿的壓力大小不等于磚塊重力大小.學生常認為壓力方向與物體重力方向相同，按下列圖4、圖5所示操作：手壓鐵片和海綿，貼在海綿上的指針會隨著海綿沿水平向下、斜面等方向延伸，發現指針總是垂直于接觸面，所以得出“壓力的方向垂直于接觸面”這個結論，這與重力的方向總是豎直向下不同.

解決上述問題后，鼓勵學生利用現有器材，添加一個刻度尺設計探究影響壓力作用效果的因素的實驗，學生很快設計了如圖6所示實驗，操作清晰明了：水平木板上放一塊海綿，用刻度尺和指針測量海綿原始高度h，加上一塊磚，用刻度尺和指針測出海綿高度h1，再添一塊磚，測出海綿高度h2，發現（h-h1）>（h-h2），說明受壓面積一定時，壓力越大，作用效果越明顯.在實驗用的海綿旁邊添加一塊厚度相同的海綿，放上相同數目的磚，測出海綿高度h3，發現（h-h2） >（h-h3），說明壓力一定，受壓面積越大，壓力作用效果越不明顯.

上述實驗教學中利用簡易器材，通過設計磚塊壓海綿、測量海綿高度變化等實驗內容，直觀展現壓力的作用效果，讓學生更深刻地理解壓力概念，將有效地解決學生學習中的困惑.改進后的實驗現象更直觀，加強了對控制變量法的理解，培養了學生的科學態度和樂于探索物理概念規律的科學精神.

3 物理實驗課中誤差分析能力的培育

在教學中筆者發現學生最喜歡上物理分組實驗課，但最怕上的也是物理分組實驗課，為什么會出現反差？因為學生在實驗課中怕筆者的實驗“三問”.一怕問他們實驗中發現了什么問題;二怕問他們找出了哪里存在誤差及誤差產生的原因;三怕填寫實驗報告中系統分析一欄.初中物理驗證性實驗居多，由于實驗器材及實驗環境等的因素影響，實驗時出現與實驗結論大相徑庭的現象時而有之，如有的學生在做探究串聯電路中電流的規律實驗時，喜歡一次性在電路中串聯三個電流表，這與在相同電源的情境下分三次串聯同一個電流表所得的實驗結論有區別，這常引起學生懷疑課堂上所學的理論是否正確.同樣的情況還出現在測量小石塊的密度等實驗中，因與課本密度表中數據相差甚遠，導致不少學生懷疑實驗方法是錯誤的，甚至有些學生杜撰實驗數據以期與課本上相同，這是不尊重實驗規范的表現.每節實驗課結束驗收實驗報告時，筆者都告訴學生不要為了拼湊實驗數據而造假，這是對科學精神的褻瀆.同時引導學生共同分析各種實驗誤差的出現，可能與電流表的內阻，小石塊的質地，刻度尺的熱脹冷縮系數，擺的形狀、直徑、重心、空氣阻力等有關.學生便慢慢的從多個實驗中逐漸地理解實驗誤差的內涵，知道實驗誤差是科學測量中的必然存在.長期以這種方式培養學生分析物理實驗中的誤差，有助于學生們養成尊重科學、尊重自然規律的精神，慢慢地，學生也不怕筆者的三問了.

學生物理核心素養教育的落實是長期培養的過程，非一朝一日可以形成，正如物理實驗中的誤差一樣，是一種客觀的真實存在，需要物理教育者們不斷地耕耘創新，才能慢慢地接近核心素養的真實境界，任何理論空談都是蒼白無力的.

參考文獻：

[1]錢振華. 基礎與現代：新課標高中物理知識講座集[M].上海：華東師范大學出版社，2015：17.

[2]黃劍.例談在物理教學中促進前概念正遷移的策略[J].中學物理，2016，34（24 ）：22-23.

[3]趙棟三.“探究影響壓力作用效果的因素”實驗改進[J].中學物理教學參考，2016，45（11）：71-72.

[4]淮安市教育技術裝備中心.初中物理實驗教學指導[M].南京：東南大學出版社，2013：137-139.

[5]李春密.中學物理實驗教學研究[M].北京：北京師范大學出版社，2018：193-195.

（收稿日期：2019-12-19）