核心素養導向的高中物理實驗教學策略

蔡千斌

(浙江省溫嶺市新河中學，浙江 臺州 317502)

當前的高中物理實驗教學已經步入了核心素養時代．在實踐中,我們總結提煉了核心素養導向的高中物理實驗教學策略,包括實驗知識的條件化策略、實驗知識的結構化策略、實驗知識的情境化策略和實驗知識的情態化策略．具體策略詳述如下．

1 實驗知識的條件化策略

實驗知識的條件化策略是指揭示實驗知識產生過程的策略,也就是從實驗知識的源頭開始教學的策略．其目的是讓學生明白實驗知識是怎么來的．如果學生不清楚實驗知識的產生過程,就容易陷入機械識記的學習狀態,一旦碰到實際的實驗場景,將難以設計正確的實驗電路,無法破解具體的實驗問題．實踐表明,像描繪小燈泡伏安特性曲線實驗電路的設計問題,如果沒有采用從知識源頭開始教學的方式,其中一部分學生直到高考結束都還沒有搞明白分壓式電路的畫法．

案例1:分壓式電路的設計．

教師:如圖1(a)所示,小燈泡分別接在“1、2”,“1、3”,“1、4”的不同位置時,小燈泡兩端獲得的電壓是不同的．如果圖1(a)中有很多個電阻,小燈泡左端的接線柱不動,小燈泡右端的接線柱就有多個不同的選擇,小燈泡兩端就可獲得多種不同的電壓．但是這種接法有個缺點是小燈泡兩端無法獲得連續變化的電壓值．怎么改變圖1(a)中的電路,使小燈泡兩端獲得連續變化的電壓值?

學生:如圖1(b)所示,用一個阻值較大的電阻代替如圖1(a)中的多個小電阻,小燈泡右端的接線柱改成一個可以滑動的滑片,這樣就可以實現小燈泡兩端電壓從0—U之間的連續調節．

教師:顯然,圖1(b)電壓調節比圖1(a)更為方便．由于圖1(b)中小燈泡兩端的電壓是從滑動變阻器某一部分的兩端分得的,因此圖1(b)的電路也就稱為分壓式電路．

在圖1(b)的基礎上,將電流表與小燈泡串聯、電壓表與小燈泡并聯,即可得到描繪小燈泡伏安特性曲線的實驗電路圖．通過這樣的教學,學生學到的分壓式實驗電路知識才是牢靠的,在具體應用時從頭腦中提取出來也是容易的．

圖1 分壓式電路的構建

2 實驗知識的結構化策略

實驗知識的結構化策略是指將前后的實驗知識建立聯系,把新的實驗知識納入到原有的認知結構中,在學生的頭腦中形成有意義的認知邏輯．其目的是揭示各個物理實驗的本質,便于物理實驗知識的遷移與應用．如果學生沒有理清實驗知識之間的邏輯關系,沒有構建出有意義的實驗知識結構,就容易陷入越學越多,越學越雜的境地,感到實驗知識的龐雜與無序,勢必影響前后綜合實驗問題的破解．實踐表明,像高中物理中的很多實驗都涉及到紙帶,它們橫跨必修1、必修2和選修3-5,內容跨度大,時間跨越長,如果沒有用一條紙帶將這些實驗串接起來,學生就難以完整地把握住它們的物理本質．

案例2:紙帶類實驗．

問題1:如圖2中的實驗裝置,可以完成以下哪些實驗?

圖2 紙帶類實驗1

(A) 研究勻變速直線運動.

(B) 探究彈力與彈簧伸長的關系.

(C) 探究求合力的方法.

(D) 探究加速度與力、質量的關系.

(E) 探究功與速度變化的關系.

(F) 驗證機械能守恒定律.

(G) 探究碰撞中的不變量.

(設計意圖:問題1是對力學實驗中哪些方案可以選用這套儀器的討論,這是異中找同,從縱向的角度幫助學生建立紙帶類實驗的知識結構——哪些紙帶類實驗可以用同一套實驗裝置來完成?)

問題2:如圖3所示,“研究勻變速直線運動”“探究加速度與力、質量的關系”“探究功與速度變化的關系”這3個實驗中,摩擦力對實驗結果沒有影響的是哪些?

圖3 紙帶類實驗2

(設計意圖:問題2突出了對3個實驗方案中何時要平衡摩擦力問題的討論．哪些需要平衡摩擦力,為什么?哪些不需平衡摩擦力,為什么?)

問題3:圖4(a)“探究加速度與力、質量的關系”實驗中打出的紙帶是哪一條,為什么?圖4(b)“探究功與速度變化的關系”實驗中打出的紙帶是哪一條,為什么?圖4(c)“探究碰撞中的不變量”實驗中打出的紙帶是哪一條,為什么?

圖4 紙帶類實驗3

(設計意圖:問題3突出了對3個實驗方案中如何識別所打紙帶的討論,從縱向角度幫助學生理清不同紙帶類實驗的原理．)

通過這樣的討論比較,使學生在縱向上對高中物理涉及的所有紙帶類實驗都有了深刻的理解．當然,還可從橫向上對紙帶類實驗進行知識上的意義建構,在此不再贅述．

3 實驗知識的情境化策略

實驗知識的情景化策略是指教師創設真實的物理實驗情境,使學生經歷類似于物理實驗知識產生過程和運用過程的教學策略．目的是使學生的實驗活動更具趣味性、生動性,從而激活學生的求知系統,激發學生學習的原動力．如果沒有讓學生面臨活生生的實驗情境,學生就會感覺實驗知識的枯燥與乏味,直接影響后續物理實驗學習的動力．例如,讓學生畫出測定一節干電池電動勢和內電阻的各種實驗電路圖,所用儀器為除一節干電池、開關、若干根導線外,包括“有一只電壓表、一只電流表、一個滑動變阻器”或“僅有一只電壓表、一個電阻箱”或“僅有一只電流表、一個電阻箱”的各種情形．這樣的實驗知識教學就顯得乏味．

案例3:選器材進行實驗．

情境:在“測定電源的電動勢和內電阻”的實驗中,教師提供如圖5所示的實驗器材包括若干導線,請學生選擇合適的器材,并進行實驗．

圖5 從多余的儀器中選擇合適的器材進行實驗

(設計意圖:根據題意選擇合適的器材,實質是對實驗原理的考查．學生的心中如有明確的實驗原理,清晰的實驗電路圖,在連接實物時就不會出錯．)

實際操作表明,只有2%的學生能夠順利地解決這個問題．絕大多數學生沒有根據要求選擇合適的器材．其實質是對實驗原理不明確．如果學生的心中有明確的實驗原理,清晰的實驗電路圖,在選擇器材連接電路進行實驗時就不會出錯．結果雖然并不理想,但這樣的情境設置,反而激起了學生的實驗熱情,引發了他們進一步研究的動力．

當然,不管設置怎樣的真實實驗情境,都離不開學生對實驗原理的正確理解．只有緊緊抓住物理實驗原理這個本質,才能較好地解決基于真實情境的實驗教學問題．

4 實驗知識的情態化策略

實驗知識的情態化策略是指將實驗理智與實驗情感相互交融的實驗教學策略．目的是使我們培養的學生既有科學素養,又有人文情懷．這樣的教學,使學生覺得實驗知識并不是冷冰冰的,而是有溫度的,并且能夠引領、豐富學生的真情實感．因此,它能使物理實驗知識融入到學生的精神層面,并上升到學生的態度與價值觀層次．例如,為了講清彈簧是有彈性限度的,一位教師拿出一根完好的新彈簧,使用暴力直接拉直彈簧,結果彈簧無法回縮,說明彈簧是有彈性限度的,好好的一根彈簧就被這樣生生地拉壞掉了．這位教師上了3個班,最后就拉壞了3根彈簧．雖然,這種教法鮮明直觀,但在學生面前示范了直接破壞學校公物的形象實在有些不佳,不利于學生在實驗教學中形成正確的情感態度與價值觀．

圖6 歐姆調零時的短接

再如,在練習使用多用電表測量電阻實驗時,都有一個歐姆調零的操作過程．演示時,教師將紅表筆插在“+”插孔、黑表筆插在“-”插孔中,通過投影,演示歐姆調零的操作過程,如圖6所示．仔細觀察可以發現,教師的手指握在紅、黑表筆的金屬部分,這樣的操作固然不會影響實驗的調零結果,但是人的手上有汗,長期這樣操作,手上的汗水會腐蝕紅、黑表筆的金屬部分,這是不允許的．就像天平使用中,我們是不允許學生直接用手去取砝碼的道理是一樣的．因此,這樣的教學不利于培養學生的實驗態度．其標準的實驗操作,應當是手指握在紅、黑表筆的塑料部分,而不應該握在紅、黑表筆的金屬部分．

案例4:電容器所帶電荷量與電容器兩極板間電壓的關系．

圖7 電解電容器

教師提供器材：每小組提供6只如圖7所示的電解電容器(規格為“16 V，47 μm”)，1只數字式多用電表，1個電池組，若干導線.

實驗方法：采用“一只不帶電電容器與另一只相同電容器接觸進行電荷量平分”的方法，來改變帶電電容器所帶的電荷量；用數字式多用電表測出電解電容器兩極間的電壓值.

實驗步驟及數據處理： (1) 讓學生先給第1只不帶電的電解電容器充電，充電后所帶電荷量記為q，然后用數字式多用電表測出電容器兩極間的電壓值。(2) 用第2只不帶電電解電容器的正、負極分別與第1只電解電容器的正、負極接觸，分離后每只電容器所帶的電荷量為0.5q； 用數字式多用電表測出分離后第1只電解電容器正負極間的電壓值.(3) 依次用第3、4、5、6只電解電容器重復步驟(2)的操作，分別測出第1只電解電容器正負極間的電壓值.(4) 將測得的電壓值及電容器所帶的電荷量記錄在表格中，如表1所示；作出第1只電解電容器所帶電荷量Q與兩極間電壓值U的關系圖，如圖8所示.

表1 第1只電解電容器兩極間的電壓值U與所帶的電荷量Q

圖8 電容器所帶電荷量與電容器兩極板間電壓的關系

(設計意圖:利用身邊的石英鐘、干電池和易得的電容器,就可以獲得跟利用高科技DIS實驗所得的結果一樣．這對于學生來說,心靈上的震動是不少的,其獲得的成功體驗不容小覷．因此,對培養學生的情態非常有用．)

實踐告訴我們,實驗知識的情態化策略能極大地激發學生的探索興趣、操作興趣,使學生愿意體驗,積極體驗,能有效地激活學生動手實驗的內驅力,從而提高學生的探究能力與水平,提升學生的物理實驗素養．

5 總結

實驗知識的條件化策略、實驗知識的結構化策略、實驗知識的情境化策略和實驗知識的情態化策略這四者之間存在著遞進的關系．實驗知識的條件化策略解決的是實驗知識是怎么來的問題;實驗知識的結構化策略解決的是實驗知識是怎么構成有意義邏輯關系的問題;實驗知識的情境化策略解決的是實驗知識是怎么運用到真實情境中去的問題;實驗知識的情態化策略解決的是實驗知識是獲得成功體驗的最高層次,是精神層面上的一種升華．

實踐表明,在高中物理實驗教學中有效地運用條件化、結構化、情境化和情態化策略,會最大可能地提升學生物理學科的核心素養．

1 余文森.核心素養導向的課堂教學[M].上海:上海教育出版社,2017:179-196.