核心素養視域下的高中物理實驗二次開發①

鄒鳳華 鄭發清

一、高中物理實驗教學二次開發的重要意義

隨著普通高中物理新課程標準的推出與深入推進，進一步落實立德樹人根本任務，提升學生綜合素質，發展核心素養，已成為物理教學的重要任務。受到“應試思想”的影響，高中物理實驗教學中還存在一些比較突出的問題，如重視理論和實驗結論的講授而不注重物理實驗的過程；演示實驗通常由教師獨攬，學生沒有動手操作的機會，實驗教學流于形式。很多實驗不懂得如何去開發，去設計，去探究，導致物理實驗與理論出現了嚴重的脫節，忽視學生學科核心素養的培養。《普通高中物理課程標準》(2017 版)強調指出：“要重視課程資源的開發、整合與利用，積極開發與利用數字媒體課程資源，教師要積極利用各種器材，積極創新實驗方式，盡可能多地開發出可視性強、證據性強、能引起學生濃厚興趣的演示實驗和分組實驗，要利用日常生活資源改進實驗或開發新實驗”。可見，在新課程背景下，教師不能再只是“教材的消費者”，更應努力成為“教材的開發者”。另外，由于教材編寫具有時代性，很多物理實驗已經可以用更精確，更完善的方法進行，因此，有原有實驗基礎上，對物理實驗進行二次開發，對實驗方案進行重構，把“教教材”轉變成“用教材教”，提高教學的有效性，是每位教師都應努力的方向。只有這樣，才能不斷提升學生的實驗素養，培養學生的創新精神，提高學生分析問題和解決問題的能力。

二、高中物理實驗二次開發的途徑

從某種意義上說，教材只是給教師的教學搭建了一個粗線條的知識和方法框架。教材的“二次開發”，即教師和學生在教學過程中，依據普通高中物理課程標準對教材中的部分教學內容進行適當增減，比如有的實驗，如果按照書本上的實驗操作，難度很大，甚至無法完成，此時就需要對實驗方案進行重構，讓大多數學生都能夠完成，以達到更好的實驗效果。因此，在具體的教學過程中，教師應仔細研讀教材，根據學校的實驗條件，學生現有的認知水平，依據教學目標，對教材內容進行“二次開發”，使教學內容更好地符合學生認知發展水平。

(一)對物理實驗原理、實驗方法的二次開發

認真研究實驗的基本原理是對實驗進行二次開發的前提，只有在充分了解實驗基本原理基礎上，才能對實驗方案進行改進。立足教材但不拘泥教材，充分把握教材，分析實驗。比如為了減小實驗系統誤差，在實驗原理上有沒有更加完善的方法，使實驗的精確度更高，實驗步驟更易操作，實驗現象更加明顯，實驗過程更加穩定等。為了減小實驗偶然誤差，在數據分析和處理方面有沒有更加科學的方法。有些實驗，課本中沒有設置，但是為了使教學效果更加明顯，教師也可以自己進行實驗創新，從而避免口頭講解實驗。在二次開發過程中要注重實驗原理的可操作性和實效性。例如在魯科版選修3-2 第2 章第1 節“探究感應電流的方向”的實驗中，如圖1 所示，如果我們依照教材編寫的實驗順序進行教學，雖然實驗操作不是很復雜，但是由于實驗過程中學生要記錄的物理量變化太多，分散了學生的注意力，學生往往抓不住重點，搞不清楚實驗到底要得出一個什么結論，從而使學生的思維出現混亂，難以形成科學思維推理，不利于學生得出實驗結論。同時因為實驗關注點太多，實驗過程繁雜，反而會阻礙學生的思維。如果我們將實驗方法進行創新，改裝成如圖2 所示的簡易裝置，將紅、綠兩個發光二極管反向關聯到線圈兩端，將螺線管、發光二極管固定在長木板上，再在長木板上繪制好實驗電路圖，然后標出紅、綠兩個二極管的正極和負極。這樣做的目的使學生容易根據二極管的發光來確定螺線管中感應電流方向，減少了中間環節。

圖1

圖2

表1 線圈內磁通量增加時的情況表2 線圈內磁通量減少時的情況

引導學生把關注點放在感應電流的磁場方向與原磁場方向的關系上，學生能夠很清楚地看出原磁場B與感應電流磁場B′的大小和方向變化的關系，容易調動學生的興趣，促進學生探究的積極性，形成科學的思維方法，效果明顯。

(二)對物理實驗儀器的二次開發

1.改進實驗儀器，開發創新性實驗

在實驗教學過程中，最終目的還是使學生的創新能力和發散思維能力得到培養，這就要求學生能夠根據所學物理知識進行自主實驗設計或者對課本中的實驗進行二次創新，一方面可以提高實驗的科學性和精確性，使實驗更趨完善；另一方面可以發揮學生的自主能動性，激發學生的學習熱情，使實驗教學內容更加豐富，不至于形式老套，從而提高實驗教學質量和教學效率。例如在驗證牛頓第二定律的實驗中，教材上采用的是如圖3 裝置，在做完該實驗后，可以讓學生再分組進行實驗，探討如何利用光電門、力傳感器、氣墊導軌等儀器對該實驗進行創新，寫出實驗的二次開發方案并討論重構后的實驗裝置與課本的上裝置比較，在實驗原理、實驗精確度及實驗便捷性等方面有哪些改進，最后形成如圖4 所示實驗裝置，總結出在以下幾個方面進行了創新：氣墊導軌代替長木板，無需平衡摩擦力；力傳感器測量滑塊所受的拉力，鉤碼的質量不需要遠小于滑塊質量，更無需測鉤碼的質量；用光電門代替打點計時器，利用遮光條和光電門測得滑塊的末速度，由刻度尺讀出遮光條中心初始位置與光電門之間的距離，由運動學公式求出滑塊的加速度。這樣，通過實驗二次開發，一方面可以使學生加深對物理知識的理解，更重要的是通過實驗設計與動手操作、觀察現象與記錄數據、分析歸納得出結論等環節，全方位地培養學生的科學探究能力，從而有效提升學生的學科素養。

圖3

圖4

2.動手制作、自主選擇儀器進行實驗創新

實驗課程資源不僅限于實驗室的現有儀器和設備，在實驗器材不能滿足實驗要求時，我們要想辦法動手制作，設計出符合實驗要求的實驗器材。例如，在高中電學實驗中測量電流或電壓時，經常會碰到所用電壓表或電流表量程不夠的現象，也就是所測電流或電壓超過電表的量程，此時應讓學生利用電表改裝原理，自己動手去改裝量程更大的電表，以滿足實驗要求，這樣可使學生有更多動手實驗的機會，更好地培養和發展學生的實驗技能、創新實踐能力。自主選擇實驗儀器進行創新實驗也是實驗教學二次開發的一個方面，例如在測量電源電動勢和內阻實驗中，課本采用的是伏安法，即如圖5 所示裝置，在完成這個實驗后，可以讓學生分析討論，如果利用電阻箱和電壓表，或者利用電阻箱和電流表，根據閉合電路歐姆定律，能不能測量出電源電動勢和內阻呢?通過小組合作討論，設計出如圖6 和如圖7 所示的電路圖，并分析這兩個裝置的實驗原理及系統誤差跟裝置5 比較，有什么異同。通過自主選擇儀器進行實驗創新可使學生進一步加深對所學知識的理解，培養發散思維能力。

圖5

圖6

圖7

此外，物理實驗二次開發還體現在實驗教學方式上，如改演示實驗為師生協同實驗，它改變了傳統的老師講實驗，學生看實驗的模式，而是改為在老師指導下學生動手操作，再分析、歸納得出結論；變驗證性實驗為探索性實驗，鼓勵學生發散思維，進行多方位、多角度觀察、思考、探索、想象，從而提出多種解決問題的方案，在此基礎上，再引導學生收斂思維，確定解決問題的最佳方案。隨著多媒體輔助教學、DIS 實驗等信息技術的應用，物理實驗二次開發的途徑也越來越多，教師在進行教材二次開發設計創新實驗時，要求實驗內容能有效突破教學重難點，實驗原理科學性正確，實驗現象明顯且直觀，實驗結果準確，操作簡單，實驗器材容易獲取，能引起學生強烈的認知沖突，調動學生的思維。實驗教學不應墨守成規，而應該大膽地對傳統實驗及教材中未曾出現的實驗進行開發和創新，以更好地發展和培養學生的實驗技能和探究能力。