核心素養導向下初中物理設計性實驗教學研究

摘 要：隨著2018年1月教育部正式印發了《普通高中物理課程標準（2017年版）》，發展學生核心素養已成為我國當前課程改革的新任務和新內容。文章結合教學實踐，基于對物理學科核心素養的理解，闡述了物理設計性實驗教學的重要性、價值以及物理設計性實驗教學的策略。

關鍵詞：初中物理;學科核心素養;設計性實驗;教學研究

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 收稿日期：2020-01-24 文章編號：1674-120X（2020）12-0106-02

物理教學以學生為主體，以培養“全面發展的人”為核心，符合學生的認知規律和特點，不僅注重科學知識的傳授和技能的訓練，而且注重對學生學習興趣、探究能力、創新意識、科學態度的培養。所以，物理教師在實踐教學中，培養學生的物理學科核心素養是很有必要的。

一、物理學科核心素養

物理學科核心素養是學生在接受物理教育、學習物理知識過程中逐步形成帶有物理學科特點的、適應終身發展和社會發展需要的必備品格和關鍵能力，是知識、能力、價值觀的綜合表現。物理學科核心素養主要包括：物理觀念、科學思維、實驗探究、科學態度和責任。物理觀念是知識的內化，是核心素養的基礎，科學思維和實驗探究是關鍵能力，科學態度和責任是必備品格。

二、物理設計性實驗教學的重要性

（一）什么是物理設計性實驗

物理設計性實驗是根據實驗目的，運用掌握的物理概念、物理規律、實驗方法，選擇適當的器材設計實驗方案的實驗。物理設計性實驗對學生綜合運用知識的能力和創造能力要求較高，主要考查實驗器材選擇、原理、方法。

（二）物理設計性實驗在物理學中的地位

在古代物理學、經典物理實驗和現代物理實驗中，物理設計性實驗都占有很重要的地位。從牛頓發現萬有引力定律的過程中，我們可以看到物理學者對科學實驗的設計以及對假設進行的論證。實驗與物理理論的聯系越來越緊密，成為不可分割和相互依賴的結合體。物理實驗需要理論的指導，在理論的預測和條件范圍內去進行，所以物理實驗設計顯得更加重要。物理設計性實驗，對培養學生的探究能力、創新精神特別重要。

（三）改革考試評價體系，注重考查物理學科素養

在新的評價觀念指導下，考試評價要以促進學生科學素養的提高、教師專業素質的發展和物理教學的改進為方向和內容。近年來，廣州市物理中考命題走向之一：原創實驗入題，引導學生探索新知識，非常注重“科學思維”“實驗探究”等物理學科素養的考查。設計實驗方案的題目從2014年至今已經連續出現了6年，但學生得分不理想，學生對此題目望而卻步。研究發現，在進行探究實驗的過程中，學生的實驗設計能力沒有得到訓練，所以開展物理設計性實驗教學的研究迫在眉睫。

三、物理設計性實驗教學的價值

（一）掌握常規儀器的作用和使用方法，內化物理概念，培養學生物理觀念

在義務教育物理課程教學內容中，物理概念所占比例較大，物理概念既是教學的重點，也是教學的難點。由于物理概念比較抽象，因此學生普遍感到難以理解。如何才能讓學生更好地內化物理概念，培養學生的核心素養？筆者認為，進行設計性實驗教學可以很好地解決問題。

例如，人教版教材八年級上冊第六章第三節“測量鹽水和小石塊的密度”的實驗要求學生設計實驗方案，用天平和量筒測量鹽水和小石塊的密度。在設計實驗方案之前，學生已經對密度概念有了認知，知道了要測量物質密度就必須測量質量和體積，清楚了要測量的物理量后，就明白了所給儀器的作用。通過實驗，學生不僅掌握了天平和量筒的作用和使用方法，還內化了密度的概念。這樣的教學加強了學生自主學習的能力，有助于學生對知識的運用和遷移，真正培養了學生的物理觀念。

（二）掌握科學方法，發展學生科學思維

《義務教育物理課程標準（2011年版）》實施建議部分提出讓學生學習基本的科學方法，并將這些方法遷移到自己的生活之中。從初中生學習物理的心理和思維特點兩方面分析，他們的學習興趣停留于實驗表面現象，他們的思維特點具有批判性、局限性和片面性。科學方法是人們在認識和改造世界中運用的、符合科學一般原則的各種途徑和手段。學生在建構物理概念、探究物理規律、分析處理實驗數據時都會運用到科學方法。

例如，在設計實驗“探究浮力大小與哪些因素有關”時，學生結合已有的認知和生活經驗，設計出多種不同的方案，此時教師追問“這樣的設計合理嗎？”“得出的結論合理嗎？”等，使學生的思維得到碰撞。經過小組討論，學生頓時豁然開朗，知道了要運用控制變量法進行探究。這樣不僅讓學生掌握了科學方法，還使學生的思維在實驗過程中得到培養。

（三）重視實驗探究，增強學生科學探究能力

物理是以實驗為基礎的一門課程，實驗和科學探究緊密聯系，實驗是科學探究的重要方式之一。初二的學生雖然對實驗充滿好奇心，但往往停留在實驗表象上，實驗規范性差，實驗探究能力弱。如果實驗前先讓學生自主設計實驗，自己選擇實驗器材，那么他們在探究過程中就能運用所學的知識，發展思維，提高自己的探究能力，當學生獲得成功感時就會積極地參與今后的實驗探究了。例如，在進行“做功改變物體內能”實驗探究時，教材設計的是在燒瓶內盛少量水，向瓶內打氣，當塞子跳起來時，可看到瓶內有“白霧”生成。該實驗現象明顯，但成功概率不高。此時有學生想到用礦泉水瓶做實驗，于是學生就地取材，親自演示了實驗，效果非常好。學生不僅理解了科學知識，還增強了科學探究能力。

（四）注重情感體驗，培養學生科學態度和責任感

教師傳授的不僅是知識，還有情感。教師有責任培養學生學習物理的興趣，使學生具有將科學技術應用于日常生活、社會實踐的意識，以及尊重自然規律的科學態度，勇于創新，關心科學技術的發展，具有環保意識和振興中華的使命感和責任感。而設計性實驗教學就是有效地培養學生科學態度和責任感的途徑之一。例如，在“如何提高機械效率”實驗中，學生會上網查閱資料，對機械的發展史，節能減排、提高經濟效益的作用等進行了解，從而培養科學態度和責任感。

四、物理設計性實驗教學的策略

（一）在設計實驗前，先要正確理解實驗目的，掌握細化實驗目的的方法

設計實驗首先要正確理解實驗目的。學生只有知道要干什么，才能正確設計實驗的方案、步驟、方法。前幾年的廣州市中考題在考查實驗設計時都要求學生填寫實驗目的，其目的就是讓學生在設計實驗前先要正確理解實驗目的。

為了幫助學生順利完成實驗設計，第一步就要讓其正確理解實驗目的，細化實驗目的。例如，廣州市2018年中考實驗題的實驗目的是“探究這支細玻璃管的管內外液面高度差與水溫的定量關系”。學生應把實驗目的細化為研究的對象是這支細玻璃管（從題目所給的情景可知，這是已給的器材），研究的物理量是“細玻璃管在水中管內外液面高度差”“細玻璃管所在的水的溫度”，探究的是它們的定量關系。要定量就要有具體的數值，明確了實驗目的，學生才能確定所需的實驗器材為裝水的容器、刻度尺、溫度計和不同溫度的水。正確理解實驗目的、掌握細化實驗目的的方法是學生自主設計實驗的前提。

（二）通過提問、追問，展示設計實驗的思維過程

在學生知道實驗目的后，教師就要讓學生明確實驗目的提到的每個物理量的定義及測量方法，并通過提問、追問的方式，展示自己設計實驗的思維過程，讓學生有條理地去思考如何設計實驗，養成“先明確實驗目的，然后根據實驗目的和原理，思考實驗中要觀察的情景和測量的物理量”的習慣。例如，在設計實驗“測量人爬樓梯的功率”時，教師可以通過以下提問、追問，讓學生明白如何設計實驗。

教師：研究對象是什么？

學生：人。

教師：需要測量什么？

學生：要測量人爬樓梯的功率。

教師：實驗室沒有直接測量功率的工具，我們可以根據公式來測量人爬樓梯的功率，那么這個實驗應該測量什么呢？

學生：要測人的體重、爬樓梯的高度和時間。

（三）利用三部曲，完成設計性實驗題

教學實踐證明，學生在做設計性實驗題時利用三部曲可以取得不錯的效果。三部曲是指搬公式、追測量值、描述步驟。第一部曲，搬公式，即運用實驗目的中要測量的物理量的計算公式（實驗原理）;第二部曲，追測量值，即根據公式分析出要測量的物理量，要建立儀器與測量值的條件反射（看到儀器可以想到該儀器能直接或間接測什么物理量，需注意的條件是什么）;第三部曲，描述步驟，可以描述為“用（儀器） 測量（誰的什么量） ，記為（符號）”。

例如，“測量人爬樓梯的功率”，利用三部曲設計實驗如下：

五、結語

物理設計性實驗教學由于存在耗時長、難度大、綜合能力要求高的問題，因此學生興趣不高，導致教學效果大打折扣。解決問題的關鍵在于教師，教師要提升自己的素質，研討出更多相關的教學策略，使學生樂學、愛學、易學，這樣才能讓核心素養在教學實踐中“生根發芽”，在學生發展中“開花結果”。

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作者簡介：謝麗平（1977—），女，廣東韶關人，一級教師，本科，研究方向：初中物理教學。