以核心素養為導向的探究性實驗教學實施策略

魯野

摘? ?要：以魯科版高中物理必修一第六章第二節“牛頓第二定律”為例，以學生自主設計實驗為主線，從構建核心概念和規律、踐行科學思想、體會實驗探究、培養科學精神四個方面，介紹了以核心素養為導向的探究性實驗教學實施策略，以提高學生自主學習興趣，知識內化理解，掌握分析和解決問題的思路、方法及角度，實現能力進階。

關鍵詞：牛頓第二定律;實驗探究;科學思想;核心素養

引言

近年來高中新課標修訂用“學科活動”來統整三維目標中的“過程與方法”，強調學科教學的學科性，聚焦學科核心素養的養成[ 1 ]。物理學科的特點在于“物”和“理”，“物”即事實依據，必須以實驗為基礎;“理”即理性思維，必須以思維為中心。通過實驗創設情境，觀察表象，將理性思維抽象為具體理論，逐步形成核心素養。

實驗探究是物理學科最基本的學科活動。對于高一的學生來講，在最初的實驗探究過程中，形成比較完整的學科探究思路和科學推理方法是形成學科素養的關鍵。但物理實驗在教學實施過程中，教師通常重結論輕過程、重知識輕方法。一般情況是教師親自操作演示實驗，學生只是作為旁觀者，對實驗的理解是通過教師獲取的，導致學生在學習過程中學習動機不強、課堂參與度不高、認識角度零散、認識能力得不到有效發展。為了體現學生主體性，激發學生學習興趣，本文以魯科版高中物理必修一中“牛頓第二定律”一節為例[ 2 ]，將演示實驗改為學生分組實驗，從以下四個方面探索落實物理核心素養的探究性實驗教學實施策略[ 3，4 ]。核心素養導向的實驗教學基本框架如圖1所示。

1? 實施策略

1.1? 創設問題情境，構建物理概念和規律

物理概念和規律是人們認識世界時對物理事實共性及本質屬性的抽象、概況與認識，它是物理知識的核心，也是形成物理觀點的基礎和起點。

本節的教學目標是經驗上能初步提出決定加速度因素的預測;知識上能結合“牛頓第一定律”理論依據，理解加速度、質量、合外力三者關系;技能上能構建檢驗的物理模型，會設計與制定方案，能測定相關物理量;體驗上要求經歷探究活動過程，小組成員通過相互協作、討論，分享合作精神;能力上會應用CAI課件處理實驗數據，能對圖象分析發現物理規律。

本節通過視頻創設問題情境引導學生猜想與加速度有關物理量，并結合已學理論知識“牛頓第一定律”，引導學生成功預測加速度與質量、合外力的正確關系。從一般猜想到理論分析有利于培養學生理論聯系實際能力，孕育正確的科學觀。

1.2? 自主設計實驗，踐行科學思想、思維

在探究和解決問題中不僅要有相關的物理知識，還需要科學思想、思維，需要運用相應的科學方法。

教材中采用了教師演示實驗方案一，并未與其他實驗方案作比較，這會導致學生實驗設計能力缺失，對實驗結論的獲得感不強，不利于培養學生實驗能力。可巧妙引導學生采用“控制變量法”思想自主設計實驗方案，通過小組交流討論，闡述各種方案的觀點，反思方案中的問題，形成較為完善的方案一、二。再對兩種實驗方案從操作性、實驗誤差、數據處理等方面做比較彌補這一不足。

（1）控制變量法

啟發學生采用“控制變量法”物理方法來探究a與m和F合的定量關系。從兩個方面進行探究：①保持研究對象的質量m不變，探究加速度a和F合之間關系;②保持研究對象受到的F合不變，探究加速度a和質量m之間關系。根據上面探究結果進行推理、歸納，就可以總結出a、m、F合三者之間的關系。

（2）比較法

引導學生從操作性、實驗誤差，數據處理、分析等方面比較兩種實驗設計方案（如表1所示），對課本實驗方案進行優化，選擇最優實驗方案二。

1.3? 巧設任務驅動，體會實驗探究

實驗探究是根據探究目的提出猜想和假設，制定實驗方案，處理實驗數據并總結實驗結論，以及在實驗探究過程中評估學生設計實驗、團隊協作交流和創新意識的能力。

本節課以探究決定物體加速度的因素為主線，分別通過猜想和實驗探究確定了物體加速度與質量、合外力的關系。實施過程中通過教師引導、學生自主設計實驗方案、小組研討、選擇和完善實驗方案、操作實驗、處理實驗數據、總結實驗結論順序開展教學。教師精心設計了3個學習任務（如圖2所示），分別從提出猜想、探究實驗和實驗創新3個活動流程進行。

1.3.1 活動1：提出猜想

教師從生活實例入手，利用視頻創設問題情境“在決賽時劉翔把項鏈、手表等物品摘下來，這樣做的科學道理是什么”？引導學生猜想與加速度有關因素，但是這些猜想往往是片面的、不準確的，因此教師可以提供幾組圖片啟發學生修正自己的觀點，形成科學認知。同時引導學生結合已學知識“牛頓第一定律”理論成功預測加速度與合力、質量有關。

【設計意圖】本節課課前準備中要求學生對加速度與哪些物理量有關進行充分預測，從“猜想”到“理論分析”探究過程，體現對學生猜想的尊重，激發學生探究欲望，提升學生分析問題思維能力。

1.3.2? 活動2：實驗驗證

教師引導學生運用“控制變量法”思想設計實驗方案，以6-8人小組為單位，學生提出設計方案思路，小組成員討論、交流和論證方案的可行性，教師巡視時給予必要指導，同時要參與到學生討論分析中去，引導學生選擇最優的實驗方案二（若有其他方案可作為課后探究課題）。小組成員共同合作操作實驗，測量并記錄實驗數據，將數據輸入計算機處理，通過網絡共享圖象并派出學生代表匯報實驗結論。教師巡視學生使用儀器是否得當并給予指導。

板書設計時將“結論”位置留白，實驗方案和結論全部由學生來得出，激勵、喚醒學生的內在動力，調動學生積極參與到探究“過程”中，在師生互動，生生互動中形成和諧共振，在自我探究體驗中深化學生的知識獲得感。

【設計意圖】從學生自主設計實驗方案到實施實驗過程，感悟“控制變量法”的科學思想，規范學生實驗操作，提高學生處理數據能力，培養學生總結歸納能力、語言表達能力;通過比較兩種實驗方案，鼓勵學生質疑精神，培養學生實驗能力。

1.3.3? 活動3：提煉創新

結合實驗過程和結論，總結探究決定加速度實驗中涉及的思想方法，分析實驗誤差來源，引導學生通過變換研究對象（系統）和改變測量量（力、加速度）對實驗方案大膽創新和改進。

在校本作業的設計中“趁熱打鐵”將剛剛學到的思想方法遷移到創新實例中。通過作業將思維方法進行鞏固、落實與升華，做到學以致用。

【設計意圖】拓展學生設計實驗方案視野，體會不同實驗方案設計理念，培養學生知識遷移能力，增強學生的創新意識。

1.4? 重視實際獲得，培養學生科學精神

科學精神是人們在長期的科學實踐中形成的價值標準、共同信念和行為規范的總稱，對磨礪學生科學實驗探究態度有重要意義。

本教學設計案例突顯教師引導為輔、學生自主探究為主的教學策略，在此基礎上引導學生自主設計探究實驗，促進學生知識的自主遷移，重視學生實際獲得。每個學習任務涉及2-3個學生活動，每個活動的設計均指向學生的能力進階。其中【學習任務1】設計了2個學生活動，學生基于生活常識能初步猜想到與加速度有關的物理量，并引導學生結合已學“牛頓第一定律”理論依據成功預測決定加速度的物理量有質量及合外力?！緦W習任務2】突出“自主實驗探究”，使學生從基于實驗經驗設計方案的水平發展到能依據“控制變量”思想設計方案水平，體會“量變—質變”的規律;學生通過從實驗操作性、誤差、數據分析等方面比較自主選擇實驗方案，體現充分尊重學生理念。【學習任務3】體現知識遷移的同時使學生直觀感受到不同設計理念下的實驗方案。通過學生自主學習、設計實驗、探究實驗、小組協作研討學習等順序展開教學，意在激發學生參與熱情和體會探究成果的獲得感;學生在研討、小組協作后獲取結果，對方法和知識獲取印象深刻;利用CAI課件和網絡處理實驗數據，感受科學技術發展魅力。教學中踐行“以學生為本”的思想，培養學生科學探究精神。

2? 結束語

本節課設計以實驗教學為主，運用了實驗探究式的教學實施策略，對教師課堂駕馭能力要求較高，重視學生實驗探究過程中的親身體驗，體現了“做中學”和“關注學生能力發展”的教育理念。

物理核心素養的培養離不開學生的學習實踐活動，物理教學應以提高學生的終身學習能力為目標，以落實物理核心素養的養成為主線，以實施學生的學習實踐活動為依托，以教師教學設計為動力源，深化教育教學改革。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2]馮利，于海波.牛頓第二定律教學應注意的幾個問題[J].中學物理，2017（7）：32.

[3]侯海軍，孫明西.基于核心素養的高中物理教學探究[J].物理教學探討，2016（10）.

[4]彭前程.積極探索基于核心素養理念下的物理教學[J].中學物理：高中版，2016（3）：1-2.