核心素養(yǎng)視閾下的創(chuàng)新物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)

張玲芳

(江蘇省常熟市中學(xué) 215500)

一、物理實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)物理核心素養(yǎng)的有效途徑

1.物理核心素養(yǎng)內(nèi)容

所謂物理核心素養(yǎng)，是指學(xué)生在接受物理教育過程中逐步形成的適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力，是學(xué)生通過物理學(xué)習(xí)內(nèi)化的帶有物理學(xué)科特性的品質(zhì)，主要由“物理觀念”、“科學(xué)思維”、“實(shí)驗(yàn)探究”和“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”等四個(gè)方面的要素構(gòu)成.

2.物理實(shí)驗(yàn)與核心素養(yǎng)的關(guān)系

物理作為一門實(shí)驗(yàn)學(xué)科，實(shí)驗(yàn)是物理教學(xué)的基礎(chǔ)、是物理課程的重要內(nèi)容、是物理教學(xué)的重要方法和手段.中學(xué)生有著強(qiáng)烈的好奇心和求知欲，而物理實(shí)驗(yàn)具有真實(shí)、直觀、形象和生動(dòng)的特點(diǎn)，最能激發(fā)學(xué)生的興趣，引發(fā)學(xué)生的思考.學(xué)生觀察老師做實(shí)驗(yàn)，會(huì)產(chǎn)生自己動(dòng)手的欲望；生活中看到物理現(xiàn)象，會(huì)產(chǎn)生探其究竟、發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象背后規(guī)律的求知欲望.

物理實(shí)驗(yàn)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)觀察、操作和思維互為影響的活動(dòng)過程.學(xué)生在教師的引導(dǎo)下積極主動(dòng)參與到實(shí)驗(yàn)探究過程中，他們模擬科學(xué)家分析問題、解決問題，在此過程中能體會(huì)到如何面對(duì)疑難情境、學(xué)會(huì)搜集和加工需要的新資料，最終達(dá)到問題解決、獲得理性認(rèn)識(shí)的探究過程.這樣的方式在潛移默化中培養(yǎng)了學(xué)生們?cè)谡鎸?shí)生活情境中發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力.科學(xué)完整的物理實(shí)驗(yàn)過程，包含并體現(xiàn)了物理觀念、科學(xué)思維、實(shí)驗(yàn)探究以及科學(xué)態(tài)度與責(zé)任等要素，是培養(yǎng)物理核心素養(yǎng)的有效途徑.特別是創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)操作活動(dòng)，除了可以提升實(shí)驗(yàn)演示效果，還可以針對(duì)性的提高學(xué)生的觀察、思考、操作等應(yīng)用能力，從而更有效地挖掘物理實(shí)驗(yàn)對(duì)培養(yǎng)物理核心素養(yǎng)的促進(jìn)作用.

二、核心素養(yǎng)視閾下的物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.開發(fā)引入性實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，為開展實(shí)驗(yàn)探究邁出第一步

真實(shí)的生活情景是學(xué)生核心素養(yǎng)培育的途徑和方法，是核心素養(yǎng)實(shí)現(xiàn)的現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ).創(chuàng)設(shè)情境的實(shí)質(zhì)在于喚起認(rèn)知思維、激發(fā)內(nèi)驅(qū)力，使學(xué)生進(jìn)入探索者的角色，參與到學(xué)習(xí)活動(dòng)之中.作為一堂物理課的開端，引入性實(shí)驗(yàn)要能抓住學(xué)生的眼球、制造一定的懸念、充分引發(fā)學(xué)生的思考，使他們能夠輕松進(jìn)入課堂的學(xué)習(xí)狀態(tài).實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景和實(shí)驗(yàn)器材要源于生活，用身邊隨處可見的物品來展示物理現(xiàn)象，學(xué)生們就更容易產(chǎn)生代入感.下面以互感的學(xué)習(xí)為例，介紹一種實(shí)驗(yàn)引入案例：

圖1中有兩個(gè)線圈，右邊的線圈和手機(jī)相連(回路中有電源)，左邊的線圈接到揚(yáng)聲器上(回路中沒有電源)，當(dāng)老師打開右邊的手機(jī)播放音樂時(shí)，左邊的揚(yáng)聲器中會(huì)有音樂響起.在仔細(xì)觀察實(shí)驗(yàn)后，教師引導(dǎo)學(xué)生思考：左邊的回路中沒有電源，怎么會(huì)有電流產(chǎn)生？

引入性實(shí)驗(yàn)一方面要求學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)時(shí)要敏銳、專注，能準(zhǔn)確捕捉并處理關(guān)鍵信息，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)觀察能力，更重要的是，實(shí)驗(yàn)也鼓勵(lì)了學(xué)生在學(xué)習(xí)和日常生活中發(fā)現(xiàn)并提出問題，邁出實(shí)驗(yàn)探究的第一步.

2.優(yōu)化經(jīng)典演示實(shí)驗(yàn)，圍繞核心問題展開實(shí)驗(yàn)探究，形成科學(xué)思維.

物理核心素養(yǎng)中的實(shí)驗(yàn)探究，是指提出物理問題，形成猜想和假設(shè)，獲取和處理信息，基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋的過程.現(xiàn)行物理教材中列舉了很多經(jīng)典物理實(shí)驗(yàn)方案，但有個(gè)別實(shí)驗(yàn)方案受教學(xué)條件限制，演示效果不明顯、學(xué)生參與度不夠、數(shù)據(jù)處理不便，這就需要我們改進(jìn)或者優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案.

例如在《電容器的電容》這一節(jié)中，書本“做一做”推薦的實(shí)驗(yàn)方案是，先給電容器充好電，然后用DIS采集電容器放電電流隨時(shí)間變化的圖線，再根據(jù)圖線和時(shí)間軸包圍的面積來計(jì)算電荷量，多次實(shí)驗(yàn)研究Q和U的比值.這種方法是很好的現(xiàn)代化研究手段，但在實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理過程中，學(xué)生只是作為“觀眾”而沒能有參與進(jìn)來.針對(duì)這個(gè)問題，筆者用晶體管自制了恒流源裝置(圖2)，用恒定電流給電容器充電(圖3)，用學(xué)生熟悉的電壓表、電流表和秒表直接記錄電流、電壓和時(shí)間，根據(jù)Q=I×t一舉解決電荷量計(jì)算的難點(diǎn).實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)淺顯易懂、操作性強(qiáng)、學(xué)生一起參與數(shù)據(jù)處理，最后得出Q/U是一個(gè)常量這一重要結(jié)論.

通過改良教材實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以有針對(duì)性地開展實(shí)驗(yàn)探究，親歷實(shí)驗(yàn)過程也加深了學(xué)生對(duì)電容這一物理量的理解，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中形成科學(xué)思維.另外，適當(dāng)?shù)淖寣W(xué)生參與對(duì)教材內(nèi)容的創(chuàng)新和完善，有助于激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造熱情，培養(yǎng)他們不迷信權(quán)威、實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度.

3.開展研究性實(shí)驗(yàn)，糾正錯(cuò)誤的前認(rèn)識(shí)，形成科學(xué)的物理觀念，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和社會(huì)責(zé)任感.

物理觀念是指從物理學(xué)視角出發(fā)，對(duì)物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)與相互作用、能量等客觀物理現(xiàn)象和過程形成的基本認(rèn)識(shí)，是物理概念和規(guī)律等在頭腦中的提煉和升華.在當(dāng)前的物理教學(xué)中，往往是教師在課堂上演示驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)而得出結(jié)論或定律，學(xué)生對(duì)知識(shí)的信任度和理解力較低.事實(shí)上，教師可以在教授部分新課時(shí)采用研究性實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑涸趯W(xué)生獲取相關(guān)理論和概念之前，組織學(xué)生用實(shí)驗(yàn)的方式對(duì)關(guān)鍵問題進(jìn)行探索，協(xié)助其研究、總結(jié)問題，進(jìn)而引出教學(xué)知識(shí)點(diǎn).

例如，在學(xué)習(xí)《牛頓第一定律》前，大部分學(xué)生對(duì)運(yùn)動(dòng)的看法還是停留在亞里士多德的結(jié)論：拉力減小，運(yùn)動(dòng)就減弱，即力是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因.為了轉(zhuǎn)變這一錯(cuò)誤的觀念，新課前可以讓學(xué)生探究這樣的問題：當(dāng)拉力減小時(shí)，物體的速度會(huì)如何變化？可供選擇的器材有：軌道，小車，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，鉤碼，細(xì)線，橡皮筋，鑰匙鏈條等，學(xué)生們會(huì)根據(jù)提供的實(shí)驗(yàn)器材來驗(yàn)證自己的猜想，圖(4)是學(xué)生可能會(huì)采用的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案.

德國(guó)著名物理學(xué)家納曲替高曾說過：“對(duì)于前科學(xué)概念不能只去破壞它，或像垃圾似的丟掉它，而是應(yīng)當(dāng)通過有效的教學(xué)活動(dòng)，把錯(cuò)誤的前科學(xué)概念轉(zhuǎn)變?yōu)檎_的科學(xué)概念.”所以想要轉(zhuǎn)變這種錯(cuò)誤觀點(diǎn)，最好的方法就是用實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生進(jìn)行概念轉(zhuǎn)變.這樣的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象清晰、結(jié)論明確，在分析反思階段，學(xué)生能從事實(shí)證據(jù)和科學(xué)推理兩方面一起推翻錯(cuò)誤的前認(rèn)識(shí)，建立科學(xué)正確的運(yùn)動(dòng)觀，使學(xué)生對(duì)牛頓第一定律的理解更為深刻.更重要的是，這類實(shí)驗(yàn)對(duì)非智力因素的培養(yǎng)更有著顯著的作用，推翻公元前三百多年偉大的科學(xué)家的結(jié)論，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生批判性思維、堅(jiān)持實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度和觀念也有很大的促進(jìn)作用，更有助于學(xué)生產(chǎn)生熱愛科學(xué)、尊重科學(xué)規(guī)律、勇于克服困難、想要進(jìn)行科學(xué)探索的情感.

4.組織設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)新思考，提升學(xué)生的物理核心素養(yǎng)

教師應(yīng)該將物理教學(xué)和日常生活相結(jié)合，圍繞教學(xué)知識(shí)點(diǎn)引導(dǎo)學(xué)生利用生活中的小工具，自主構(gòu)思設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，通過組織設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)來培養(yǎng)學(xué)生全面、系統(tǒng)、科學(xué)的思維能力.比如學(xué)習(xí)了胡克定律后，讓學(xué)生來設(shè)計(jì)彈簧秤或者拉力器；比如學(xué)習(xí)了楞次定律后，讓學(xué)生們來設(shè)計(jì)“跟屁蟲”之類的小玩具；再比如學(xué)習(xí)了電磁感應(yīng)后，組織學(xué)生設(shè)計(jì)創(chuàng)新性的小實(shí)驗(yàn)-地板發(fā)電器，讓人通過走路來發(fā)電，把人運(yùn)動(dòng)的能量轉(zhuǎn)化為電能存儲(chǔ)起來，把這樣的發(fā)電器安裝在地鐵站、超市或人潮擁擠的地方，使人來人往也能變成一種清潔能源.

通過類似的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生們從生活走向物理，又把物理回歸應(yīng)用于生活，在此過程中培養(yǎng)了學(xué)生全面思考的能力、實(shí)證意識(shí)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)那笾獞B(tài)度，對(duì)學(xué)生們樹立用系統(tǒng)科學(xué)的思維方式認(rèn)識(shí)事物、解決問題、指導(dǎo)行為有很大幫助.

耳聞易忘、目睹為實(shí)、躬親則明.通過創(chuàng)設(shè)情境、改良教具、優(yōu)化設(shè)計(jì)這些實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新手段，可以有效提高物理學(xué)習(xí)的趣味性和代入感，引導(dǎo)學(xué)生更多的參與物理知識(shí)點(diǎn)的探究過程，變被動(dòng)接受為主動(dòng)獲取，獲得完整的心理體驗(yàn)，加深對(duì)所學(xué)知識(shí)的信任度和理解力.同時(shí)，也有利于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的觀察習(xí)慣、審慎的思維模式、正確的操作方法和實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，在潛移默化中強(qiáng)化物理核心素養(yǎng)的形成，使其掌握研究問題和解決問題的有效方法，真正做到“授之以漁”.