基于核心素養(yǎng)的學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)與思考 ①
——以“實(shí)驗(yàn)：探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”為例

周家盛

(江蘇省武進(jìn)高級中學(xué)，江蘇 常州 213134)

學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)是實(shí)踐體驗(yàn)性最強(qiáng)的物理學(xué)習(xí)方式，一方面，它可以有效引導(dǎo)學(xué)生體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)探究的過程，培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的科學(xué)探究能力和解決實(shí)際問題的能力，使課堂更具物理特色、探究氛圍更加濃厚；另一方面，學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)的教學(xué)對教師的要求較高，教師不僅要設(shè)計(jì)好實(shí)驗(yàn)報(bào)告的框架，教給學(xué)生必要的實(shí)驗(yàn)知識，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究，而且要對學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中可能產(chǎn)生的問題進(jìn)行預(yù)判，把握好講授、演示和學(xué)生實(shí)驗(yàn)時間的分配，更要將物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)貫穿于整堂實(shí)驗(yàn)課之中。筆者以“實(shí)驗(yàn)：探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”為例，展示學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)，交流教學(xué)心得。

1 教學(xué)案例分析

1.1 教材分析

教材分析是教師進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，是教學(xué)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)、教育目的達(dá)成的前提和關(guān)鍵。教師要在教材分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合學(xué)生的實(shí)際情況，基于核心素養(yǎng)的培養(yǎng)要求，進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，首先要從核心素養(yǎng)的視角研究教材內(nèi)容。

本節(jié)課是高一學(xué)生在學(xué)習(xí)完運(yùn)動學(xué)、靜力學(xué)后，進(jìn)入動力學(xué)學(xué)習(xí)的第二節(jié)課，承接上一節(jié)“牛頓第一定律”，學(xué)生已經(jīng)初步認(rèn)識到物體運(yùn)動狀態(tài)的改變與力、質(zhì)量的定性關(guān)系，在此基礎(chǔ)上提出問題，引導(dǎo)學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)探究加速度與力、質(zhì)量的定量關(guān)系。從定性分析到定量研究的轉(zhuǎn)變是高一學(xué)生學(xué)習(xí)物理的難點(diǎn)之一，因此，需要教師優(yōu)化本節(jié)課的教學(xué)設(shè)計(jì)，逐步設(shè)置“思維臺階”，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究，提升他們的核心素養(yǎng)。

2019年人教版高中物理教材將本節(jié)課的內(nèi)容分為實(shí)驗(yàn)思路、物理量的測量、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析四個部分，中間穿插兩個參考案例(阻力補(bǔ)償法、位移比值法)和控制變量法的介紹。相較于2010年版教材，新教材在教學(xué)內(nèi)容的編排上類似實(shí)驗(yàn)報(bào)告，更加注重實(shí)驗(yàn)探究的過程。

教師在進(jìn)行備課時，可以沿著教科書的編寫思路，站在學(xué)生的立場上斟酌思考，精心設(shè)計(jì)每個實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的引導(dǎo)方式和設(shè)問，預(yù)估學(xué)生在回答和操作中的問題，針對可能出現(xiàn)的情況構(gòu)思好應(yīng)對措施，為學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)做好充足的準(zhǔn)備。

1.2 學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

課題引入：播放中央電視臺大型科學(xué)實(shí)驗(yàn)節(jié)目《加油！向未來》視頻：8個小學(xué)生在30秒內(nèi)用力拉動上百噸的磁懸浮列車，使之向前移動了4米左右(圖1)，如4個小學(xué)生拉同一列車，情況會怎樣？

圖1

環(huán)節(jié)1：提出問題，初步建立物理觀念

問題1：磁懸浮列車從靜止到運(yùn)動，做的是什么運(yùn)動？

問題2：為什么磁懸浮列車會從靜止開始運(yùn)動？

問題3：磁懸浮列車沒有受到軌道滑動摩擦力的作用，為什么小學(xué)生拉磁懸浮列車時會如此吃力？

設(shè)計(jì)思路：通過視頻讓學(xué)生進(jìn)行猜想、思考，提出3個問題，直指加速度、力和質(zhì)量，探討這三者與運(yùn)動狀態(tài)改變的關(guān)系，讓學(xué)生初步建立運(yùn)動與相互作用這一物理觀念，自然引出本節(jié)課的主題。

環(huán)節(jié)2：理清思路，建構(gòu)物理模型

為了研究相同時間內(nèi)8個小學(xué)生和4個小學(xué)生拉磁懸浮列車向前運(yùn)動的距離關(guān)系，我們可以用圖2所示的實(shí)驗(yàn)器材，讓學(xué)生思考：怎樣進(jìn)行探究？

圖2

師：如何測質(zhì)量m、力F和加速度a？

師：小車受到的拉力等于槽碼盤和槽碼所受重力嗎？為了減少拉力不等于重力這一因素的影響，槽碼盤和槽碼的質(zhì)量要遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量。為了測量加速度，可用位移和時間來求加速度，這里用到了秒表，現(xiàn)在請同學(xué)們嘗試用秒表測一測小車運(yùn)動的時間。

學(xué)生通過預(yù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：小車運(yùn)動得比較快，用秒表測量出來的時間誤差比較大，不適合進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)。思考討論后提出方案：利用實(shí)驗(yàn)裝置的上、下軌道進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，讓兩小車同時開始運(yùn)動，運(yùn)動相同的時間，那么小車的位移之比就等于加速度之比，即x1∶x2=a1∶a2。

設(shè)計(jì)思路：以各物理量的測量切入實(shí)驗(yàn)思路，每個同學(xué)都能對這個問題給出自己的回答，調(diào)動學(xué)生的積極性，進(jìn)行思維“熱身”，為后續(xù)有深度的思維活動做好鋪墊。用學(xué)生預(yù)實(shí)驗(yàn)取代教師的講授，讓學(xué)生自己發(fā)現(xiàn)問題，再次思考、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。通過動手實(shí)驗(yàn)，有利于學(xué)生建構(gòu)實(shí)驗(yàn)裝置模型、理解實(shí)驗(yàn)原理。

環(huán)節(jié)3：親手實(shí)驗(yàn)，體驗(yàn)科學(xué)探究

師：在視頻中小學(xué)生說：“這個磁懸浮，它沒有輪子，沒有摩擦力，和別的火車不一樣”，那么在我們的實(shí)驗(yàn)中小車受不受摩擦力？小車受到的摩擦力會不會影響實(shí)驗(yàn)中測出的加速度？如何對實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行改進(jìn)，來“消除”摩擦力對實(shí)驗(yàn)的影響呢？

學(xué)生分組討論，大部分學(xué)生能想到涂潤滑油、使用氣墊導(dǎo)軌等方式，少數(shù)學(xué)生細(xì)心觀察到實(shí)驗(yàn)裝置一側(cè)的調(diào)節(jié)螺絲，提出可以調(diào)節(jié)軌道一端的高度，使小車被輕推一下后做勻速直線運(yùn)動，這樣，我們就把摩擦力“平衡”掉了。

學(xué)生進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)事求是地填入表格中，教師留意學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作的規(guī)范性并進(jìn)行指導(dǎo)。

設(shè)計(jì)思路：采用回顧情境、觀察器材、學(xué)生討論的方式引出“平衡摩擦力”這一重難點(diǎn)，整理上述環(huán)節(jié)師生共同探討出來的實(shí)驗(yàn)步驟和過程設(shè)計(jì)，指導(dǎo)學(xué)生明確任務(wù)，分工合作，嚴(yán)謹(jǐn)、科學(xué)地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。

環(huán)節(jié)4：總結(jié)反思，引導(dǎo)質(zhì)疑創(chuàng)新

在學(xué)生進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)后，教師選出幾組同學(xué)展示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，闡述探究的初步結(jié)論，與開始的猜想作比較。有些小組的實(shí)驗(yàn)誤差比較大，讓學(xué)生進(jìn)行分組討論與思考。教師將實(shí)驗(yàn)過程中拍攝的照片投屏，直觀地顯示注意事項(xiàng)：在平衡摩擦力時不要掛重物、繩子要經(jīng)過滑輪掛重物、繩子要與軌道平行等，同時強(qiáng)調(diào)尊重事實(shí)的重要性，不能篡改原始數(shù)據(jù)來滿足實(shí)驗(yàn)結(jié)論，而是通過多次實(shí)驗(yàn)，再次進(jìn)行探究，分析實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和操作中存在的問題，進(jìn)行質(zhì)疑和優(yōu)化。

教師還利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行演示，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)器材選用和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，利用圖像法和“化曲為直”的處理方法來分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，最終得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論：加速度與力成正比，與質(zhì)量成反比。

最后，回到課題引入環(huán)節(jié)視頻所提出的問題，教師引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用實(shí)驗(yàn)探究的結(jié)論進(jìn)行解釋。教師播放后續(xù)視頻，印證了學(xué)生的解釋，用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了科學(xué)探究的結(jié)論。

設(shè)計(jì)思路：將實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生出現(xiàn)的問題和實(shí)驗(yàn)記錄用手機(jī)拍攝下來，運(yùn)用現(xiàn)代教學(xué)手段進(jìn)行投屏展示，強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)操作的規(guī)范性和嚴(yán)謹(jǐn)性。由學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)到教師的演示實(shí)驗(yàn)，從傳統(tǒng)到數(shù)字化實(shí)驗(yàn)手段，從粗略到精細(xì)，讓學(xué)生親身經(jīng)歷了科學(xué)探究過程，使學(xué)生養(yǎng)成認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)、實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度。

2 學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)教學(xué)思考

筆者在經(jīng)歷了以上學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)框架、情境問題和實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)以及實(shí)際授課后，對在學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)有以下幾點(diǎn)心得。

2.1 選擇實(shí)際情境設(shè)置問題，環(huán)環(huán)相扣助推科學(xué)探究

真實(shí)的情境有利于培養(yǎng)學(xué)生的觀察、思維和應(yīng)用能力，有利于學(xué)生養(yǎng)成良好的習(xí)慣、形成正確的價值觀和世界觀。在學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)教學(xué)中教師創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，設(shè)置問題，避免了枯燥乏味的分析研究，通過實(shí)際問題一步步將學(xué)生引導(dǎo)到預(yù)設(shè)的科學(xué)探究流程中來。整個實(shí)驗(yàn)教學(xué)圍繞實(shí)際情境，展開“提出問題——設(shè)計(jì)方案——進(jìn)行實(shí)驗(yàn)——得出結(jié)論——解決問題”的科學(xué)探究過程，有利于培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力，養(yǎng)成勤學(xué)善思的習(xí)慣，增強(qiáng)自身的社會責(zé)任感。

2.2 變教師提醒為學(xué)生嘗試，凸顯學(xué)生本位

“老師強(qiáng)調(diào)一百遍，不如學(xué)生做一遍”，學(xué)生親身經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)問題的解決，比教師強(qiáng)調(diào)多遍注意事項(xiàng)的效果要好得多。根據(jù)“學(xué)習(xí)金字塔”理論，學(xué)生通過實(shí)踐這種主動學(xué)習(xí)方式的知識留存率比聽講這種被動學(xué)習(xí)方式高70%。把課堂還給學(xué)生，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考與動手操作的能力，凸顯學(xué)生本位，高效完成教學(xué)任務(wù)。

2.3 合理利用現(xiàn)代教學(xué)手段進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，提高實(shí)驗(yàn)效果

現(xiàn)代教學(xué)手段在物理課堂教學(xué)中應(yīng)用廣泛，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、Phyphox等在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的表現(xiàn)十分出色。合理利用現(xiàn)代教學(xué)手段，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，將經(jīng)典的物理實(shí)驗(yàn)數(shù)字化、微小的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可視化，一方面有助于學(xué)生對實(shí)驗(yàn)流程的理解和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察，達(dá)到更好的實(shí)驗(yàn)效果；另一方面可激發(fā)學(xué)生對現(xiàn)代科技的興趣，逐漸形成投身科學(xué)研究、報(bào)效社會的內(nèi)在動力。

3 結(jié)語

基于核心素養(yǎng)的培養(yǎng)要求，學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)教學(xué)要圍繞物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任進(jìn)行精心設(shè)計(jì)，深入挖掘教材，選擇生活情境，巧妙設(shè)計(jì)教學(xué)流程，讓學(xué)生真學(xué)、真做、真探究，適當(dāng)運(yùn)用現(xiàn)代教育技術(shù)，提升實(shí)驗(yàn)效果，增加課堂趣味，將核心素養(yǎng)的培養(yǎng)落實(shí)在學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)教學(xué)和探究過程之中。