以核心素養為導向，構建學生物理實驗學習新模式

潘有鋒

摘要：初中《物理》課程是一門以實驗為基礎，在教學實踐中，構建起行之有效的物理實驗課堂教學，對培養學生核心素養具有重要意義。

關鍵詞：實驗教學;教學手段;核心素養

中圖分類號：A 文獻標識碼：A

引言

近年來物理實驗的教學發展停滯不前，方式陳舊，學生甚至直接觀看實驗視頻寫結論。教師應該著手讓學生認識物理實驗課的重要性，采取創新的教學手段，讓學生親自進行實驗，主動解決問題，培養學生的核心素養。

一、物理實驗教學遇到的問題及解決思路

近年來，國家在基礎教育調配了足夠的資源進行改良與發展，逐步發展出一條適合國情的教育道路，在物理教學領域中也是有了長足的發展，引導學生進行自主學習，讓學生成為學習的主人，讓學生有充分的學習時間掌握基本的物理理念，懂得利用數學工具進行物理問題的解答[1]。

物理實驗教學是不同于基本的物理課堂教學，物理實驗教學不僅涉及物理概念的理解，還考察了學生的動手操作能力。學生們對于物理的基本概念能夠理解清晰，但一到了物理實驗操作的環節，優秀的學生一樣是無法正確地對實驗進行操作，各式各樣的問題不斷出現。更有甚者，教師為了節省物理實驗的時間，教師直接播放實驗視頻讓學生記好筆記，直接參加考試。出現這種問題的根本原因，筆者認為是學校的某部分教師對物理實驗的重視程度不足，導致學生的物理實驗操作能力培養不足，造成了“高分低能”的學生。

獅山鎮教育發展中心對于這個問題也有相關的研究，發展中心的梁剛慧主任對此提出了“學研行”的發展思路[2]。梁主任認為，“學研行”是教育組織工作的一種有機組合?！皩W”是指學習最先進的教育教學理論和最前沿的思想;“研”是指研究日常教育教學遇到的問題;“行”是指行動研究。梁主任的“學研行”對于筆者的這個課題研究提供了一種新的研究思路，讓筆者在接下來的一年中根據這個思路進行研究改進。

在現在物理教學中，培養學生物理核心素養是重中之重，而物理是一門以實驗為基礎的學科，物理實驗對學生核心素養的構建就顯得尤為重要。物理的核心素養分別是：一是物理觀念;二是科學的思維;三是實驗探究能力;四是科學態度與責任。參照初中物理課程標準，筆者計劃用物理實驗課程讓學生通過觀察、操作、體驗等方式，經理科學探究過程，親自動手完成實驗，認識物理概念和規律，樹立正確的學習方法，形成正確的價值觀和世界觀[3]。

二、物理實驗教學的傳統模式

實驗設備不是造成初中實驗教學開展不足的客觀原因。 通過調查發現， 真正讓一線教師覺得初中物理實驗教學開展不充分的原因在于 ：

1、許多教材實驗在 實驗操作過程中很難成功，導致在課堂上不敢讓學生分組實驗。并且，能夠開展的學生分組實驗由于結論較為簡單，在實際教學活動時變成了已知 結論的驗證性實驗，無助于學生深度思維下的思維能力和實踐能力建構

2、教材中的實驗與現實教學環境脫節，導致活動流于形式。教師因為沒有方法開展也就放棄了部分實驗。此外，許多教師還覺得實驗教學資源十分匱乏，實驗教學素材單一，實驗的趣味性不足。他們也很少引導學生開展課本家庭實驗室里的課后實驗。通過對以上現狀的調查與分析 ，不難發現目前初中物理實驗存在的幾個主要問題：

（1）各地教學水平發展不均衡，部分教師因為各種條限制，研究實驗教學的積極性不高。還有部分教師目前思想還相對落后，片面追求升學率，只重視考試知識，忽略了實驗能力方面的培養。實驗課堂流于形式，教學模式單一，教學效果不理想。

（2）教師在演示實驗課上，有的時候教具不具有直觀性，往往前幾排學生能夠觀察到，后面的學生幾乎看不見任何現象。在學生分組實驗課上，老師會花一半的時間來講解實驗目的、實驗原理、實驗步驟等。外加上教師需要總結本堂課內容，故留給學生的時間往往只有十幾分鐘。有的時候根本不會去思考、去設計。以“ 探究凸透鏡成像的規律”一課為例，多數課堂中學生只能在老師的要求下，按照老師所講的步驟開始 ，得到結論。這種機械式的過程 ，使得學生以為所有實驗過程都只是流于形式而已 ， 長此以往，學生的實踐能力、創新能力并不會得到培養。這種教學方法與當代關注學生發 的素養觀念完全相悖 ，也達不到培養學生科學素養的要求。

（3）實驗課程資源與素材不均衡。目前由經濟發展的不均衡，導致各地用于實驗教學的投資差距很大。有的實驗器材無法滿足新課標要求。有的地方老師害怕學生損 害實驗器材，更別提讓學生走進實驗室開展研宄和學習了。也有一些優質學校會去優化實驗，但是卻覺得身邊資源與素材太少沒有施展的方向。

（4）實驗教學評價方式存在問題。以筆者當地為例，初三學生要進行實驗操作考試，滿分為一百分，題目分值很大，但也僅限于讓學生背一些實驗現象、實驗步驟、實驗結論而己，并不是真正的考查學生的探究能力[5]。

傳統的物理實驗教學模式為教師在課堂上單純講解物理實驗的步驟。比如在《水的沸騰》實驗中，教師在課件中只是簡單地介紹了實驗的主題，器材，簡單的實驗步驟，接下來就讓學生進行實驗，筆者在觀察的過程中，發現學生是連沸騰的基本概念都沒有弄清楚，做出來的實驗也是參差不齊，甚至有些學生連實驗步驟都沒有熟悉就直接進行實驗，實驗效果是無法保證的，而且學生對實驗基本不熟悉，初三的實驗操作考試對于學生是非常有難度的。因此，關于物理實驗教學的相關改革勢在必行。

三、物理實驗教學改革的思路

傳統的物理實驗教學模式在現在的社會已經逐步不能適應教育教學的發展，現代社會已經是信息時代。因此，物理實驗教學也必須作出適應當代社會的改變。

1、利用STEM教育理念技術結合物理實驗教學

以“學研行”為背景的物理實驗教學，教師根據培養學生物理核心素養為導向，培養學生的物理實驗操作能力，加深學生對物理概念的理解提高學生利用物理實驗得出的結論去解決實際生活問題，讓學生達到學懂會用，學以致用的效果。利用是STEM（科學（Science）、技術（Technology）、工程 （Engineering） 和數學（Mathematics） 四門學科的簡稱）， 強調多學科的交叉融合更為鞏固學生科學的物理觀念，通過探究合作學習的方式，提高學生知識遷移的能力，提升學生的物理實驗操作能力的核心素養。下面是教師給學生一節《探究水的沸騰》實驗的過程：

《探究水的沸騰》教學設計

（1）教學目標

1.知道汽化的種類，沸騰的具體內涵，能夠是液體達到沸騰的狀態。

2.通過對演示視頻的分析討論，讓學生完成《水的沸騰》的實驗，了解沸騰的條件以及沸騰過程，了解液體沸騰的實際應用與液體沸騰與氣壓的關系。

3.初步認識液體沸騰對人類生活的影響，初步建立不同液體之間的沸點差異，認識氣體與固體是否具有沸點的問題意識，培養學生探究物理問題的好奇心。

（2）教學重難、點

1.液體的沸騰以及條件，液體沸騰實驗。

2.不同液體的沸點差異以及原因，液體沸點與氣壓的關系。

（3）教學過程

環節一：基礎講授，學生自主學習

[教師]教師根據學生課前預習簡單介紹《水的沸騰》實驗的原理，器材，注意的事項，實驗的步驟，播放相關的實驗視頻。

[學生]學生觀看完視頻后，根據實驗的步驟認真細致地完成實驗，觀察實驗現象，得出相應的實驗結論以及液體沸騰的條件。

環節二：合作探究

[教師]我們生活中會遇到很多的液體沸騰：

第一種情況：現在請同學們5人一個小組，共兩個小組。第一組觀察當酒精燈火焰慢一些，水的沸騰情況;第二小組觀察當酒精燈的火焰猛一些，水的沸騰情況。

第二種情況：另外三個小組，三個小組分別探究酒精，汽油，煤油的沸點。觀察三種液體的沸點溫度差異。

第三種情況：一小組教學樓頂樓的環境進行實驗，觀察水沸騰的溫度。

[學生]學生活動：學生分為小組討論，充分討論后進行實驗。

[教師]教師活動：教師巡視課室，為學生解答實驗過程的困難和問題。

環節三：分享交流

[學生]學生活動：第一第二兩個小組分別向教師展示了水在酒精燈的火焰猛一些時沸騰時間快一些。

第三第四第五小組分別展示了酒精，汽油，煤油的沸點為78℃，120℃，150℃

第六小組向教師展示了水的溫度低于100℃.

[教師]教師活動：針對學生的設計成果給出建議和評價，讓學生對實驗的設計提出合理化建議，為下一課時做好準備。

環節三：總結強化

學生總結實驗中的注意事項，教師可以進行補充，聯系生活實際講述液體沸騰在生活中的應用。

（4）小結

以STEM教學方法為引導，教師將沸騰實驗過程中的各種出現的情況與學生進行了探討，實驗過程中將科學，技術，生活經驗等多方面的知識有機融合。在這種物理實驗教學模式，能夠有效地激發學生實驗探究的興趣，培養學生物理概念以及物理實驗操作能力的有機結合。發展學生的邏輯思維并改善了學生當前物理教學存在的問題。將STEM教育理念融于物理實驗課中，有很大程度上提高了物理教學的趣味性，提高相應的教學效果。

2、利用物理實驗課APP優化初中物理實驗教學

踏入21世紀，科技讓教育理念，教學模式的內容愈加豐富，傳統的物理教學模式只限于線下教學，對于學習能力不足的學生來說顯然是不足以對物理實驗知識的掌握。同時，傳統物理實驗教學模式內容枯燥單一，學生參與興致不高，部分學生進入實驗甚至不動手進行實驗，教學質量與效率不高。

傳統物理實驗教學模式經過多年的發展，其體系已經相當完備，學生上實驗課已經有一個完備的流程。但這會導致學生在進行實驗課時對實驗只是簡單的重復動作，靠著教材提供的參考數據進行推算，機械得出實驗結論，學生也無需查閱相關資料，無需對實驗過程進行思考。學生受到這種方式的影響，會導致學生的創造性越來越弱。這會導致學生對于實驗課的熱情越來越低。不利于實驗教學的開展。

（1）以核心素養為導向，探究物理實驗應用程序對物理實驗學習的好處

筆者查閱相關資料，筆者認為，學生應當具有的物理核心素養有：1.物理觀念;2.科學思維;3.實驗的探究能力;4.科學的態度與責任。當學生使用物理實驗應用程序時，根據老師的指引，學生在實驗應用程序中需要從生活現象中去探究與并認識物理規律。從而讓學生在實際生活中熟悉相應的物理概念，形成初步的科學思維。通過物理實驗應用程序的學習和上機操作，對學生的實驗操作能力有一個更高的水平提升。同時學生們也可以在物理實驗課堂中模擬生活情景，讓學生在實驗課后懂得使用物理原理去解釋生活中的情景，用物理知識去為生活服務，提高學生的科學態度與責任。

（2）物理實驗課相關APP程序介紹

在物理實驗相關的程序中，物理實驗課APP，吃掉物理、NB仿真物理實驗室等應用程序是比較熱門的物理實驗教學的軟件。物理實驗課APP主要是基于電學實驗做基礎的，而吃掉物理主要是各個物理實驗的演示視頻，提供相關的練習供學生進行練習。而NB仿真模擬物理實驗室是基于各版本的物理課本的實驗進行改編，讓學生在任何時間都能進行實驗的操作，同時還有“自主實驗”環節，讓學生進行自主設計實驗，增加軟件的趣味性和操作性。

（3）物理實驗應用程序簡介：

1.操作簡單，學生在軟件的操作中界面清晰，有“經典實驗”、“課本實驗”、“我的實驗”等功能，學生進入后即可進行操作。

2.實驗模擬元件豐富，學生可以自由進行試驗。“NB仿真物理實驗室”向學生提供初中物理所需要的實驗器材，學生可以任意選取各種型號的實驗器材進行實驗，解決了線下實驗教學中學生對實驗器材了解不全面的問題。

3.提高實驗精度，保障實驗安全。仿真實驗室各種實驗儀器更加接近理想狀態，減小了器材與讀書帶來的誤差。另外，一些實驗具有一定危險性，在沒有教師參與的情況下，模擬實驗更安全。

（4）線上實驗教學的必要性

當今社會教育正面向信息化與現代化，學生在家也能夠享受相應的教育資源，尤其現在疫情的背景下，所有教育單位都要準備著線上教學。因此，線上物理實驗教育應用程序就顯得很有必要了。

3、利用物理實驗應用程序進行實驗教學[4]

（1）學情分析與教材分析

筆者通過比對，經過考慮后選取八年級物理《阿基米德》原理實驗作為研究的內容。這一節課的內容結合學生之前學習浮力的基礎知識點，又為后面學習阿基米德數學表達式提供實驗的理論支持，因此，《阿基米德》實驗起到了承上啟下的作用。

（2）教學目標

物理是以實驗為基礎的科學，初中物理實驗教學要以觀察、實驗為基礎，掌握初步的知識和應用，培養學生的學習興趣和習慣。在這個背景下，筆者《阿基米德》原理的實驗設計了以應用程序為主要教學手段的課程，目的是為了在疫情的條件下把實驗課程的影響減到最低，使得學生在居住地也能按照物理課程標準的實驗要求去進行實驗課，提高學生的應變能力與實驗操作能力。《阿基米德》原理實驗驗證設計的教學方案如下：

（3）知識與技能

（1）阿基米德原理的目的、方法和結論;

（2）理解阿基米德原理的內容;

（3）運用物理教學實驗軟件進行模擬實驗操作。

（4）教學重難點

（1）阿基米德實驗的操作與結論;

（2）運用軟件對阿基米德實驗進行操作。

（5）物理實驗教學的新思考

筆者疫情環境下對學生的學習作了一番深入的了解，2019年新冠肺炎疫情在中國爆發，在有關部門的指揮下，所有活動必須暫停。教育活動也暫停了線下課程，所有學生必須要在線上進行學習上課。因此，老師在上物理實驗課的時候就必須要改變，讓各位學物理實驗應用程序進行學習，爭取取得與線下教學一樣的效果。

（6）教學過程

通過電腦軟件的配液，讓學生了解物理實驗轉化為實際技術應用，進一步提高學生對科學技術知識和學生將物理實驗應用與實際生活相結合的應用化。

1.創設情境，引入新課

教師在PPT的錄像上指導將空易拉罐慢慢按入水中，學生在家里跟著老師的步伐進行，教師在電腦上可以進行詢問：易拉罐浸入液體的體積越大，手受到易拉罐的浮力越大，同時，指導學生測量易拉罐浸入的體積與排出液體的體積，觀察是否相等。

[教師]在PPT上提問：易拉罐浸入液體時，力越大，排開的液體也越多，讓學生進行猜想。

[學生]學生回答物體浸入液體的體積，與物體排開液體的體積相等。

[教師]教師打開物理實驗應用程序，進入“阿基米德”實驗程序。各位學生在各自的電腦上開始進行操作。

2.分析與論證

[教師]教師要指導學生進行軟件操作，收集數據，進行數據處理、分析，從而讓學生得出結論。同時要讓學生小組之間進行討論交流，分析實驗結論的可靠性，在此過程中學會交流、合作。

[學生]得出結論：浸沒在液體中的物體受到液體______的浮力，浮力的大小等于______，這就是阿基米德原理，其數學表達式是? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?，這個定律適用于液體和______.

3.深化理解

[教師]為了加深學生對阿基米德原理的理解，我又設計了幾個問題：

a物體浸沒入水中越深，浮力是否越大？

b漂在液面上的物體受到的浮力可以用阿基米德原理解決嗎？[設計意圖：這兩項內容都可以通過實驗解決。從而證明同學們的有些猜想如浮力與浸沒的深度、物體的密度是無關的。]

（7）應用程序進行物理實驗教學的評價

1.增強學生參與程度

在本實驗中，學生可以在網絡平臺的學習中獨立操作實驗。在線下教學中，由于實驗設備陳舊，實驗操作不規范，實驗效果往往較差。但是，使用該軟件后，學生可以積極參與實驗，使學生形成對知識的認知，讓學習者充當知識的探索者和發現者，給學生更多的思考時間和空間，完成知識的主動建構。

2.培養了學生的探究能力

學生在應用程序上充分體現了對實驗器材的了解以及其使用方法。使學生探究實驗的方法更多元化，而且還能讓學生隨時隨地都能進行實驗，對于物理實驗的復習考試是非常有效的。

3.提高教學效率

利用應用程序進行物理實驗教學，可以使物理實驗的教學過程更流暢，因為學生不需要對實驗器材進行誤差的分析，學生進行實驗時可以得到精確的數據。因此，該方法從一定程度上提高了教學的效率。

四、課題總結

本文在初中物理實驗教學領域中探索了兩種當今教育理論比較新穎的實驗模式：利用STEM模式進行教學和利用計算機應用程序進行實驗教學。兩種實驗教學模式對當前的教育改革實踐都有參考的意義。然而筆者的實踐對象只是某市的一所初中學生，加上學生人數約100人，樣本數量比較小。而且筆者還有大量的教學工作完成，因此，論文的成果的不足之處在所難免。筆者希望在以后的學習工作中能夠進一步多探索更多的物理實驗教學模式，豐富物理實驗教學得新模式。

參考文獻

[1]梁剛慧.學研行，三位一體，點亮獅山教育未來.教育家

[2]羅倩.STEM教育理念下初中物理實驗教學初探--以自制簡易密度計為例。教育科學論壇2019，第8期.

[3]張富英.初中物理實驗教學中培養學生學科核心素養的策略.教育探索.2020，29-30.

[4]王麗婷.基于虛擬仿真的中學電學實驗的案例開發.南京師范大學，2020.6.8.

[5]朱杰.新課程背景下初中物理實驗的優化與實踐.2019.05