改進物理實驗教學 落實課程育人目標
——以“力的分解”教學為例

余耿華

(廣東省教育研究院，廣東 廣州 510375)

1 問題的提出

《普通高中物理課程標準(2017年版)》指出：學科核心素養是學科育人價值的集中體現，物理學科核心素養主要包含物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任四個方面。實驗是物理學的基礎，也是物理教學的基礎，筆者以“力的分解”教學為例，繼承傳統實驗教學中簡單、方便、直擊物理概念規律理解的優點，通過改進、創新實驗教學的細節，以達到提高學生的物理學科核心素養之目標。

2 落實物理課程育人目標的教學實踐

2.1 改進實驗教學細節，在活動中培養學生的科學態度與責任

“科學態度與責任”主要包括科學本質、科學態度、社會責任等要素，筆者結合教學案例展開探討。

2.1.1 以鄭和下西洋的壯舉引入逆風行舟課題，滲透愛國主義教育

案例：課堂引入1

傳統教學：一般以拖拉機對耙的拉力的分解引入新課，或直接從力的平行四邊形定則出發引入新課。

優點：以生活生產事例引入新課，體現了從生活走向物理的理念。

缺點：缺乏學生的現場具身體驗，很多學生沒有見過拖拉機拉耙，學生學習的積極性和求知欲不能被充分調動起來。

改進措施：以鄭和下西洋的圖片引入，以問題引導學生學習：在大海中航行，難免會遇到逆風，當時船的動力往往不足，怎么辦？

改進意圖：傳統教學中一般將逆風行舟作為力的分解應用拓展，我們將這個實驗前置作為課堂引入，展現鄭和下西洋的壯舉，提升學生的民族自信心和自豪感，激發其愛國主義情感。

2.1.2 調整實驗演示順序，激發學生好奇心和求知欲

案例：課堂引入2

改進措施：引入逆風行舟實驗，以問題引導學生猜想、觀察、解釋。實驗教學過程如下：(1) 如圖1所示，實驗器材有：光滑導軌、小車(模擬船)、帆(用一次性筷子和PVC板制作)、大功率吹風機。請學生觀察、思考、討論,提出問題：在圖1中4個不同位置吹風，帆船將如何運動？(2) 學生分組探究，每組確定一個風向，然后每組選一個代表，上臺演示并驗證猜想。

圖1

改進意圖：傳統教學往往采用演示實驗的方式，先用電腦展示逆風行舟動畫，然后觀察，再解釋，演示只是起驗證的作用，強調教師的教。筆者的演示策略為：學生先猜想，再觀察，最后作出解釋，強調學生的自主學習。實驗時從不同角度吹風，實驗結果是不同的，更容易激發學生的求知欲。

2.1.3 改例題為理論探究，增加定量實驗探究，培養學生良好的科學態度和與人交往的能力

案例：從理論和實驗兩方面探究重力分解

在傳統教學中，一般通過例題應用力的分解知識，質量為m的物體放在固定的斜面上，根據力的作用效果，求解物體所受重力的兩個分力大小和方向，沒有實驗探究環節。

優點：教學簡潔，利于學生自學，利于培養學生的計算能力。

缺點：未能很好地培養學生的科學態度和交流合作能力、促進學生探究能力的提升。

改進措施：將例題改為理論探究，探究斜面上物體所受重力的兩個分力大小和方向，在此基礎上增加如圖2所示的實驗，師生一起利用力傳感器定量探究重力的兩個分力。

圖2

改進意圖：(1) 保留例題并改為理論探究重力的兩個分力，繼承教材中重視學生理論分析和計算能力培養的傳統；(2) 定量研究斜面上物體所受重力的分解，在探究實驗中有些實驗數據可能不是很完美，可以多次實驗，分析其中原因，培養學生實事求是、不畏艱難、勇于挑戰的科學態度；(3) 在定量探究實驗中，通過小組討論等環節，培養學生基于證據發表自己見解、尊重他人、主動與人合作交流的能力。

2.2 改進實驗教學細節，在探究活動中提高學生的科學探究能力

“科學探究”主要包括問題、證據、解釋、交流等要素，筆者仍應用2.1.3中的案例予以說明。

傳統教學過程如下：(1) 用實驗演示放在斜面上的物體所受重力產生的兩個效果，將小車用橡皮筋拉著放到傾斜的、較軟的塑料板上，根據觀察，得到重力的兩個效果。(2) 解析例題：定量計算放在斜面上的物體所受重力的兩個分力。(3) 利用演示實驗展示斜面上物體所受重力的兩個分力。

優點：利于學生自學和知識傳授。

缺點：未能充分體現學生的主體地位，在培養學生探究能力方面存在不足。

改進措施：利用進階問題鏈引導學生研究，教學流程如下：(1) 用實驗演示裝滿水的桶放在手推車上，教師提出問題：該桶所受的重力產生了什么效果？學生猜想：可能壓緊斜面和擋板。設計實驗方案：在手推車的斜面和擋板上分別放置海綿。獲取證據：兩海綿均被壓扁，得出結論和解釋：重力在沿斜面方向和垂直斜面方向均產生了效果，重力的分力方向分別沿斜面向下和垂直斜面向下。(2) 理論探究該重力的兩個分力大小，可得Gx=mgsinθ,Gy=mgcosθ。(3) 利用演示實驗定量探究重力的兩個分力。教師提出問題：剛才理論探究得到的重力的兩個分力是否可靠？可否用定量實驗予以證明？如何測量兩個分力大小？學生回答：可用力傳感器或彈簧測力計等進行測量，師生一起進行實驗，獲取數據，形成結論。

改進意圖：(1) 演示斜面上物體所受重力產生的效果時，改用水桶放到手推車上，觀察沿斜面和垂直斜面方向上海綿的形變，確定重力的作用效果，改進后的模型與后面定量研究的模型相同，避免學生在不同模型間轉換時產生混淆。(2) 改進后的實驗教學符合學生的認知規律，即先定性再定量、先感性再抽象、先理論探究再實驗探究。(3) 使學生經歷完整的實驗探究過程，提升其科學探究能力。

2.3 改進實驗教學細節，提高學生的科學思維能力

“科學思維”主要包括模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新等要素，筆者結合教學案例進行探討。

2.3.1 運用思維導圖顯化思維過程，提升思維品質

案例：揭秘“逆風行舟”的物理原理

改進措施：利用環環相扣的問題鏈，引導學生運用思維導圖顯化思維過程(圖3)。

圖3

改進意圖：運用任務驅動，教師設計思維進階問題鏈，學生在問題鏈的引導下揭示逆風行舟的物理原理(圖4)，學生思維的廣闊性、深刻性、邏輯性不斷得到了提升。

圖4

2.3.2 增加體驗式實驗，促進學生遷移能力和創新思維能力的發展

案例：體驗“逆風行舟”模擬實驗

改進措施：增加如圖5所示的學生分組實驗，利用直角三角板、直尺、紙、筆等，模擬逆風行舟。

圖5

改進意圖：體現杜威的“做中學”思想，學生通過具身體驗，先做后思或邊做邊思或先思后做，學生運用“力的分解”原理，研究自然界中的力學問題，做中“悟”理，促進遷移能力和創新思維能力的發展。

2.3.3 改課后練習為體驗式實驗，促進學生建模能力的發展

案例：體驗塔吊模型實驗

改進措施：(1) 先展示塔吊圖片或視頻；(2) 引導學生建模；(3) 學生分組進行塔吊實驗(圖6)，讓橡皮筋掛在手指的不同位置，感受掌心和手指所受力的不同;(4) 通過理論分析，解釋實驗現象。

圖6

改進意圖：(1) 本案例若只是作為課后練習，學生缺少從情境到建模的訓練，我們改為讓學生經歷從實際情境到建模的全過程；(2) 學生根據構建的模型，計算兩個分力大小，再根據計算結果，分析夾角變化時，理論計算結果與實際體驗到的分力效果是否相符，經歷模型驗證、修正的過程。

2.4 改進實驗教學細節，促進學生形成物理觀念

“物理觀念”主要包括物質觀、運動與相互作用觀、能量觀等要素，依靠言傳的方式進行教學，很難使學生形成物理觀念，需要學生具身體驗，凝練物理觀念。

2.4.1 通過拓展實驗，促進物理觀念的形成

案例：“一兩撥千斤”實驗

改進措施：(1) 以武俠電影中的“一兩撥千斤”視頻引起學生質疑：是真的嗎？能否用實驗驗證？(2) 創設真實情境：女孩直接用繩拉汽車，很難拉動它，而將拉汽車的繩的另一端綁在大樹上，在繩中間就可輕易地拉動汽車；(3) 安排體驗性實驗：三人拔河，學生具身體驗“一兩撥千斤”；(4) 用“力的分解”知識解釋物理現象。

改進意圖：(1) 實驗中“千斤”是指汽車，“一兩”是指女孩在中間用小力拉繩，有利于學生領悟“一兩撥千斤”中的力，促進學生形成相互作用觀念；(2) 案例采用質疑方式展開，更易引發學生的認知沖突和深度思考。

2.4.2 增加對比實驗游戲，促進物理觀念的形成

案例：關于“磨刀不誤砍柴工”的對比實驗

改進措施：(1) 古語道：“磨刀不誤砍柴工”，能否用實驗驗證？(2) 開展“磨刀不誤砍柴功”游戲比賽，利用3D打印出很鈍的和鋒利的小刀，分別用來切蘿卜，看誰切得快、切得多，體驗和觀察兩把小刀切蘿卜的過程，用“力的分解”知識予以解釋。

改進意圖：(1) 采用3D打印制作小刀，主要考慮了安全問題；(2) 通過實驗，展示效果對比反差大的物理現象，可促進學生形成物理觀念。

3 結語

筆者從改進創新實驗教學的細節入手，落實物理學科核心素養的培養目標，取得了一定成效。