核心素養視域下自制教具的教學功能拓展

裴兆洋 陳伊凡

摘? ? 要：物理實驗不僅是物理學的基礎，更是物理學發展的基本動力.教師要創新實驗方案，并開發出相應的自制教具，與傳統儀器進行優勢互補，再根據不同層次學生的認知規律，優化教學過程，全面提升學生的學科核心素養.

關鍵詞：實驗教學;自制教具;核心素養

核心素養是指學生應具備的適應終身發展和社會發展需要的必備品格和關鍵能力[1].物理學科的核心素養包括物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任.物理實驗教學對培養物理核心素養作用顯著，通過實驗探究，可以更好地揭示物理規律的本質，有助于學生物理觀念的形成和科學思維能力的培養，發展科學態度與責任.因此，在課堂上要盡可能地發揮實驗教學的效果，將培養學生核心素養貫穿于教學始終，使物理教學過程成為學生核心素養的形成過程.

下面就以筆者自主設計并制作的3套物理教具為例，展現自制教具在優化教學效果與踐行素養教學上的功能拓展.

一、創設情境、激發興趣，促進科學探究

興趣是學好物理的前提，是學生追求真理的動力和源泉.只有當學生興趣盎然之時，才會變被動的“要我學”為主動的“我要學”.而科學探究是物理學科核心素養的重要內容.因此，教師要努力將枯燥的理論知識變得生動有趣，充分調動學生的科學探究欲望，使學生在思想和情感上產生共鳴.自制教具可以創設情境、激發興趣，促進科學探究，提升物理核心素養.

案例1? ?在靜電場的第一節《電荷及其守恒定律》的新課引入環節，筆者利用自制實驗教具“靜電感應小馬達”（圖1），巧設問題情境，激發學生興趣，落實本課核心目標的動態達成.

【問題呈現】 電場看不見、摸不著，但客觀存在. “場”這一物理模型在初學時不易接受，原因在于它非常抽象.而電場概念的建立對靜電場后續知識的學習至關重要，本節課作為學習靜電場有關內容的第一節課，教學效果的好壞將直接影響學生對靜電場的學習興趣.筆者仔細分析課本的相關演示實驗（圖2）[2]，其探究過程循序深入，能較好地開發學生的思維能力，實驗現象也較明顯，但更適合在課堂教學的中間環節逐一分析三種起電方式，獨立呈現，且趣味性和直觀性相對缺乏.

【案例分析與評價】如圖3所示，先將插入杯底中心的大頭針針尖放在鉛筆上端，使杯子懸空，然后在圖3指定區域用毛皮摩擦PVC管，使PVC管帶上負電荷.根據靜電感應原理，圖3左側回形針靠近PVC管端感應出正電荷、遠端感應出負電荷;同時，靠近PVC管一側的鋁箔紙也會感應出正電荷、右側（遠端）感應出負電荷，又根據接觸起電原理，右側的回形針便帶上了負電荷.由于兩側回形針的尖端靠近塑料杯，且都帶上負電荷，又會使杯上的鋁箔條發生靜電感應，兩側靜電力同時作用，塑料杯飛速旋轉起來.

“靜電感應小馬達”可以將三種起電方式融為一體，在新課導入時針對性強、設置懸念效果佳，能成功吸引學生的注意力.學生先從有趣的實驗現象中發現問題、提出猜想與假設，再運用已有知識制訂探究計劃，獲取有用信息，最后根據本節課掌握的知識，基于證據得出結論，并解釋與交流，這樣能較好地培養學生科學探究的能力.在具體的問題情境中，學生帶著疑惑去聽課、思索，也有利于激發他們進行科學探究的興趣.同時，該教具取材方便，制作簡便，可鼓勵有興趣的學生課后組隊參與制作，培養他們的團隊精神、交流表達能力以及創新意識.

二、直觀呈現、感觀體驗，形成科學態度與責任

教材中的很多知識都源于生活，但學生未必都注意到生活中的這些現象，即使留意過，也不一定想到要從物理角度去分析.教師不能簡單舉個生活中的實例，再加以解釋，讓學生粗淺掌握該知識點.倘若通過自制教具直觀呈現，讓學生能夠有感官的體驗，這樣有利于學生感悟物理原理，認識物理現象的科學本質，從科學態度與責任方面提升物理核心素養.

案例2? ?在《波的干涉》一節的教學中，筆者想讓學生有一個真實的體驗過程，將抽象的概念變得具體形象，設計了一款教具“繩駐波快速演示儀”（圖4）.

【問題呈現】 課本先給出繩波的疊加演示實驗（圖5），再引入水波的干涉演示實驗（圖6）[3].前者演示需一根較長的繩子，課堂上直接演示不太方便，教師一般會選擇播放一段視頻或動畫模擬，這樣學生缺乏直觀的體驗;后者演示需用到發波水槽，在演示時水槽是放在講臺平面上，與下面學生的視線幾乎平行，如果選擇實物展臺投影，畫質又會降低很多，影響實際觀察效果，可視性較差.

【案例分析與評價】 如圖4所示，輕繩一端拴在起振器振軸上，另一端拴在拉環上，手指扣住拉環使輕繩繃緊，啟動起振器電源，振軸帶動輕繩振動，當振動形式傳到拉環端便形成反射波.而繩上“駐波”是入射波和反射波頻率相同、傳播方向相反，經疊加后形成的，屬于波的干涉.通過手對拉環作用力大小的改變影響起振點受到的阻力，從而改變振動頻率，在某些位置出現波腹（加強區），在另一些位置出現波節（減弱區），而且波節和波腹的位置始終不變，給人“駐立不動”的印象，這便形成穩定的駐波（圖7）.

課堂教學應提高學生的認知水平，要讓學生知其所以然，本課教學目標是要求學生理解疊加與干涉的本質.該教具可以讓學生親自動手體驗（振感強烈），并將眼、手、耳、腦綜合運用，激起學生的好奇心與求知欲.學生通過具體直觀的現象，深刻體會波的干涉是波疊加的結果，振動加強和減弱是指振幅的加強和減弱，振動加強區（波腹）和振動減弱區（波節）具有穩定性，真正達到認識干涉現象科學本質的目的.水波蕩漾在生活中很常見，其背后竟蘊含著深邃的科學原理，使學生進一步感受科學、技術、社會、環境之間的內在聯系，形成探索自然的內在動力，養成嚴謹認真、實事求是的科學態度，并且具有保護環境的責任感.

三、由淺入深、學科融合，培養科學思維

科學思維是物理核心素養的核心內容，教學過程利用自制教具可以做到由淺入深、學科融合，培養學生的科學思維.學生探索物理規律應是一個循序漸進，從感性到理性的過程.教學中應抓住學生的認知特點，由淺入深，層層遞進，適時將知識點進行橫向延伸和縱向拓展，進而可跨學科遷移，以體現STEAM教育多學科融合的理念.在這一過程中，教師通過有意啟發，強化學生的思維能力、建模與分析推理能力，同時鼓勵學生敢于質疑和批判，并大膽追求創新，達成培養學生科學思維的意愿.

案例3? ?在學生實驗《探究感應電流的產生條件》教學中，筆者想通過演示課本上的常規實驗（圖8）[4]啟迪學生，學以致用，并拓寬知識的深度與廣度.筆者設計了教具“高靈敏”電磁感應線圈（圖9），在學生常規實驗后展示，拋磚引玉.

【問題呈現】 教師一般會帶學生到實驗室做這個實驗，并引導學生根據課本上的實驗設計思路，再結合實驗手冊的相關要求，完成該實驗的基本探究過程，最后交流討論，得出實驗結論.這樣的教學并沒有錯，但筆者認為缺乏對知識的遷移，不利于挖掘知識的深度，不利于鍛煉學生的思維能力.而新課程理念倡導要變“教教材”為“用教材教”，以此呼喚教師結合教學實際對教材知識點進行創造性的使用[5].

【案例分析與評價】 為了突破關鍵知識，學會靈活運用，對本實驗的知識點應適當進行拓展性研究.“高靈敏”電磁感應線圈的制作可以打開學生創意的靈感和思維的源泉，讓學生感受到原來這節課的知識還可以這樣“玩”.該裝置主要由內外兩部分構成：箱體外部為線圈（約250匝）和發光二極管;箱體內部為可控制放大電路.先將紅、綠二極管的正負極交叉并聯（紅正極接綠負極、紅負極接綠正極），再將紅綠二極管、線圈、放大電路串聯成閉合回路.當學生用普通的條形磁鐵（無須強磁）插入、拔出線圈的瞬間，產生的感應電流會使紅、綠二極管分別閃亮.

本實驗教具在功能和價值上有如下優點：

①無須再用導線連接電路，攜帶方便，操作簡易，觀賞性強，可兼顧后排學生的視線問題.

②利用二極管的單向導通性，再結合已知的繞向能直接看出線圈中感應電流的方向，為楞次定律的學習奠定基礎.

③放大電路的設計，使線圈中產生的微弱感應電流放大效果非常明顯，成功激發二極管.

④將二極管、電磁感應以及通用技術里的放大電路相結合，多點銜接，發散思維.

⑤稍加修改，該教具還可以延伸到研究電容器的充放電、小型交流發電機的電流方向等.

該教具充分調動學生的想象力，引導學生學會對比分析，進而建構物理模型，并在觀察、實驗的基礎上，基于已有證據，加之必要的推理論證，最終形成結論，由此培養學生的科學思維，讓學生切身感悟物理的魅力.

實踐表明，當學生置身于具體的問題情境之中，即使思索后暫時得不出結論，也會有所領悟，而這種領悟對思維能力的提高至關重要.實驗的創新設計與教具的制作，更能引起學生的濃厚興趣，點燃他們的學習熱情，從而提升課堂教學的趣味性與實效性，促進學生核心素養的全面發展.

參考文獻：

[1]喻平.發展學生學科核心素養的教學目標與策略[J].課程·教材·教法，2017（1）：48-53.

[2]普通高中課程標準實驗教科書物理選修3-1[M].北京：人民教育出版社，2010：2-4.

[3]普通高中課程標準實驗教科書物理選修3-4[M].北京：人民教育出版社，2010：33-34.

[4]普通高中課程標準實驗教科書物理選修3-2[M].北京：人民教育出版社，2010：5-7.

[5]湯金波，黃網官.學生自主創新實驗是未來物理教學的最優途徑[J].實驗教學與儀器，2018（6）：3-6.