基于核心素養(yǎng)下高中物理實驗的有效教學(xué)模式

摘 要：核心素養(yǎng)是學(xué)科育人的集中體現(xiàn)，文章基于物理學(xué)科素養(yǎng)中科學(xué)思維和科學(xué)探究能力的要求，將高中物理實驗依據(jù)實驗?zāi)康姆譃閷W(xué)習(xí)儀器使用型、測量物理量型、探究規(guī)律型三類，總結(jié)出其教學(xué)流程。此流程有助于學(xué)生掌握物理實驗學(xué)習(xí)方法，培養(yǎng)進(jìn)一步學(xué)習(xí)的能力。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng);實驗教學(xué);教學(xué)模式

一、 引言

2017年普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)提出物理核心素養(yǎng)包含物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四個方面。物理學(xué)是以實驗為基礎(chǔ)的一門學(xué)科，實驗教學(xué)對培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。高中物理實驗大多按照操作者進(jìn)行分類，分為三類：教師演示實驗、學(xué)生分組實驗、課外實驗。新課標(biāo)將原來教材中許多教師演示實驗改為學(xué)生探究實驗。隨著國家對教育的投入，很多學(xué)校的學(xué)生有條件完成原來只供教師演示的實驗。

當(dāng)今社會對人才的核心能力是創(chuàng)新能力，創(chuàng)新能力需要在實踐中培養(yǎng)。新的高考評價體系明確指出高考的核心功能是立德樹人、服務(wù)選才、引導(dǎo)教學(xué)。比如2020年全國卷Ⅱ物理高考試題，第一道目的是測量加速度，第二道的實驗?zāi)康氖茄芯啃襞莸姆蔡匦郧€，都屬于測量物理量類實驗。不管實驗題如何創(chuàng)新，實驗的原理和操作方法都能在課本中找到原型。下面對2020全國卷Ⅱ的實驗題對應(yīng)的課本實驗、考查能力分析如表1。

由表1可知，為了幫助學(xué)生做好高中物理實驗題，提高學(xué)生科學(xué)探究能力，需要將高中物理實驗按照實驗?zāi)康倪M(jìn)行分類。

二、 高中物理實驗類型的分類

依據(jù)人教版高中物理教材將實驗按照目的分成三類：學(xué)習(xí)儀器使用型、測量物理量型、探究規(guī)律型。下面對人教版高中物理教材中出現(xiàn)的主要實驗分類見表2。

三、 三種類型實驗的教學(xué)流程

（一）學(xué)習(xí)儀器使用型實驗

儀器使用型實驗?zāi)康氖亲寣W(xué)生認(rèn)識儀器的構(gòu)造，了解其原理，同時學(xué)生實踐，掌握儀器的正確操作方法。該類型的實驗教學(xué)流程分為以下三步。（圖1）

第一步：接觸儀器、認(rèn)識構(gòu)造、明白原理。學(xué)生在觀察儀器和閱讀儀器使用說明的基礎(chǔ)上，理解儀器的構(gòu)造。比如在游標(biāo)卡尺的使用教學(xué)中，部分學(xué)生搞不清游標(biāo)卡尺是否需要估讀，部分學(xué)生不知道所選游標(biāo)卡尺的分度值。經(jīng)過與學(xué)生交談，發(fā)現(xiàn)這些學(xué)生大多是由于在學(xué)習(xí)過程中沒有接觸游標(biāo)卡尺，不了解其結(jié)構(gòu)。比如在10分度游標(biāo)尺的教學(xué)中，首先讓學(xué)生測量標(biāo)尺的0到10的長度，得出是9mm比其主尺的10mm差1mm，每格就差0.1mm。在此基礎(chǔ)上總結(jié)出10分度的讀數(shù)原則。采用此方法教學(xué)后，學(xué)生理解難點，很容易讀出讀數(shù)l。這里l0為標(biāo)尺0刻度前主尺的刻度數(shù)（mm），n為標(biāo)尺與主尺的對齊格子數(shù)，d為游標(biāo)卡的精度。

l=l0+n×d（1）

第二步：學(xué)習(xí)使用方法。在明白原理的基礎(chǔ)上，讓學(xué)生測量，教師記錄下學(xué)生不規(guī)范的操作步驟，然后集中討論，總結(jié)出正確的使用步驟，培養(yǎng)學(xué)生交流、反思的能力。

第三步：練習(xí)使用儀器。在此過程中，讓學(xué)生測量實物。一方面激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)物理的熱情，另一方面培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力。比如在游標(biāo)卡尺的使用中，讓學(xué)生測量一根頭發(fā)的直徑和一個杯子的深度等問題。

（二）測量物理量型實驗

這類實驗所要測量的物理量一般無法用儀器直接測量，需要通過測量與它相關(guān)的其他物理量，結(jié)合物理規(guī)律計算得出。這類實驗教學(xué)的目的主要是培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計實驗和數(shù)據(jù)處理的能力。為了達(dá)成教學(xué)目標(biāo)，該類實驗的教學(xué)流程有以下三步。（圖2）

第一步：明確原理。由于所要測量的物理量無法直接測量，因此第一步需要確定采用什么樣的方法來測量。比如用單擺來測量重力加速度實驗中，需要測量的物理量是重力加速度，但是高中階段無法用實驗儀器直接測量。但是可以根據(jù)學(xué)過的單擺的周期公式的變形式公式（2），可以通過測量出單擺的擺長l和用秒表測量出50個周期的時間t。根據(jù)公式（3）計算出周期T，再利用公式（4）計算重力加速度。

T=2πl(wèi)g（2）

T=tn（3）

g=4π2lT2（4）

第二步：設(shè)計方案、分組實驗。目的是培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計實驗和制定方案的能力。在確定實驗原理的基礎(chǔ)上，接著設(shè)計實驗方案，學(xué)生分小組完成實驗。比如用單擺測量加速度實驗中，我們在確定了需要測量的物理量是擺長l和多個周期所用的時間t后。學(xué)生設(shè)計如下實驗方案：

A. 用細(xì)線的一端穿過小球后打一個結(jié)，細(xì)線和小球構(gòu)成了一個單擺。

B. 將單擺綁在鐵架臺上后，使單擺保持豎直向下。

C. 測量單擺的擺長l：用游標(biāo)卡尺分別選三個不同方向測出小球的直徑后計算平均值d，再用直尺測出從固定點至小球上端的細(xì)線的長度，則擺長。

l=l1+d2（5）

D. 在平衡位置處放置量角器，把單擺從平衡位置拉開5°左右，讓單擺在豎直平面內(nèi)擺動，從擺球經(jīng)過平衡位置開始計為零，用秒表記下單擺50次同一速度經(jīng)過平衡位置的時間，根據(jù)公式求出周期的平均值。

E. 將測出的時間t和擺長l代入公式（3）和（4）中求出重力加速度g的值。

第三步：處理數(shù)據(jù)、分析誤差。得出實驗數(shù)據(jù)后，采用公式（3）和公式（4）計算得出g的值，也可以根據(jù)l-T2的圖像計算斜率的g值。教師引導(dǎo)學(xué)生分析誤差產(chǎn)生的原因、提出減小誤差的實驗方案或操作規(guī)范。

（三）探究規(guī)律型實驗

該類實驗教學(xué)的目的是讓學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究的過程，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。該類實驗是高中物理實驗教學(xué)的核心內(nèi)容，其教學(xué)流程有下面四個步驟。（圖3）

第一步：創(chuàng)設(shè)情境、引出問題。捷克著名教育家夸美紐斯曾說“一切知識都是從感官開始的”，學(xué)生的認(rèn)知過程是從感性到理性的過程。物理原理往往比較抽象，但原理涉及的物理現(xiàn)象有些學(xué)生早已認(rèn)識，有些比較稀奇。教師通過將精心創(chuàng)設(shè)的情境展示給學(xué)生，引起他們的好奇心，喚醒他們原有的認(rèn)知基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上提出問題有助于激發(fā)學(xué)生的探究熱情。

第二步：提出假設(shè)、設(shè)計方案。物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)過程中，物理學(xué)家創(chuàng)造性的假說發(fā)揮了十分重要的作用。針對教師提出的問題，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合自己的生活經(jīng)驗給出假說。教師進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實驗方案來驗證自己的假說是否正確。比如探究導(dǎo)體電阻與其影響因素之間的定量關(guān)系實驗教學(xué)中，學(xué)生猜想導(dǎo)體的電阻可能與橫截面積、長度、導(dǎo)體的材料和外界的溫度有關(guān)。教師引導(dǎo)學(xué)生采用控制變量法設(shè)計實驗方案來驗證自己的假說。

第三步：設(shè)計實驗、記錄結(jié)果。巧妙地設(shè)計實驗是發(fā)現(xiàn)規(guī)律的關(guān)鍵。比如在電磁感應(yīng)規(guī)律的發(fā)現(xiàn)過程中，物理學(xué)家奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)之后，包括奧斯特在內(nèi)的很多物理學(xué)家都在思考磁能不能生電的問題，但他們都沒有設(shè)計出實驗來驗證自己的猜想，法拉第不懈地努力設(shè)計出了實驗方案，發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象。因此設(shè)計實驗過程可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維能力。

第四步：分析數(shù)據(jù)、得出結(jié)論。規(guī)律就像沙堆中的鉆石一樣埋藏在數(shù)據(jù)中，需要明銳的洞察力去發(fā)現(xiàn)。比如我們在探究加速度與質(zhì)量、受力的關(guān)系實驗中，為了得出加速度與質(zhì)量的關(guān)系。需要引導(dǎo)學(xué)生畫a-m圖像、a-m2圖像和a-l/m圖像等，最終發(fā)現(xiàn)a-l/m圖像是一條直線后得出結(jié)論。

三、 小結(jié)

高中物理實驗教學(xué)有助于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力，文章基于高中物理學(xué)科素養(yǎng)，對人教版物理教材中的主要實驗按照實驗?zāi)康姆譃槿?，總結(jié)出每一類的教學(xué)流程?？梢詾榍嗄晡锢斫處熖峁﹨⒖?，也可以幫助學(xué)生掌握物理實驗的學(xué)習(xí)方法，發(fā)展終生學(xué)習(xí)的能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]柴秀芹.基于核心素養(yǎng)的高中物理實驗課教學(xué)[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2017（5）.

[2]金加團(tuán).基于核心素養(yǎng)的高中物理實驗教學(xué)的創(chuàng)新和實踐[J].中學(xué)物理，2016（10）.

作者簡介：

趙剛，甘肅省慶陽市，北京師范大學(xué)慶陽附屬學(xué)校。