核心素養(yǎng)下高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改進(jìn)和創(chuàng)新

陳棟強(qiáng)

[內(nèi)容摘要]物理是一門(mén)實(shí)驗(yàn)學(xué)科，遠(yuǎn)到伽利略，近到丁肇中，無(wú)一不是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)才能推動(dòng)物理學(xué)科的前進(jìn)和發(fā)展。“實(shí)驗(yàn)”一直是物理的代名詞，核心素養(yǎng)下，通過(guò)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)和創(chuàng)新，使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中感受物理學(xué)科的魅力，促進(jìn)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞： 核心素養(yǎng)? ?高中物理實(shí)驗(yàn)? ?改進(jìn)和創(chuàng)新

中圖分類(lèi)號(hào)：G4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

一、問(wèn)題的提出

物理學(xué)科的核心素養(yǎng)包括：物理觀(guān)念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。而實(shí)驗(yàn)作為一個(gè)載體，能在多方面促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展，實(shí)驗(yàn)教學(xué)就顯得至關(guān)重要。一個(gè)完整的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，能提高學(xué)生的分析綜合、推論論證能力;能讓學(xué)生區(qū)進(jìn)行假設(shè)與猜想，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并獲取和處理信息，基于證據(jù)得出結(jié)論和對(duì)結(jié)果分析、反思和質(zhì)疑。還能讓學(xué)生對(duì)科學(xué)和技術(shù)有正確的態(tài)度和責(zé)任感。

但想要真正的把實(shí)驗(yàn)教學(xué)做好，教師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中還有很多方面需要進(jìn)一步優(yōu)化，筆者在十幾年的物理教學(xué)過(guò)程中，總結(jié)出以下三個(gè)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中比較典型的問(wèn)題：

1.物理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的單調(diào)

情境1：必修1的第三章《摩擦力》中對(duì)滑動(dòng)摩擦力f的大小研究，教材中表述的“通過(guò)進(jìn)一步的定量實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明滑動(dòng)摩擦力的大小跟壓力的大小成正比”，教材并沒(méi)有提供具體的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，而只是提供了一個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷氖疽鈭D，并不能讓學(xué)生“心服口服”，失去了一個(gè)提高學(xué)生核心素養(yǎng)的機(jī)會(huì)。

分析：對(duì)于教材上的一句話(huà)，一段文字，教師的選擇會(huì)影響學(xué)生對(duì)該知識(shí)的掌握，也決定了科學(xué)探究這一核心素養(yǎng)的主要內(nèi)容是否能落地。但是很多教師在處理這個(gè)問(wèn)題的時(shí)候，可能最多做個(gè)定性實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生感受到滑動(dòng)摩擦力和接觸粗糙程度、所受正壓力有關(guān)，但是實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單調(diào)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程也過(guò)于簡(jiǎn)單，很多學(xué)生在教師做之前就知道結(jié)果是怎么樣的，難以吸引學(xué)生的興趣。

2.實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的陳舊

情境2：在必修1的力學(xué)實(shí)驗(yàn)中，這個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ头浅Ｖ匾鐖D1，該裝置很多實(shí)驗(yàn)都可用，比如：探究小車(chē)速度隨時(shí)間變化的規(guī)律，探究小車(chē)加速度與質(zhì)量、力的關(guān)系，探究做功與物體速度變化關(guān)系，驗(yàn)證機(jī)械能守恒等等。但是學(xué)生經(jīng)常會(huì)被“是否要平衡摩擦力”“小車(chē)質(zhì)量是否要遠(yuǎn)大于懸掛物的質(zhì)量”這兩個(gè)問(wèn)題所難倒。甚至連“怎么平衡摩擦力”“是否每次改變質(zhì)量都需要重新平衡摩擦力”等問(wèn)題也會(huì)犯難。

分析：教師的演示實(shí)驗(yàn)只是教師在臺(tái)上講和做，學(xué)生在臺(tái)下看，誠(chéng)然這樣做能使學(xué)生獲得一定的感性認(rèn)識(shí)，但根本無(wú)法替代學(xué)生的自身活動(dòng)，觀(guān)察能力、獨(dú)立思維能力和探索能力的培養(yǎng)形同虛設(shè)。學(xué)生實(shí)驗(yàn)也大多當(dāng)作了驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，探究性成分和自我設(shè)計(jì)成分幾乎沒(méi)有。在實(shí)驗(yàn)安排上，章節(jié)獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)多，綜合性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)少，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容范圍窄，與生活及生產(chǎn)實(shí)際結(jié)合得不夠緊密。

3.實(shí)驗(yàn)教學(xué)變味

由于部分物理教師的實(shí)驗(yàn)心和責(zé)任感不足，實(shí)驗(yàn)意識(shí)較低，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)不夠重視，雖然實(shí)驗(yàn)器材不足是客觀(guān)原因，但現(xiàn)有器材未充分利用，有些教師甚至連教材中安排的學(xué)生實(shí)驗(yàn)都不做，直接“在黑板上講實(shí)驗(yàn)”，學(xué)生“用復(fù)習(xí)資料背實(shí)驗(yàn)”。更有甚者，利用多媒體實(shí)驗(yàn)，即學(xué)生通過(guò)投影、多媒體等“看實(shí)驗(yàn)”，甚至還未做過(guò)實(shí)驗(yàn)，就讓學(xué)生用筆去“做實(shí)驗(yàn)”，直接把原理、步驟、數(shù)據(jù)處理等全部用文字灌輸，學(xué)生在這種模式下更不不清楚為什么要做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，為什么要這樣設(shè)計(jì)，為什么要這樣處理數(shù)據(jù)，實(shí)際操作過(guò)程會(huì)出現(xiàn)什么問(wèn)題等等，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)在“應(yīng)試”的泥潭里越陷越深。

二、實(shí)踐與探究

1.增加接近生活的實(shí)驗(yàn)案例，提升學(xué)生對(duì)物理實(shí)驗(yàn)的探究欲望

案例1：在電磁感應(yīng)的應(yīng)用中，渦流是比較抽象的一種現(xiàn)象，為了讓實(shí)驗(yàn)更加貼近生活，提高學(xué)生對(duì)渦流的印象和原理的理解，教師在上課的時(shí)候可以將電磁爐搬到教室進(jìn)行授課。步驟1：將一只鐵碗放置在電磁爐上面，觀(guān)察里面的水的情況（可以看熱氣），同時(shí)邊上放置一個(gè)塑料碗，看看里面的水的情況（可以用手指試溫，提升學(xué)生的興趣），然后讓同學(xué)思考原因，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，提出假設(shè)。步驟2：拆開(kāi)電磁爐，觀(guān)察里面的構(gòu)造，思考為什么能加熱，利用的是什么原理，熱的是電磁爐的表面還是鐵碗本身。步驟3：增加一些趣味的拓展，比如用電磁爐使小燈泡發(fā)光，甚至給手機(jī)充電等。

這樣接近生活的實(shí)驗(yàn)案例，可以有效的提升學(xué)生的探究欲望，從而增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究意識(shí)，促使學(xué)生在學(xué)習(xí)和日常生活中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出合理猜測(cè)與假設(shè)。

2.定性改定量，增加學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究機(jī)會(huì)，提升實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)能力，增強(qiáng)證? ?據(jù)獲取意識(shí)和能力。

案例2： 在滑動(dòng)摩擦力的大小這個(gè)問(wèn)題的研究中，教材并沒(méi)有準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)，如果加入對(duì)滑動(dòng)摩擦力大小的定量分析，有助于學(xué)生對(duì)f=μFN公式的理解和應(yīng)用。

如圖3是教材提供的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停沁@個(gè)實(shí)驗(yàn)在操作中會(huì)遇到很大的問(wèn)題。首先，拉力大小為摩擦力大小的條件是平衡條件，但是操作者沒(méi)辦法保持勻速;其次，操作者讀數(shù)會(huì)非常困難。如圖4，將彈簧測(cè)力計(jì)固定，移動(dòng)下方木板，根據(jù)受力分析，木塊不動(dòng)則處于平衡狀態(tài)，木塊所受滑動(dòng)摩擦力即為彈簧的彈力。進(jìn)一步如圖5，將圖4的彈簧測(cè)力計(jì)改成力傳感器，就可以將定性實(shí)驗(yàn)改成定量實(shí)驗(yàn)，將小木快的質(zhì)量測(cè)量出來(lái)，即為接觸面上受到的正壓力，同時(shí)，力傳感器可以記錄下每一時(shí)刻的彈力（滑動(dòng)摩擦力），并改變接觸材料，研究不同粗糙程度下的力的變化。最后可以在相同的粗糙程度和相同的壓力情況下，讓木塊的不同接觸面著地，直接觀(guān)察滑動(dòng)摩擦力的大小有無(wú)變化。如圖6，利用excel表格作圖可以得到f和FN的關(guān)系，進(jìn)而得出他們的關(guān)系。

通過(guò)將定性實(shí)驗(yàn)改成定量實(shí)驗(yàn)，增加學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究機(jī)會(huì)，提升實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)能力，增強(qiáng)證據(jù)獲取意識(shí)和能力。

3.引進(jìn)實(shí)驗(yàn)工具和手段，強(qiáng)化信息收集意識(shí)，提高實(shí)驗(yàn)興趣

案例3：在自由落體運(yùn)動(dòng)這一節(jié)中，測(cè)重物的自由落體加速度是這節(jié)課的重中之重，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中可以采取常規(guī)方法，利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打點(diǎn)后處理數(shù)據(jù)得到結(jié)論，也可以利用傳感器，利用光電門(mén)測(cè)速度后進(jìn)數(shù)據(jù)處理，還可以使用手機(jī)的APP軟件Sensor Logger，讓手機(jī)自由下落，利用手機(jī)自帶的加速度傳感器測(cè)量手機(jī)在下落過(guò)程中的加速度。

在這實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，不光使用了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)工具測(cè)量，還利用了傳感器和光電門(mén)、手機(jī)等工具，強(qiáng)化了學(xué)生信息收集的意識(shí)，提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣。

4.充分利用實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析實(shí)際問(wèn)題，增強(qiáng)質(zhì)疑意識(shí)

案例5：在《重力和彈力》這一節(jié)中，有一個(gè)學(xué)生實(shí)驗(yàn)：探究彈力大小和生長(zhǎng)量之間的關(guān)系。人們很容易形成一個(gè)認(rèn)識(shí)：彈簧的彈力是和它的形變量成正比額。這時(shí)教師可以拿出一根橡皮筋，通過(guò)對(duì)剛才的結(jié)論：彈簧的彈力是和形變量成正比的，那么橡皮筋的拉力和形變量成正比嗎？因?yàn)橄鹌そ詈蛷椈梢粯泳哂泻艽蟮男巫兎龋硗?，和鐵絲一樣，在受力后所產(chǎn)生的形變屬于“拉伸”形變，所以學(xué)生基本認(rèn)為橡皮筋的拉力和形變量成正比。然而，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的思考和理性分析，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)上述猜想提出質(zhì)疑——鐵絲的拉力為什么和形變量成正比，引導(dǎo)學(xué)生去探索背后的原因——因?yàn)殍F絲受不同拉力時(shí)，橫截面積基本沒(méi)變，那么就可以認(rèn)為拉力大小的改變引起了長(zhǎng)度的改變。但是橡皮筋一旦受到拉力，橫截面積會(huì)有顯著的變化，當(dāng)拉伸量巨大時(shí)，橫截面積減小，這時(shí)單位橫截面積的受力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原來(lái)的。接下去就是讓學(xué)生進(jìn)行方案的設(shè)計(jì)和操作，并最后得出結(jié)論。

通過(guò)這個(gè)案例，啟發(fā)學(xué)生用學(xué)過(guò)的的物理知識(shí)觀(guān)察周?chē)奈锢憩F(xiàn)象，增強(qiáng)對(duì)物理規(guī)律應(yīng)用的敏感性，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)經(jīng)驗(yàn)性結(jié)論進(jìn)行質(zhì)疑的能力，增強(qiáng)其反思意識(shí)，激發(fā)學(xué)生以物理學(xué)視角觀(guān)察周?chē)澜绲臒崆椤?/p>

5.充分利用教師的主導(dǎo)作用，增強(qiáng)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究方案和獲取證據(jù)的能力

案例6：在恒定電流章節(jié)中，比較重要的實(shí)驗(yàn)就是利用電路的連接去測(cè)量一些物理量，特別是其中有兩種測(cè)電阻的接法——“分壓式”和“限流式”，首先教學(xué)中利用“引導(dǎo)式”教學(xué)方法，想要測(cè)量一個(gè)電阻的阻值，需要哪些儀器，這些儀器需要怎么連接？讓學(xué)生設(shè)計(jì)測(cè)量阻值的電路圖，然后連接電路去進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的測(cè)量，并得出數(shù)據(jù)，如圖8。

此時(shí)引導(dǎo)學(xué)生，我們通過(guò)剛才的實(shí)驗(yàn)確實(shí)得出了結(jié)論，但是在1.2V之前是沒(méi)有數(shù)據(jù)的的，那么我們?cè)趺礃涌梢宰寽y(cè)量的范圍更大一點(diǎn)，讓結(jié)論更具有說(shuō)服力？繼續(xù)讓學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，在學(xué)生遇到困難的時(shí)候教師給予適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)，最終得出另一種接法如圖9。通過(guò)這次實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能充分體會(huì)到分壓式的優(yōu)勢(shì)，以及它適用的范圍。從掌握的角度上講，效率更高。

教師通過(guò)“問(wèn)題導(dǎo)引式”教學(xué)改變實(shí)驗(yàn)的主體，并不是教師灌下去，而是學(xué)生自己去思考解決問(wèn)題的方法，在引導(dǎo)過(guò)程中，要注意循序漸進(jìn)，能讓學(xué)生感受到問(wèn)題解決的過(guò)程，和解決問(wèn)題之后的滿(mǎn)足感和自豪感，增強(qiáng)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究方案和獲取證據(jù)的能力。

通過(guò)增加接近生活的實(shí)驗(yàn)案例，引進(jìn)實(shí)驗(yàn)工具和手段，使實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不再單調(diào);通過(guò)將定性實(shí)驗(yàn)改成定量實(shí)驗(yàn)，改進(jìn)陳舊的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?通過(guò)質(zhì)疑實(shí)驗(yàn)結(jié)果在生產(chǎn)生活的解釋和教師的問(wèn)題引導(dǎo)式教法來(lái)增加學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究機(jī)會(huì)，提升實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)能力，增強(qiáng)證據(jù)獲取意識(shí)和能力，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)不再變味。

參考文獻(xiàn)

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