物理實驗教學培養拔尖人才創新素養的探索

葉晟波 余 潘

（慈溪中學，浙江 慈溪 315300）

1 基于拔尖人才創新素養培養的物理實驗教學的提出

1.1 培養什么人是教育的首要問題

近幾年我國頻頻向創新高地發起沖鋒，在某些領域中國開始要領跑，但新時期要想在國際競爭中站穩腳跟并應對世界復雜局面挑戰，就必須依靠科技創新驅動.人才是創新的根基，創新驅動說到底是人才驅動，早在2009年，教育部就聯合中組部和財政部啟動了“基礎學科拔尖學生培養試驗計劃”（簡稱“珠峰計劃”），力圖在創新人才培養上有所突破.2018年，教育部等6部門又發布了《關于實施基礎學科拔尖學生培養計劃2.0的意見》，提出要建設一批國家青年英才培養基地，選拔培養一批基礎學科拔尖人才.2020年9月，習近平總書記在科學家座談會上強調，“要加強創新人才教育培養”，“注重培養學生創新意識和創新能力”.《普通高中物理課程標準（2017年版）2020年修訂》的課程目標要增強學生創新意識和實踐能力，［1］具有批判性思維的意識，追求科技創新.［2］綜上所述，提升學生創新素養、培養時代新人是教育的首要問題，培養拔尖人才的創新素養是國家的國策.

1.2 高中拔尖創新人才的基本特征

質疑創新是物理科學思維核心素養中最高層次的核心素養.近幾年基礎教育界積極開展創新人才的培養和實踐.筆者通過文獻綜述和課題研究，結合創新素養教育實踐，總結出高中拔尖創新人才應具有的基本特征：有健康的創新人格；有卓越的創新思維；有扎實的創新技能；有出色的合作能力和社會責任感.物理理論的發現和建立是一種原質創新過程，物理學與其他學科的綜合是進行綜合創新的重要源泉，［3］所以高中物理創新教育的重點是培養拔尖人才所需要的創新素養，與高等教育接軌，為大學培養拔尖創新人才奠基.

1.3 高中拔尖人才創新素養培養的內容

根據普通高中課程標準的課程目標和高中創新拔尖人才的基本特征，結合高中物理教學的實際，確定如下培養高中拔尖人才創新素養的9方面內容：（1）創新人格，包括創新意識、創新動機、創新意志.（2）科學能力，包括創新思維、創新技法、信息能力.（3）社會責任，包括環境保護、溝通合作、責任擔當，如圖1所示.

圖1 創新素養培養的內容

1.4 物理實驗教學是實施創新教育的重要領域

物理學科中，大量的現象、原理和規律都是通過物理實驗進行學習的.物理實驗的提出問題、猜想和假設、制定方案、實施過程和得出結論中滲透了較多的質疑創新因素.很多實驗的成功設計與實施不僅驗證了科學猜想、測量了重要的物理量，而且展示了物理學家的質疑批判和物理實驗理論、方法、技法的創新過程，［4］所以物理實驗教學是培養拔尖人才創新素養的重要領域，注重實驗探究也是新課程的重要目標.本文通過物理實驗搭建適應創新素養培養的教學實施路徑、研制激勵創新人才培養的評價方案，實踐物理實驗教學培養拔尖人才創新素養的探索，為大學創新人才的培養奠定后備人才基礎.

傳統實驗教學的學習空間和時間大都在課堂內，缺乏真實性和開放性，局限了學生深度探究，不利于培養學生的創新能力.［5］所以我們結合課程標準中“學生必做實驗”、［6］課標課程內容中的“活動建議”和2020年版普通高中物理教科書中的“課題研究”，把它們分成“實驗室操作類”、“實踐活動類”.［7］

2 搭建創新素養培養的物理實驗教學實施路徑

2.1 “實驗室操作類”實驗教學實施路徑

學生必做實驗基本可在實驗室完成，這類實驗的創新教學實施路徑如圖2所示.實驗通過情境創設引導學生猜想并進行實驗探究，若通過拓展和質疑發現原有實驗存在問題，可以提出新的實驗問題，利用科學思維、實驗技法再次實驗探究，直到實驗成功，最后實現新的認知應用.［8］整個實驗探究過程，學生需要準確表達要探究的問題，主要培養了學生的質疑能力、創新意識，使創新思維和實驗創新技法得到提升，并鍛煉了學生的合作溝通能力.

圖2 “實驗室操作類”教學實施路徑

2.2 “實驗室操作類”實驗教學實施案例分析

為了完成科學探究素養的培養目標，新課程標準明確了可在實驗室完成的21個學生必做實驗項目，其中必修一4個、必修二3個、必修三5個、選擇性必修一4個、選擇性必修二3個、選擇性必修三2個.這類實驗教學要讓學生有一個從“問題”到“交流”的較完整的實驗過程和學習經歷，以生為本培養學生創新素養，在教學中可以循序漸進提升探究素養，下面以“探究變壓器線圈兩端的電壓與匝數的關系”為例實施教學.

案例1：“探究變壓器線圈兩端的電壓與匝數的關系”.

情境創設：實際生活中有各種變壓器，提前幾天布置任務，讓學生收集家里的電瓶車充電器、電子整流器、節能燈電子板、手機充電器等.拆解這些電子器件中的變壓器，發現變壓器主要有線圈、變壓器鐵芯組成，變壓器的拆解過程使學生了解其基本構造，增強感性認識.

引導猜想：（1）對變壓器銘牌上的信息進行了解，發現有的變壓器把低壓升為高壓，有的把高壓降為低壓，那么變壓器是如何實現變壓的呢？（2）基于鐵芯材料的高導磁性，大部分磁通量局限在鐵芯里，根據電磁感應定律，原、副線圈n1、n2中的磁通量近似相等，那么線圈兩端的電壓與線圈的匝數有什么關系呢？如何設計一個實驗方案證明我們的猜想？

圖3 實驗用可拆變壓器

拓展質疑實驗：學生評價質疑原有實驗，揭示存在如下問題.

表1 探究變壓器實驗原理數據（優化前）

續表

（2）學生分析U2偏小的原因，交流討論并列舉缺點實驗創新技法，得出變壓器工作時會發出聲音，是鐵芯受交變磁場吸引和排斥而引發振動；變壓器的溫度升高，是渦流使損耗增加，讓變壓器的鐵芯發熱；線圈發熱，是電流流過線圈，產生焦耳熱，以上原因使實驗產生較大誤差.提出新的問題，鐵芯中的渦流使損耗增加，能否不放鐵芯？

（3）根據分析比較實驗創新技法設計鐵芯正常放和不放鐵芯的兩次對比實驗，測出相關數據如表2，由Excel畫出兩種情況的U1-U2圖像如圖4，基于證據得出鐵芯對于聚磁的重要性.在此基礎上提出“如何優化實驗”.

表2 兩次對比實驗數據

圖4 兩次對比實驗的U1-U2圖像

創新實驗探究：學生通過分析討論，設計如下實驗改進方案.（1）副線圈繞組取合適匝數，用較粗銅線繞制，從而適當減小線圈內阻，減小焦耳熱；（2）為了盡可能減小漏磁，學生們查閱資料討論后采用鐵氧體磁芯的環形變壓器，鐵氧體具有高導磁性，環形變壓器磁路封閉，加上線圈與鐵芯二者間緊密的結合，盡可能地減少漏磁；［9］（3）測交流電壓采用數字顯示交流電壓表，使讀數更為方便、測量更為精確.根據以上改進方案實施實驗，實驗數據如表3，從實驗數據得出電壓損失在0.6%以內，比改進前的變壓器電壓損失小很多，接近理想變壓器，可以得出較好的實驗結果.

表3 探究變壓器實驗原理數據（優化后）

認知應用：（1）學校實驗室提供的教學用可拆式變壓器不是理想變壓器，實驗結果電壓比不等于匝數比，不能得到與理論分析相符合的結果.

（2）學生通過查閱資料、交流，樹立創新意識，基于數據大膽質疑，列舉可拆式變壓器能量損失較大的可能原因，創新改進實驗方案，把變壓器改成鐵氧體磁芯的環形變壓器，盡可能減小漏磁，讓學生觀察理想變壓器的實驗現象、親身經歷科學探究與論證的過程，培養質疑創新素養.

（3）變壓器利用了電磁感應的原理，使交變電流的電壓容易改變，并得到廣泛的應用.通過本實驗學生能更加直觀地感受電磁感應的產生過程并實現輸送電能，通過討論、查閱資料，可以將電磁感應的應用延伸到能量輸送和無線充電及等領域，從而提高學生對于科技的興趣，了解無線充電存在傳輸距離短、成本高、能量損耗大，讓學生從不同角度思考問題，追求科技創新的同時培養節約能源意識.

2.3 “實踐活動類”實驗教學實施路徑

若按教材的章節規劃單元，單元教學的實踐任務、課標中課程內容的“活動建議”和新教材中的“課題研究”可以歸為“實踐活動類”實驗，學生可以自主選擇合適地點在教師規定時間內完成，在動手操作和經歷體驗中加深對知識的理解，將學與做結合起來，從而在解決實際問題中培養創新素養.這類實驗教學，首先教師基于對課標、教材、學情的分析確定本單元的實踐主題，學生通過觀察選擇合適情境，結合要學的知識制定活動目標，如實踐任務需要多人合作完成，可以把它分解，采取小組合作自主設計實踐方案并實施，記錄實驗過程和數據，經改良和創新后，學生展示實踐成果，總結和評價促進目標達成，“實踐活動類”實驗的實施流程如圖5所示.

圖5 “實踐活動類”實驗教學實施路徑

2.4 “實踐活動類”實驗教學實施案例分析

案例2：制作旋轉飛椅模型.

選擇合適情境：在對“圓周運動”單元教學設計時可以嘗試 “實踐活動類”實驗任務，選擇的情境應該平時真實常見的情境，貼近學生生活；其次研究對象做勻速圓周運動，建模比較容易；再是該情境需要涵蓋本章的核心知識即運動與相互作用.學生經過觀察、討論，結合教師的指導，從扔鏈球、車輛轉彎、摩天輪、過山車、旋轉木馬、旋轉飛椅等情境中選擇游樂場中常見的旋轉飛椅作為本單元實踐實驗的情境.

制定實踐任務：選擇好情境后，學生通過觀察討論，提出情境中可以研究的問題即形成物理問題.如飛椅為什么會飛起來？飛起來的飛椅為什么角度有不同？旋轉的飛椅有快有慢，快慢由誰決定？最后的任務是每小組要制作一旋轉飛椅模型，并使飛椅穩定運動時懸繩與豎直方向夾角保持為定值.

實踐任務分解：每小組6人，小組中2個成員研究如何描述飛椅的運動，如飛椅的運動軌跡，運動的快慢，涉及的核心知識有線速度、角速度、周期、頻率.2個成員研究飛椅的運動與受力的關系，如飛椅做圓周運動的條件，向心力大小的影響因素，飛椅運動狀態的變化，涉及的核心知識有向心力、向心加速度、牛頓第運動定律.2個成員研究除了飛椅，圓周運動還有哪些應用.

制定實驗方案：學生們相互合作，撰寫設計方案，每小組制作一個旋轉飛椅的實物模型.方案要求能基于理論分析，包含模型結構圖、基本參數和工作原理如角度控制的方法、轉速測量的方法等，最后選擇一個合適的轉速，使飛椅穩定運動時懸繩與豎直方向夾角保持為30°.

實施實驗方案：教師可以提供馬達、學生電源（可用于控制轉速）和DIS套件，其他器材學生自備，按照實驗方案，開展實驗.

展示總結評價：最后以小組為單位進行3-5分鐘的交流展示如圖6，展示中觀察當飛椅的轉速突然增大時，飛椅做離心運動，討論離心運動的條件，并對圓周運動、離心運動的應用進行交流.

圖6 學生實踐活動交流展示

3 研制物理實驗教學培養學生創新素養的評價方案

新課標明確實踐育人具體要求，強調用評價引導創新，用多把尺子衡量學生，物理實驗教學培養學生創新素養可以通過量表開發、成果應用來制定評價方案.明確和開展物理實驗教學的評價方式，可以比較經濟地為創新素養的培養提供科學依據和精確方向，有助于準確掌握學生創新素養掌握水平，確定物理實驗影響創新素養的關鍵因素.

基于物理實驗培養拔尖人才創新素養的內容，本文提出 “實驗室操作類”和“實踐活動類”實驗教學過程中某一素養實現的程度如表4和表5，并制定拔尖人才創新素養培養的評價量表如表6.

表4 “實驗操作類”實驗教學評價表

表5 “實驗活動類”實驗教學評價表

表6 拔尖人才創新素養培養的評價量表

續表

表4和表5分別從9個方面來評價拔尖人才的創新素養.兩表都采用1-4級來判斷某一素養實現的程度：4級表示該素養為該內容條目的主要目標；3級為次要目標；2級表示沒有要求，但是教師有機會在教學中培養該素養；1級表示沒有要求，教師也沒有機會在教學中培養該素養.兩表闡明素養實現的程度使實驗培養創新素養的評價體系更加具體化，為制定拔尖人才創新素養培養的評價量表提供了重要依據，為實驗教學培養創新素養奠定了堅實基礎.

表6是實驗教學培養拔尖人才創新素養的評價量表.該表對高中拔尖人才創新素養培養的9方面內容做了具體闡述，為了給學生留足成長的空間，該表還增加了“其他特長”一欄，以構建更全面、更靈活的新素養評價方式.表中用“A”、“B”、“C”、“D”分別表示行為特征的“優秀”、“良好”“合格”、“達標”這4個等級程度，評價得分分為自評、互評、師評，以此減小評分者的主觀效應，最后3者之和形成總分.該表從創新素養的9方面內容進行評價，通過自評，學生梳理自己的實驗過程，了解自己的較高素養，發現自己的短板，接下來可開展針對性的改進，提升相關素養，用問題解決和實踐活動統領創新思維和創新人格，在問題解決和實踐活動中生成與激發創新精神，最終實現創新素養的全面發展.