基于核心素養的低成本高中物理實驗研究

夏昀 田元治

【摘要】核心素養視角下，高中物理教師不僅要提高學生的物理專業技能，還需要發展學生的物理思維，全面提升學生的物理學科綜合素養.為此，教師應積極開展物理實驗課堂，進一步提高學生應用物理知識解決問題的能力.低成本物理實驗是一種較為新穎的物理教學方式，能夠充分發揮出物理實驗教學在高中物理教學中的價值.本文從低成本物理實驗的特征入手，探索核心素養視角下，開展低成本高中物理實驗教學的方法.

【關鍵詞】高中物理；物理實驗

低成本物理實驗不僅可以有效節約實驗教學所耗費的資源成本，又能夠發展學生動手、動腦能力，教師可以鼓勵學生尋找實驗所需的材料，或讓學生自行設計低成本實驗方案，均可有效提高物理實驗教學成果.

1 高中低成本物理實驗概述

低成本物理實驗的特征在于其成本低廉、貼近生活.通常低成本物理實驗會利用生活中較為常見的平價材料替代經典物理實驗器材，能夠妥善解決部分高中物理實驗室器材缺乏、無法順利開展實驗教學的問題.另外，利用各類生活材料替代原有的物理實驗器材來完成物理實驗，能夠拉近物理課堂與生活之間的聯系，不僅能夠提高學生的學習興趣，還可以培養學生的實驗意識以及實踐動手能力.低成本的物理實驗材料獲取較為容易、價格低廉，實驗流程簡易、便捷，實驗結果較為直觀，不需要付出過于高昂的價格便可以順利完成實驗教學，可以切實體現出生活化教育的實際意義，也能夠引導學生在生活中學習物理知識.

2 高中物理低成本教學優勢

2.1 提高課堂靈活性，激發學生興趣

低成本物理實驗表現形式較為靈活，可以滿足不同情況下高中物理實驗教學的需求，有效提高物理實驗教學效率.教師可以隨時結合本課教學內容，帶領學生開展低成本實驗，收集現有的可用資源完成實驗準備，在此基礎上構建的高中物理實驗課堂會更具趣味性，也能夠極大程度上激發學生的學習興趣.相較于傳統的物理教學來看，低成本實驗教學能夠靈活穿插到物理課堂的各個環節，實現高質量的高中物理教學.

例如 以“電磁感應現象及應用”為例，在課前導入環節，教師可以準備兩塊相同的強磁鐵，外加一根塑料吸管和一根鋁管，要求塑料吸管與鋁管的長度、粗細相同、教師可以將塑料吸管與鋁管分別豎直固定于桌面上，再將兩塊相同的強磁鐵在管口處釋放，使其自由落體，這時學生可以聽到磁鐵落于桌面上的聲音，能輕易計算出磁鐵在鋁管內、塑料吸管內的下落速度，很明顯，鋁管內部的磁鐵下落速度較慢，通過這一實驗結果，教師便可以順勢引發學生的思考，簡單有趣的小實驗以及較為直觀的實踐結果，能夠幫助教師正式引入本課教學內容，而此類看似簡單的低成本實驗中，也展示出了磁鐵下落時，鋁管內部形成了環形感應電流，而電流產生的磁場反作用于磁鐵，影響了磁鐵下落速度這一物理知識.

2.2 發展創新思維，帶動學生思考

低成本實驗教學的實驗器材以生活中的常見物品為主，但實際在實驗過程中，僅靠簡單材料的堆積、組合是無法完成實驗的.故此，教師可以讓學生思考，如何使用生活常見物品設計物理實驗？以此發展學生的物理學科探索思維、培養學生的創新意識.學生在看到生活日常用品時，可以回憶物理知識，并充分發揮個人的想象力及創造力，對此類生活用品進行改裝，將其變成可用于實驗操作的實驗器材.如此設計的低成本物理實驗，不僅可以帶動學生的思維意識發展，還為學生準備了開放性的實踐平臺，給學生提供了更多實踐、實驗的機會，學生更容易沉浸在實驗學習中，并會積極在實驗中使用物理知識，可以穩定提高學生的物理學科素養.在此過程中，教師應鼓勵學生自主設計各類低成本物理實驗，讓學生體驗物理知識探索、物理知識驗證的過程，以此培養學生的科學發展觀念，也讓學生對物理實驗規律產生更為深刻的認知，對提高學生物理學科素養極有幫助.

2.3 開展課堂實踐，鼓勵親自動手

低成本物理實驗受實驗環境、實驗器材等影響，可以巧妙地規避各類高風險的實驗過程，能夠避免學生接觸各類危險、毒害物品，具有較高的安全性.所以，在高中物理教學時積極開展低成本實驗教學，教師不必擔心實驗安全性，可以更放心地讓學生動手操作，能夠讓學生直接參與到物理實驗中，并親自動手完成實驗.這一過程不僅提高學生的動手實踐能力，也提高了學生在物理學習過程中的體驗感、參與感，學生對親自動手完成的實驗印象會更加深刻，能夠讓學生更加直觀、更加生動地體會物理知識以及物理規律，可以提升學生的物理知識內化能力，讓學生改變對物理學科的刻板印象，意識到物理實驗的樂趣，緩解學生面對較難知識點時的緊張與畏難心理，還豐富了高中物理課堂的表現力，讓學生積極面對物理，愛上物理.

2.4 培養學科素養，促進全面發展

在高中物理課堂中，積極開創低成本實驗教學，可以有效培養學生的物理學科核心素養，切實從立德樹人的教育目標角度出發，改變原有的物理課堂結構.低成本物理實驗是當今高中物理教學中的必要補充手段，其直觀性及趣味性特征極強，可以幫助學生了解物理規律、明確物理概念、掌握物理知識，并在實驗過程中，開發學生積極動手、動腦的探究意識，對培養學生核心科學觀念極有幫助.在低成本實驗中，學生的興趣會被大大激發，學生的探究意識也會日漸增長，能夠讓學生在循序漸進的物理課堂中，逐漸理解物理概念，促進學生的潛能發展，有效突破理論知識教學中的難點問題，學生可以在有趣的實驗過程中，漸漸掌握物理知識的核心內容.

另外，低成本物理實驗取材大多來源于生活，學生在學習與實驗的過程中，能感受到物理知識與生活的關聯，可以讓學生意識到物理科學對社會發展的積極推進作用，以此讓學生明確物理學科在社會上的價值，有利于提高學生學習的積極性.

3 高中物理課堂開展低成本實驗的方式

3.1 利用材料替代法

材料替代法下的低成本物理實驗，會使用一些生活中較為常見的材料及物品替代原有的實驗器材.這時，教師可以為學生展示原有的物理實驗內容，帶領學生一步步拆解原實驗設計原理以及實驗步驟，了解實驗所需的各類器材的物理性質，隨后用一些較低成本的材料進行替代，以此完成低成本物理實驗制作.這一環節中，教師可以引入實驗設計活動，讓學生自主思考，在生活中有哪些常用的低成本材料可以替代原有的物理器材？再要求學生以小組為單位，設計出一個低成本物理實驗.

例如 以“超重和失重”教學為例，在教學開始前，教師可以先讓學生分別講述一下在個人認知中，超重與失重這兩個物理概念是什么樣的.先鼓勵學生大膽發言，講述失重與超重這兩個概念，讓教師掌握當前學生對該物理知識的認知水平.隨后，教師可以從學生日常生活出發，設計一些以低成本材料為主的物理實驗，以便學生更準確地掌握這兩個物理概念.

首先，教師可以讓學生準備一張較寬的紙條，帶領學生一起在紙條中間剪出一個圓滑的孔洞，要求學生在紙條的另一端連接重物并小心提起紙條.這時大家會發現，紙條并不會在重物的影響下斷裂，以此便可展示出超重現象.

隨后，讓學生將兩本厚度、大小均等的書本相對而放，并將兩本書的書頁交替重疊擺放后，再將書本合起.選取一名學生，讓他捏住兩本書的書脊位置并向外拉動，顯然，學生無法將書本分開.接下來，由教師親自操作，教師的操作過程中不僅要對書本施加水平作用力，還需要上下拉動，書本便會輕易地被教師分開.此時，教師要提出問題，讓學生思考并回憶，兩次拉動書本的操作有什么不同？為什么教師的操作可以輕易將兩本書分開？通過簡單的小實驗，讓學生積極開動腦筋，思考其中的物理知識.

最后，教師要結合課本上的內容，開展本課的常規教學，讓學生完全掌握失重與超重概念及其中蘊含的物理知識.與此同時，開展課堂小組活動，要求學生嘗試在組內設計一項與失重或超重有關的物理實驗，并使用隨手可見的器材完成實驗，以此完成本課教學.

3.2 利用實驗室現有器材

每一個高中都有物理實驗室，也都具備一些物理實驗器材，只不過部分學校的實驗器材可能并不完善.在教學中，教師應善于利用校內固有的實驗器材，開發一系列低成本物理實驗，盡可能每一堂課都有實驗可做，讓學生從實驗中了解各個物理知識點，通過高效、直觀的實驗教學，改善高中物理課堂的枯燥現狀，以提高學生學習物理的動力，讓學生養成在實驗中求真知的學習習慣.

例如 “帶電粒子在均勻磁場中的運動”這一實驗教學中，原有的實驗內容要求實驗操作人員將金屬絲通上高壓電，隨后觀測金屬絲釋放出的電子行動軌跡，這一實驗較為復雜，成本、技術操作要求極高，具有一定難度.為此，教師可以帶領學生來到校內物理實驗室，再借用化學實驗室中的硫酸銅溶液，將硫酸銅進行電離，制作出帶電粒子再選用實驗室常備的圓盤磁鐵創建均勻磁場，將硫酸銅溶液裝入一次性容器中，并在溶液表面放置紙片以便觀測.隨后，在其底部用石墨穿孔連接電源正極，在一次性容器內壁貼上銅片連接電源負極，接通電源后，便可讓學生觀測紙片在溶液表面的運動軌跡，以此便能夠完成本次實驗.為設計對比實驗，教師還可以改變陰陽極等.通過不同的實驗方法，學生能夠觀測到不同的現象，便可得出帶電粒子在均勻磁場中的運動軌跡.

3.3 利用生活常見物體

在設計低成本實驗時，教師要將物理課堂與生活聯系起來，使用生活中常見的各類電子產品或生活用品，完成低成本實驗教學.在科技飛速發展的今天，各類智能手機、聲控、遙控等都是學生能夠輕易在生活中接觸到的科技用品，教師應充分開發此類資源的教育價值，對其進行技術改造，完成物理課堂中的低成本實驗設計.

例如 在“電磁波的發現及應用”一課中，教師便可以帶領學生觀測電磁波的傳播方式.通過之前的教學，學生已經能夠意識到，波在不同環境下具有不同的傳播特征.為此，教師可以設計聲波與電磁波傳播方式差異性的低成本實驗.教師可以將智能手機裝入真空袋中，再分別放入水槽與真空環境.隨后，用另一部手機撥打電話，查看手機是否能夠接到通話信號.手機鈴聲是否會響起.這一實驗，可驗證電磁波在水環境下與真空環境下均可傳播，而聲波則不能夠在真空狀態下傳播.通過小巧、精密且日常化的實驗，讓學生更直觀地了解到聲波與電磁波的差異性.

4 結語

在我國大力推動素質教育的背景下，核心素養的發展與培育是各大一線教育工作者的主要教育目標.基于核心素養視野下，高中物理教學必須要結合實驗教學，在實驗中發展學生的動手能力、動腦能力及物理學科思維.低成本物理實驗教學，可以改變傳統教學中由于物理實驗材料器具短缺，導致的物理實驗課程占比不足的問題，便于教師為學生創建更加完整、更成體系化的物理學習課堂，可有效推動高中物理的改革與發展.

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