核心素養導向下的高中物理實驗教學策略探究

陳鐵生

摘 要：本文將新版課程標準的貫徹實施作為研究背景，以學科核心素養為導向，圍繞高中物理教學以實驗教學為例從培養切入點、培養方法兩個維度展開分析，旨在發揮出物理實驗教學對于學生核心素養培養所存在的積極作用。

關鍵詞：新課改；核心素養；高中物理；實驗教學

核心素養導向下的物理學科教學并非側重于學生牢固地掌握一系列的解題方式與公式，而是側重于學生能夠利用物理定理與觀念去解決現實生活中所存在的問題，學生通過物理學科知識的學習能夠形成一定的物理觀念，涵蓋能量觀念、運動觀念等，應能夠科學地去思考某一物理現象，并積極地探究物理過程，理解科學的本質，養成責任意識。由此可見，核心素養導向下的物理教學是以生為本的教學。新課改下如何基于核心素養導向科學開展物理實驗教學已經成為現階段一線任課教師教學實踐中亟待解決的關鍵問題，而這一問題也將是本文所要研究解決的核心問題。

一、物理實驗教學中核心素養培養切入點

如若將物理學科核心素養比作一輛汽車，那么物理觀念素養則是這輛汽車的“發動機”，如果無法形成正確的物理觀念，那么學生在物理學習這條道路上將會舉步維艱。課程標準中明確指出物理觀念素養涵蓋物質觀念、運動觀念、相互作用觀念以及能量觀念，絕大多數學生在進入高中學段之前，一直是直觀地認識世界，并在認識世界的過程中形成物理觀念，例如：將小石子與紙片在同一高度做同時下落，絕大多數的學生均會結合生活經驗認為小石子質量大，所以下落的速度更快；再如：用手推動課桌的現象，當力消失時課桌的運動也將會停止，學生會普遍地認為力是維持物體運動狀態的關鍵性原因。實質上，諸如此類的物理現象在學生日常生活中極為常見，當這些物理現象發生時，學生往往不會注意到其他因素對物理現象的影響，因而形成錯誤的觀念。所以高中學段的物理學科教學需要對學生物理觀念的養成予以高度重視[1]。

結合以往的高中物理教學實踐可知絕大多數的物理學科知識均是通過實驗分析而得出結論，雖然物理實驗占用課堂教學時間的比例較多，但本研究認為，教師與其為了節省時間要求學生機械性地記憶實驗過程、背誦實驗結論，不如將實驗情境再現，給予學生動手操作的機會強化學生的知識獲得體驗。學生在物理實驗的過程中通過了解實驗器材的結構與用途，分析實驗過程、獲得實驗原理能夠彌補學生所欠缺的概念或規律，如此查漏補缺促進學生知識體系的重新建構，從而助力學生形成正確的物理觀念。

例如：在必修一第二章“自由落體運動”的實驗教學中，教師可以通過引導學生關注物體下落過程中的影響因素，使學生明確除重力因素影響外，空氣阻力、物體的形狀均會影響物體的下落速度。那么回顧以往的物理觀念，從空氣阻力的角度去考量小石子與紙片下落速度，因紙片受空氣阻力的影響更大，所以紙片下落的速度慢于小石子。如果忽略空氣阻力對兩個物體的影響，為了探究兩個物體的下落是何種情況，教師可以將實驗過程設計如下三個演示實驗：①將小石子與紙片（水平擺放）在同一高度下同時松開任其下落；②將紙片隨意團成紙團，而后將小石子與紙團在同一高度下同時松開任其下落；③將小石子與紙片在同一高度下同時松開任其下落。并引導學生自主開展上述三個演示實驗，觀察并記錄實驗現象，結合實驗現象對三個演示小實驗做合理的實驗猜想：演示實驗①，通過實驗演示學生可觀測到小石子先落地的實驗現象，那么絕大多數學生均會產生“物體下落速度的快或慢可能與物體自身的質量存在關系”這一實驗猜想；演示實驗②，通過實驗演示學生可觀測到小石子與紙團同時落地的實驗現象，那么基于這一實驗現象，絕大多數學生則會產生認知矛盾，在否定以往的質量影響下落速度的認知上又產生“物體下落速度的快或慢可能與物體的形狀存在關系”這一猜想；演示實驗③，通過實驗演示學生可觀測到小石子與豎直下放的紙片同時落地的實驗現象，那么基于這一實驗現象，班級學生將會再一次地產生認知矛盾，在否定以往的質量、形狀影響下落速度的認知上又產生“物體下落速度的快或慢可能與空氣阻力存在關系”這一猜想。

在上述實驗現象觀測與實驗猜想環節中，三個演示實驗雖然致使學生產生兩次認知矛盾，但學生均直觀地觀測到了實驗現象，所以認知矛盾的產生與形成新的實驗猜想是學生構建完整知識體系，形成正確物理觀念的切入點。在掌握正確物理觀念之后學生能夠于之后的“牛頓第一定律”實驗分析中更為肯定空氣阻力對于物體運動所存在的影響。

（二）科學思維素養培養切入點

結合以往的高中物理教學實踐可知在師講生聽的模式下學生的科學思維素養較為薄弱，絕大多數學生并不能夠獨立選擇科學的方法去分析物理問題，同時關于某些物理現象的推理也需要依靠教材提示與教師指導。究其原因不僅在于師講生聽的授課模式，還在于教師忽視了學生科學思維的訓練。那么在物理實驗教學中教師應重視在有所啟發且留有余地的情況下突破教材的局限性對學生進行教學指導，以此使學生能夠更為主動地去思考問題。例如：在“小車運動規律與因素”的實驗教學環節中，依照教材內容教師大多會準備四組實驗器材，并在實驗教學開始階段利用多媒體設備告知學生打點計時器的工作原理，課堂教學氛圍較為沉悶，那么如果此時教師向學生提出“頻率為50Hz的打點計時器其時間間隔是多少”的教學問題，絕大多數學生均能夠快速答復教師“0.02s”，然而在“頻率變小時打點計時器的周期如何變”這一問題中，絕大多數學生則無法快速回答，且回答錯誤者較

多[2]。說明傳統的授課模式并不能夠使學生真正地理解打點計時器的周期與頻率之間的關系。對此，本研究建議教師在實驗教學伊始直接向班級學生呈現打點計時器，并鼓勵班級學生結合本次實驗的目的自主安裝實驗器材，從而使學生在操作的過程中掌握打點計時器的用途與方法。而在此之后學生也可以較為輕易地回憶起本次實驗課程中所應用的方法，如：“測量自由落體加速度”實驗中回憶起“紙帶法計算加速度”。由此可見，實驗教學除能夠培養學生的科學思維素養外，還能夠強化物理學科各章節知識間的關聯性，有利于學生構建完整的知識體系，優化學生的思維邏輯性。

（三）科學探究素養培養切入點

教師在物理實驗教學中可以于每一個實驗環節中，關注學生探究問題、收集證據、解釋證據以及交流結論。例如：在“探究小車速度隨時間變化規律”的實驗教學中，本次實驗的核心問題在于觀察、猜想小車速度隨時間變化的規律，那么這一問題也將是學生所要探究的核心問題。在解決問題的環節中教師需引導學生逐一介紹實驗器材、實驗原理，引導學生閱讀教材呈現的實驗步驟等，而后鼓勵各小組學生開展實驗。那么在此環節中打點計時器在紙帶上打下一系列小點的過程即是探究證據產生的過程，學生篩選較為理想的一條紙帶并舍掉初始階段比較密集的點的過程即是探究證據收集的過程。在數據處理環節，學生需計算各點的速度并填入數據處理表。而后學生可以將實驗數據處理表中的數據作為基礎解釋小車速度隨時間變化的規律，并與同桌間、小組間交流自己的觀點。在本次實驗教學中若教師想要提升學生科學探究素養的培養效果，還可以將實驗巡視過程中發現的問題作為探究問題，與班級學生交互[3]。如：“實驗過程中為什么有些紙帶上的一部分存在沒有點跡的現象，而出現點跡后時間距已經較大？”由此探究問題引起學生對小車釋放與打點計時器打開順序的關注（先釋放小車、后打開打點計數器）。再如：關于v-t圖像與x-t圖像存在爭議性的問題“在兩個圖像中圖像有的是曲線，代表的是物體做何種運動？”由此探究問題加深學生對“無論圖像是直線還是曲線均代表物體做直線運動”的認知。由上述實驗教學過程可知，學生參與物理實驗的過程即學生探究知識的過程，而教師結合學生的實驗操作過程所提出的探究問題，進一步提升了整個實驗的探究性，從而保證了學生科學探究素養培養的有效性。

二、物理實驗教學中核心素養培養方法

（一）演示實驗教學法

1.情境導入促進科學探究

由上文的理論分析可知科學探究素養所對應的探究過程，第一環節為發現問題，那么高中物理實驗教學實踐中教師可以將演示實驗作為一個教學情境，于課堂教學初始階段邀請班內學生按照教師的指導做演示實驗，而后結合演示實驗現象發現探究問題，以此在調動班內學生學習興趣的基礎上為學生科學探究素養的形成奠定良好的基礎[4]。例如：在執教《超重和失重》一課中教師可以預先準備四個體重測量器，并將班內學生平均劃分為四個大組，隨機在四個大組內選取四名學生，要求四名學生上前做演示實驗，各組其他學生分別上前圍觀演示實驗。實驗進程中，教師要求四名學生站在體重測量器上，并做下蹲動作。要求其他圍觀學生觀察四名學生在做下蹲動作的過程中體重測量器的計數變化。為保證四組演示實驗得出統一結論（顯示的計數先變小再變大，而后再變小），教師可允許四名學生嘗試做2—3次演示實驗。待演示實驗結束后教師要求班級學生回到自己的座位，并提出“四名學生下蹲過程中他們的體重發生了變化？”“體重沒有變化，為何體重測量器上所顯示的計數發生了變化？”的探究問題，從而為學生后續理解“視重”“超重”“失重”做好探究興趣準備。

2.課件呈現建立物理觀念

對于一些不易于師生參與的物理實驗，教師在課堂教學中可以借助多媒體設備，以微視頻課件的形式為學生演示某一實驗原理，并通過1—3個演示實驗的連續呈現幫助學生快速建立某一物理觀念。例如：在執教《曲線運動》一課中教師可以通過連續呈現以下三個演示實驗幫助學生建立曲線運動的速度方向為沿著圓周的切線方向。實驗①：多媒體呈現砂輪打磨金屬塊的過程。學生可直觀地觀測到脫落“火星”的運動軌跡，“火星”脫落前的瞬間速度方向為沿著圓周的切線方向。實驗②：多媒體呈現雨天雨傘轉動的過程。學生可直觀地觀測到雨傘上的水滴從雨傘四周脫落的運動軌跡，“水滴”脫落前的瞬間速度方向為沿著圓周的切線方向；實驗③：多媒體呈現帶有墨水的陀螺轉動過程。學生可直觀地觀測到脫落“墨水”的運動軌跡，“墨水”脫落前的瞬間速度方向為沿著圓周的切線方向。上述三個演示實驗的連續呈現，保證了演示實驗內涵的統一性與實驗結論的科學性，相較于單一的多媒體演示實驗而言，三個演示實驗可強化實驗內涵的可信度，從而幫助學生快速建立曲線運動速度方向的物理觀念。

（二）學生實驗教學法

在高中物理實驗教學中學生實驗教學法也是一種較為常用的教學方法，教師可以通過強化學生的實驗參與培養學生的科學思維素養。科學思維素養的內涵還指向了模型建構，在物理實驗教學中實驗方案是某一物理實驗得以順利開展的框架，所以教師可以通過歸還學生的主體地位，將實驗方案設計權利交還給學生，由此促使學生在構建模型的過程中形成科學思維素養。例如：在執教《機械能守恒定律》一課中，教師可以鼓勵學生自主設計實驗方案培養學生的科學思維素養。首先，教師板書實驗原理。其次，教師提出“怎樣設計實驗才能夠驗證機械能守恒定律？”的教學問題，以此教學問題引導班級學生結合實驗原理驗證機械能守恒定律。最后教師給予班級學生思考設計實驗方案的時間并在師生交互后總結三種實驗方案，見下述內容：

實驗方案①：可以任取物體下落過程中的兩個時刻，比較兩個時刻初態與末態機械能。若學生應用該方案開展實驗僅需測出物體下落過程中兩個時刻的初態、末態動能與初態、末態高度之間的差即可驗證機械能守恒定律。

實驗方案②：可以將物體剛下落的瞬間設定為初態，而后任取物體下落過程中的某一個時刻作為末態。若學生應用該方案開展實驗僅需比較初態與末態之間的勢能差即可，同時，如果學生在實驗過程中所應用的實驗器具為打點計時器，那么物體下落的初速度為0。

實驗方案③：可以計算物體的加速度，如果物體的加速度為9.8m/s2則可驗證機械能守恒定律。若學生應用該方案在計算物體加速度的過程中學生可以繪制圖像，而后基于線性擬合的方法驗證機械能守恒定律。

實質上除上述三種實驗方案外，學生也可以使方案①、方案②的物體沿斜面下落，而后基于方案①、方案②的操作思路開展實驗，同樣可以驗證機械能守恒定律。總體來看，學生思考實驗方案的過程即學生建構實驗模型的過程，所以將實驗方案設計的權力交給學生有利于調動學生思考，使學生的科學思維素養得到潛移默化的培養。

結束語

綜上所述，高中物理實驗教學能夠被作為培養學生物理核心素養的載體，與此同時，本研究認為，演示實驗與學生實驗均屬于物理實驗教學，所以教師還應突破物理教材對于實驗教學的劃分限制，除明確指明需要開展學生實驗的課程外，在其他章節物理課程教學中教師也應積極開展演示實驗教學，由此進一步發揮出物理實驗教學對于學生核心素養培養所存在的積極作用。

參考文獻

[1]張順平.核心素養視野下的高中物理實驗教學策略探析[J].中學課程輔導，2022（35）：108-110.

[2]李秋洲.基于核心素養導向的高中物理實驗教學策略研究[J].考試周刊，2022（46）：121-125.

[3]王健.高中物理實驗教學中培養學生核心素養的教學研究[J].理科愛好者，2022（5）：52-54.

[4]李小鵬.學科核心素養導向下高中物理實驗教學策略研究[J].數理天地（高中版），2022（18）：95-97.

本文系2019年度江蘇省中小學教學研究課題“指向核心素養的物理實驗教學中的問題導學研究”的研究成果，項目編號：2019JK13-L218。