核心素養下高中物理實驗教學的改進與創新

李錦秀

摘 要：實驗是物理課程中非常重要的教學板塊之一，也是學生進行物理探究與分析的重要方法之一，一直都是高中物理課程的中心。在《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》（下文簡稱《新課標》）中，指出要堅持以實驗教學為中心的基本要求，主張引導學生在探究式、創新性的實驗活動中去建構知識意義，全面發揮實驗活動的教育作用。在此背景下，本文將積極闡述物理實驗教學的意義與作用，闡述在核心素養目標引領下優化實驗教學的必要性，進而反思實驗教學的現狀與問題，再以核心素養為引領去探索改進高中物理實驗教學的策略與做法，以便切實優化、完善實驗教學的結構與環境，使學生在實驗活動中能親歷問題的提出與解決過程。

關鍵詞：核心素養；高中物理；實驗教學；改進策略

《新課標》中根據物理課程的學科本質解釋了物理學科核心素養的內涵，設立了“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態度與責任”幾個主要板塊，不僅突出了物理課程在鍛煉學生思維、豐富學生知識、提升學生關鍵能力等方面的具體作用，還從品德教育層面指出要優化學生的品德與精神，引導學生自主傳承實事求是、精益求精、注重證據與理性等科學態度，將真正對學生的終身成長產生積極的影響。對此，高中物理教師應主動開展實驗教學改革，使學生在實驗中形成良好的物理學習能力。具體而言，物理實驗教學的作用、價值有哪些呢？

一、物理實驗教學的意義與作用

（一）豐富動手實踐經驗，積累直接體驗

實驗是通過控制一定的實驗條件、變量等，通過操控必要的實驗設備與用品，促使各類實驗用品發生反應，由此生成結論的一種實踐性活動，十分看重學生“做”的經驗。這就意味著高中生不必再以單一的理論背誦去學物理，而是能夠通過親手操作、控制實驗變量自主生成物理概念。這有利于培養學生的自主探究能力、動手實踐能力及創新思維能力，促使學生積累豐富的感性認識與直接體驗，更加符合高中生的認知發育規律與特點，也將真正激發出學生的物理學習興趣，便于形成以學生為中心的教學理念[1]。

（二）便于生成物理知識，實現自主建構

《新課標》中已經指出，要通過物理實驗使學生能夠“基于事實證據和科學推理對不同觀點和結論提出質疑和批判”，也支持學生在實驗中去驗證、內化某一物理觀念。這代表著高中生能夠通過豐富的實驗探究與論證去總結感性、具象的現象，并從中抽象出一般規律、生成物理概念。同時，學生也可通過實驗活動論證整個物理知識、進一步分析與檢驗教材中的物理概念，從而自主生成知識意義，并由此提升學生的記憶水平[2]。由此，則可切實優化學生的物理學習狀態，促使學生在實驗中發現物理現象背后的規律，潛移默化地提升學生的物理認知水平[3]。

（三）助于傳承科學精神，提升品德修養

《新課標》已經指出要培養學生的科學態度與責任，使學生能夠自主傳承物理學家嚴謹、刻苦、敢于創新與突破等科學精神，由此落實“立德樹人”根本任務，發揮德育的引領作用。在實驗教學中，高中生所得出的每一個結論都需依賴于具體的實驗現象、操作步驟，不可虛構數據、現象，也需在遇到問題與瓶頸時思考更優化的實驗探究方案，調整實驗變量與工具等。這能夠潛移默化地培養學生實事求是、精益求精的科學態度，也有助于激發出學生刻苦鉆研、敢于創新等品德意識，將切實促進學生的品德發展，為學生的未來成長做好充分的準備。

綜上，在高中物理教學實踐中組織實驗教學將從多個層面產生積極影響，教師也應設計多元化的實驗活動，支持學生在實驗中進行論證、質疑、檢驗等，自主生成知識意義。但是，現階段高中物理實驗教學效益并不理想，還存在不少問題，下面本文將對此進行研究與思考。

二、物理實驗教學的現狀與問題

（一）缺少探究性

對于很多教師來說，他們雖然能夠認識到實驗教學的重要作用，但是在具體的教學實踐中卻并不愿意開設實驗課，其原因為：實驗教學的進度相比較理論課更加緩慢，一節課的知識容量比較少，擔心影響物理課程的整體教學進度。但是，實驗又是物理課程中必不可少的一環，所以很多教師會設計驗證性實驗，即組織學生通過實驗操作、觀察與分析驗證已經得知的物理結論，缺少探究性。這能在更短的時間內完成實驗教學任務，并不會影響物理課程的進度安排。在這種狀態下，高中生在實驗活動中也將喪失探究欲望，因為他們知道每一個操作步驟將產生的實驗現象，也知道最終的實驗結論，并不能在實驗活動中形成良好的科學思維與探究能力。

（二）忽視學生的主體性

一直以來，高中物理教學都是按照“教師講，學生聽”的方式展開課程活動，實驗教學也同樣如此。有不少教師會選擇通過演示實驗組織學生進行觀察與記錄，看似可以豐富課堂教學活動，但是卻剝奪了學生親自做實驗的機會，無法順利培養學生的實驗操作能力，也因此削弱了實驗教學的教育作用。對于這一點，《新課標》中也以“引導學生自主學習”科學解釋了師生關系，也由此提出了優化教學形式的具體要求，所以實驗教學改革勢在必行，一線教師也應主動重構教與學的形式，切實優化實驗教學結構。

（三）生成性不足

生成性教學是指教師根據師生雙方在課堂上的互動行為與效益及時調整教學策略、思路的一種教學活動，主張突出學生的個性，也比較關注學生的過程性學習表現。但是，目前的高中物理實驗教學卻比較重視實驗結果，對于學生的生成性學習行為關注較少，也很少會利用實驗意外去調整教學策略與方法，在一定程度上限制了學生創新性思維能力的形成與發展，也使得不少學生習慣按照固定的順序、條件去操作實驗設備，很難真正發展學生的物理學科素養。

綜上，高中物理實驗教學效益不佳，也存在不少問題，直接影響了實驗教學功效[4]。在《新課標》的引領下，高中物理教師不僅要開展生成性、開放式、探究式的實驗教學活動，還要充分發揮實驗教學在培養學生核心素養方面的積極促進作

用，使學生能夠形成熱愛科學、實事求是的科學態度[5]。具體來說，高中物理教師應該重視實驗情境的創設與問題導入，切實活躍學生的思維，也要在學生產生好奇心之后合理引入實驗任務，有效驅動學生，進而組織開放、生成性的實驗探究與展示總結活動，同時支持學生在課外自主參與實驗拓展與創新活動，不斷提升學生的實驗操作能力，為發展學生的物理素養做好充分的準備。下面，本文將客觀闡述在核心素養目標引領下高中物理實驗教學的改進與優化策略，希望能夠切實發揮實驗教學的育人作用。

三、核心素養下高中物理實驗教學的改進策略

（一）創設真實的問題情境

真實的問題情境便于學生自主遷移成長經驗，也能在一定程度上優化學生的思維狀態，便于學生自主思考物理實驗的操作方案并展開合理的實驗猜想。這就有助于激發出學生的學習興趣，也將真正為學生的素質發展做好充分準備。對此，高中物理教師應在實驗導入階段創設真實的問題情境，具體可通過以下幾種方式優化情境創設效益。

第一種形式，利用一些代表性的生活實物創設生活情境，根據學生的生活經驗提出核心問題，由此優化學生的實驗探究意識，為提升學生的動手實踐能力做好充分準備。比如，在“形變與彈力”一課教學實踐中，筆者便準備了海綿、“小跳蛙”等常見物品，通過雙手按壓這些生活實物，據此引導學生觀察物體發生彈性形變的具體過程，還專門用手機將這一過程拍攝下來，投放至電教設備中，希望能夠組織本班學生細致觀察物品在外力作用下發生彈性形變的具體細節，同時也希望學生能夠由此思考彈性形變大小與哪些因素有關。由此，學生則可根據自己的生活經驗去總結相關問題，帶著猜想、思考參與物理實驗探究活動之中。

第二種形式，借助信息技術創設問題情境，從更細微的角度呈現現實生活中的物理現象，激發出學生的實驗探究興趣，優化學生的物理認知狀態。比如，在“質點和位移”一課教學實踐中，筆者便利用網友在網絡平臺中所曬出的飛機航行次數、總里程等圖片與數據資源導入了本節課，由此引導學生思考“總里程”屬于位移還是路程，并且利用飛機航行圖做出了具體解釋，幫助學生自主區分路程、位移這兩個物理量的異同點，同時引入“質點”這一新概念，進而組織學生參與到位移測量與計算的實驗探究活動中，使其能夠在實驗中自主描述“質點”的運動軌跡、位移長度等，使其在實驗中進一步內化本課重點知識。

除了上述兩種方式之外，高中物理教師也可在實驗準備階段組織學生參與到生活體驗與觀察活動之中，即根據物理實驗的主題設計實踐活動，如在“勻變速直線運動的實驗探究”一課教學中，教師則可組織學生觀察現實生活中各類物品做勻變速直線運動的具體過程，記錄必要的速度、加速度、時長等多個數據，初步遷移相關的物理概念，同時也為物理實驗活動做好充分準備。當學生能夠在情境引導下對物理實驗產生興趣、展開合理的實驗猜想之后，便可積極主動地參與到實驗探究活動之中，充分發揮自身的聰明才智，積極遷移物理概念與現實生活體驗，形成良好的探究氛圍，也能提高物理實驗的探究效率。

（二）布置適宜的實驗任務

很多學生雖然有主動參與實驗探究的欲望，但是卻很有可能因為不知道要做什么、做到什么程度而陷入低效，也不得不被動地聽從教師的教導，在實驗探究中失去了主動性。對此，高中物理教師則應根據學生的興趣、需求去設計合適的實驗探究任務，明確說明要在實驗中做什么，初步優化學生的探究意識，切實改善學生的物理認知狀態。在此方面，高中物理教師則可通過以下方式科學調控物理實驗任務的難易程度：

首先，通過必要的理論教學、預習檢測等方式判斷學生對物理知識的理解程度，同時要在實驗準備階段詢問學生對于物理實驗的設想、已有認知經驗等，綜合判斷學生的整體認知水平，由此預設難度適宜的實驗探究任務。比如，在“科學探究“加速度與力、質量的關系”一課教學實踐中，筆者便在課前詳細了解了學生的物理認知狀態與實驗操作經驗。學生在理論學習活動中已經掌握了力、質量、加速度等多個物理概念，也知道力是改變物體運動狀態的決定性要素，能夠自主分析物體的受力情況，也已經在前期的實驗探究活動中掌握了打點計時器的使用方法，具備一定的實驗探究能力。但是，本班對于加速度、力與質量之間的關系認識并不深刻，也缺少自主設計、實施實驗方案的豐富經驗。對此，筆者便由此設計了本節實驗課的主要任務。

任務一：自主設計實驗方案，選擇合適的實驗設備、道具等，說明實驗猜想與操作方案。

任務二：通過實驗操作與觀察總結出加速度與力、質量之間的關系，并且能夠寫清楚在探究三個要素關系時的實驗操作行為、所產生的具體現象與結論等。

任務三：總結出決定物體加速度的具體因素，并且能夠使用控制變量法、圖像法改變實驗條件，自主計算加速度的大小。

由此，本班學生則可圍繞上述幾個實驗任務展開探究與思考，自主遷移已有實驗探究經驗與物理理論知識儲備。

其次，按照難易遞進的結構呈現出各個探究任務，使學生能夠一直處于挑戰自我、勇于突破的學習狀態之中，同時也能兼顧學生的差異性需求，確保學生能夠順利實現有意義學習。在上述“科學探究：加速度與力、質量的關系”一課教學實踐中，筆者所設計的三個學習任務便具備難度遞進的特點，比如，任務一則要求學生從整體上規劃本輪實驗活動的操作方案、實施計劃等，鼓勵學生展開實驗猜想與思考，自主遷移已有的實驗探究經驗去預設可行的實驗方案；待確定好實驗方案之后，學生便要圍繞第二個探究認為去驗證、推導加速度與力、質量之間的關系，自主分析決定物體加速度的主要因素，根據實驗現象與具體的實驗操作步驟去總結關鍵結論，嘗試展開實驗探究，自主生成物理知識；待學生積累了一定的實驗探究經驗之后，則可圍繞探究任務三去總結豐富的實驗探究經驗，根據自己所使用的圖像法、控制變量法等去總結出科學的研究方法，從具象過渡到抽象層面，以便在其他相似的物理實驗中自主遷移各個物理研究方法。由此，則可逐步提升學生的實驗探究水平，也將真正為學生的素質發展做好充分準備。

值得一提的是，在實驗開始之前設計具體的實驗探究任務是非常有利于重構師生關系的，將切實突出學生的主體探究作用，也能優化一線教師的主導行為，是提高實驗教學效率的一個保障條件。

（三）開展開放的實驗探究

前面在反思現階段高中物理實驗教學現狀時提出學生在實驗活動中的自主性不強，通常是以接受式的學習方式一步步落實教師所提出的要求，因此限制了實驗教學的效益。對于這一點，高中物理教師便要在實驗活動中開展學生探究活動，引導學生自主觀察、操作、驗證、質疑等，根據實驗任務的提示逐步建構物理概念，完成實驗論證與分析。在此方面，高中物理教師則可設計學生分組實驗，一方面是要通過組內成員之間的合作交流去優化學生的物理認知狀態，確保實驗活動能夠落到實處，另一方面便是要保證全體學生都能參與到實驗活動之中，避免因為設備不足、學生人數過多等原因而導致探究式實驗活動流于形式。

比如，在“科學探究：機械能守恒定律”一課教學實踐中，筆者便組織學生以小組為單位參與到實驗探究活動中。在組建實驗小組時，筆者綜合考慮了學生的認知特點、在實驗方面所展現出來的智力潛能，將具有不同智能優勢的學生分到一個小組內，鼓勵學生以異質合作的方式共同參與到實驗探究活動中。待確定好小組成員之后，筆者鼓勵學生在組內確定每個成員的具體職責，分別負責管理實驗設備與素材、負責記錄實驗數據與現象、負責搭建實驗設備并且控制實驗變量等，使每個學生都能在小組內承擔起一定的實驗探究責任。接下來，各小組則可自主參與驗證機械能守恒定律的實驗探究活動中，認真記錄實驗數據、處理數據誤差等，總結出機械能守恒定律的具體內容，也要寫清楚動能與勢能之間的轉換條件與轉換方式，使用物理語言與符號化信息去記錄實驗現象。在小組探究活動中，各小組需認真寫清楚每一個實驗步驟、操作方法，以及對應的實驗現象與結論，善于記錄實驗數據，以便在后續的實驗展示與分享活動中提供證據。

在實驗探究活動中，有的小組因為對實驗條件、變量的控制出現問題而陷入認知瓶頸，無法總結出動能與勢能在轉化中存在的定量關系。對此，教師則應觀看小組所撰寫的實驗操作報告、方案等各項資料，幫助小組梳理實驗探究思路與操作手法，同時也要指導各個小組調整必要的實驗變量與操作方式，利用實驗意外進一步開發學生的認知潛能，優化學生的物理認知與探究行為。在此過程中，教師只能以指導者的身份與小組互動，切忌直接否定小組的實驗探究思路，否則很有可能會打擊學生的探究熱情，不利于提高學生的實驗探究能力。

在上述案例中，教師采用異質分組的方式優化了生生互助關系，其作用是要充分發揮學生的個人智能優勢，通過互助與合作生成集體智慧，使每一個學生都能在同伴互助與啟迪下形成一定的物理認知能力。這就有助于優化學生的物理探究行為，也能提高實驗教學的效率，在提升學生科學探究、發展學生科學思維方面是具有積極的促進作用的。

（四）注重即時的實驗展示

實驗展示不僅能夠展現具體的實驗現象與結果，也將切實優化學生的邏輯思維，便于培養學生的物理表達能力。同時，實驗展示活動也將促進生生之間共享實驗探究經驗，一同討論優化實驗方案的更多方法，達到開闊學生的探究思維，豐富學生實驗操作經驗的目的，也非常有利于培養學生的物理素養。因此，高中物理教師也要設計即時的實驗展示與交流活動，切實優化學生的物理素養。

比如，在“科學探究：平拋運動的特點”一課教學實踐中，學生便通過小組合作的方式參與到平拋運動的實驗探究活動中，根據平拋運動的運動方向總結出水平方向的勻速直線運動、豎直方向的自由落體運動兩類，還通過小組討論總結出了生活中物體發生平拋運動的具體現象，自主應用了運動的合成與分解知識。待各個小組完成實驗探究與驗證任務之后，筆者便組織本班學生進行了實驗展示，以小組為單位演示物體做平拋運動的條件、現象，從中分析利用運動的合成與分解知識去處理曲線運動的基本探究思路。在實驗展示活動中，各小組可直接利用投影設備展示本小組設計的實驗方案、探究計劃、所觀察并記錄的實驗數據與計算過程等多個資料，使用具體的實驗數據去驗證實驗結論。這有利于優化學生的物理表達能力，也能培養學生實事求是、用數據說話的科學態度。另外，在小組展示活動中，各小組不必重復已經闡述過的實驗結論，需重點展示本小組的創新思維、探究結論，同時也可根據本小組與其他小組所得出的不同結論提出質疑與反駁，與其他同學一同討論平拋運動的特點以及運動的合成、分解規律。由此，則可進一步提高學生的理性思維能力，便于學生在展示、分享活動中進一步內化實驗結論。另外，小組展示也將有利于培養學生的優化思想，使其能懂得虛心學習、精益求精，潛移默化地端正學生的科學態度。

（五）組織課外的延伸活動

實驗教學不僅應該發生在課堂上，還應伴隨著學生的日常生活、科學論證與創造發明展開，使學生在課外探究中切實形成良好的創新素養與科學素養。對此，高中物理教師則可根據學生的興趣喜好設計課外實驗延伸與拓展活動，切實豐富學生的實驗探究經驗，進一步培養學生的物理素養。

比如，在“科學探究：向心力”一課教學實踐中，筆者便組織學生在課堂上探究了向心力的運動軌跡、運動方向，以及計算向心力大小的物理公式，使學生能夠在實驗探究與論證中把握向心力的概念、產生條件等。在此基礎上，筆者設計了一輪課外實驗拓展活動，即學生以“向心力”為基礎去設計一個“繩球”，通過外力的作用轉動繩球，并且要計算繩球在運動中所產生的向心力。對此，學生則需在課外自主搜集生活物資、制作繩球，還要積極遷移向心力知識去展開相應的物理計算，總結繩球的運動軌跡與運動方向等。由此，便可進一步提升學生的物理探究與實驗論證能力，也有助于初步培養學生的創新思維。

結束語

總而言之，在高中物理教學中開展實驗活動不僅可促進學生的學，也將從多個角度綜合發展學生的物理素養。對此，高中物理教師應在核心素養目標引領下重視實驗教學，設計豐富的、開放的實驗探究活動，豐富學生觀察、操作與創新的機會，使學生在實驗探究中自主建構與生成物理概念，以便逐步發展學生的物理素養。

參考文獻

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