基于創新實驗探究的高中物理課堂模式研究

謝恒

摘 要：落實物理學科核心素養的主要途徑是改革物理課堂。新課標要求中學教師從培養學生物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任四個方面開展教學。《基礎教育課程改革綱要》指出，倡導學生主動參與收集信息和處理信息、分析問題和解決問題。基于創新實驗探究的高中物理課堂模式五環節研究，培養高中生物理學科核心素養。

關鍵詞：核心素養；創新實驗；課堂模式研究

一、現階段創新實驗與課堂深度融合的情況分析

《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020年）》指出：高中階段教育是學生個性形成、自主發展的關鍵時期，對提高國民素養和培養創新人才具有特殊意義。在這個階段教師應該重視對學生自主學習能力、適應能力的培養和提升，使得學生可以更加自立自強，有效避免“應試教育”思想在教學中的傾向[1]。然而由于高考壓力、課時不夠、實驗資源不足或者已有的實驗器材的實驗達不到理想的效果，在調查中發現很多教師仍采用講授式教學和強化訓練為主，學生覺得物理難學，對物理學習沒有興趣，學生的自主性和內驅力沒有充分激發，“老師累學生困”是常態。通過大量的優秀案例發現，有趣的實驗探究能提高學生學習興趣，培養學生的探究能力和思維力，可目前以實驗探究為手段的科學探究學習還是比較薄弱。表現在創新實驗與課堂深度融合的可操作性、可復制案例還十分缺乏。

二、創新實驗探究的高中物理課堂模式實施的路徑與方法

（一）堅定教師教學改革理念，發展學生的核心素養

《普通高中物理課程標準》（2017年版）堅持反映時代要求，著力發展學生的核心素養。高中物理學科的核心素養包含4個維度：物理觀念（基礎）、科學探究（路徑）、科學思維（核心）、科學態度與責任（品格）。

通過實驗創新，進行創新實驗探究教學模式，學生主動參與學習，調動了學生學習積極情緒，提高教學效果，找到了理論依據。由美國學者、著名的學習專家愛德加·戴爾（Edgar Dale）提出的“學習金字塔理論”中，學習效果在約30%以下的幾種傳統方式（聽講、閱讀、視聽和示范），都是個人學習或被動學習方式；而學習效果在約50%以上的（學生動手做，小組討論和馬上應用教授他人）都是團隊學習、主動學習和參與式學習方式。通過這個理論可以看出，主動學習、團隊合作以及參與式學習方法的學習效果是比傳統的個人學習和被動學習方式的學習效果更加顯著。教師應堅定教學改革理念，并落實在行動中。

（二）融合創新實驗，高中物理“問題—探究—思維”實驗教學模式的實施

1.實驗探究教學模式實施流程

立足于學生問題意識、探究能力和思維力的提升，構建了以學生為主體，教師為主導的一種新型課堂教學模式，旨在培養學生的自主創新意識和實踐能力。

2.問題驅動思維引導的實驗探究五環節教學模式

經過多年的摸索探究，總結出實驗探究課堂模式實施的五環節以及相對應的措施策略。問題的驅動和思維引導的教學模式是以學生為中心，能夠在創設的情境中提出問題，通過實驗探究解決問題。皮亞杰、維果斯基等人提出的建構主義學習理論認為，學生的學習基于原有知識和經驗進行構建和理解的過程。下面以“探究感應電流產生的條件”為例。環節一：情境創設，導入新課

情境創設是探究的前提。創設物理情境，激發學生學習興趣，營造創新思維環境氛圍，產生認知沖突，激起求知欲，誘發質疑猜想。情境的創設喚起強烈的問題意識，引起學生思考，是問題提出的前提條件。

情境創設的基本方法：以物理故事創設情境；以物理史實創設情境；以物理知識遷移點創設情境；用物理微實驗創設情境等。

物理一般用微實驗創設問題情境，這樣情境的創設更生活化，而且事實勝于雄辯，更能激發學生的探索欲和解決問題的意識。

在《探究感應電流的產生條件》一課中，教師以傳統講授式的方法很難改變學生的初中定式思維：閉合電路部分導體在磁場中切割磁感線會產生感應電流。采用如下探究：

現象1：二極管發光。

學生會驚訝于二極管為什么會發光呢？帶著問題進入新課的學習。

環節二：問題驅動，激發思考

問題驅動是探究的核心。情境的創設激發了學生的問題意識，是探究式學習的起點，改變了傳統教學以知識為思維起點的教學理念，問題能驅動學生自主進行實驗探究，思維的提升依托于在真實情境中解決一個一個的問題后螺旋式的上升。

問題的提出依賴于教學目標的設定，具體的實施如下：一是鉆研教材，確定目標——深挖教材知識的思想方法，確定要培養的目標；二是分析學生，了解基礎——分析學生的興趣、知識、能力，了解學生存在問題可能；三是結合實際，創設問題——結合學校實際，研究并總結能為課程創設問題的資源。

現象2：導體切割磁感線，電流計指針偏轉——與認知相符。

現象3：導體不切割磁感線，電流計指針不偏轉——與認知相符。

結論1：導體切割磁感線有感應電流產生。學生以為這就是產生感應電流的本質。

學生預想：電流計指針一定偏轉。

學生觀察：電流計的指針并沒有偏轉——與認知不相符。

學生：“導體在磁場中切割磁感線能產生感應電流”難道錯了嗎？

用實驗創設情境輕松激發學生沖突，調動學生主動性，學生不禁會提出問題：那產生感應電流究竟需要什么條件呢？

用微小實驗創設問題情境的效果在物理教學上有時候勝過教師的“千言萬語”，正所謂古人所說的眼見為實的觀念。

環節三：科學探究，合作學習

實驗探究是解決問題的路徑。科學探究的方式很多，實驗探究是開展科學探究的有效方法之一，也是核心所在，物理實驗的有效開展可以幫助學生進行嚴謹的科學態度、探究思維以及實事求是精神的培養，能夠內育科學思想，外育處世風格。

實驗探究的目的是解決問題，先分析問題的影響因素，猜想與假設引起問題原因，設計實驗方案驗證，如實記錄、客觀對待所獲取的實驗數據，進行實驗分析及歸納推理。

分析問題：那感應電流的產生需要什么條件呢？引起感應電流產生的原因有哪些呢？可以根據物理建模的思想，把演示2、演示4簡化成示意圖，那么會發現感應電流的產生與線圈在磁場中的面積有關；又由于感應電流的產生是在磁場中發生的，感應電流的產生跟B有關。學生分組進行如下的猜想并合作探究，對實驗結果進行記錄。

猜想和假設1：磁感應強度B不變，線圈面積S變化，是否一定產生感應電流？

設計探究實驗1：讓探測線圈在勻強磁場中繞垂直于磁場的轉軸旋轉，改變有效面積S。

猜想和假設2：線圈面積S不變，磁感應強度B變化，是否一定產生感應電流？

設計探究實驗2：讓實驗3探測線圈所處的磁場發生變化。即探測線圈在亥姆霍茲線圈邊界磁場中做切割磁感線運動。

猜想與假設3：若磁感應強度B變化，線圈面積S也變化，是否一定產生感應電流？

教師介紹自制器材探究實驗4的實驗裝置，演示該實驗，并讓學生觀察實驗中線圈動作及觀察是否有感應電流產生。

環節四：交流總結，模型建構

模型建構是內涵[2]，是課堂的教學目標之一。大道至簡，通過交流總結，透過現象本質，在看似眾多的現象中提煉出一個簡約的規律，剝離掉問題所穿的外衣，找到解決問題的本質，這就是模型建構。模型建構是實驗探究的升華，物理學有一種普遍美就是簡約美，模型建構正是體現了這種簡約美。

通過以上的實驗探究，學生得到結論：感應電流的產生與B有關，與S也有關；在實驗4中，發現當B和S都變化時卻沒有感應電流。那么自然就會想到物理學中與B、與S有關的物理量——磁通量，同學們幡然醒悟，從而得出結論：只要通過閉合回路中的磁通量發生變化，閉合電流中就有感應電流產生。

環節五：拓展應用，思維提升

問題的解決助力思維的提升，思維的提升可以解決更多問題。拓展應用是課堂教學的延伸，是知識的應用，是學生創新能力提升的表現。

設置課外探究活動，調查生活中的電磁現象。比如，電磁爐是怎樣加熱食物的，破損的鐵鍋能否用電磁爐加熱，手機是怎樣實現無線充電的活動等。

三、立足核心素養的發展，研究創新實驗探究策略

（一）教學方式創新，解決實驗探究教學瓶頸的出路是開展常態化的實驗教學

想要有效對當前實驗探究教學中存在的瓶頸進行解決，最根本的方式就是開展常態化的實驗探究教學。那么，如何才能有效開展常態化的實驗教學？

在物理教學中對學生的思維方式和能力的培養主要是依靠課堂教學。課堂是教學主戰場，可課堂時間有限，根據具體學習內容，提煉出需要解決的核心問題，把核心問題拆分成一個個小問題，根據學生發展需要進行局部或完整的實驗探究過程。可以將其中的某一個或某幾個問題在課堂內進行，在問題的驅動下完成一個或者多個實驗探究，這就給每堂課進行科學探究教學提供了操作上的可能。將課堂內容進行拆分，不僅在常規的規律課和概念課上可以實施，在復習課和習題課上也可以進行實驗探究教學，實現真正意義上的實驗探究教學常態化，在一次一次的實驗探究過程中解決一個個問題，學生不斷經歷觀察→體驗→討論→分析→歸納與總結→解決問題的實驗探究模式，思維得到遞進式的不斷螺旋式的提升。

（二）實驗內容創新，對課本上的實驗內容進行深入的研究、開發和設計

要有效開展常態化實驗教學，就需要許許多多個實驗作為學生探究的載體，實驗室器材不足以滿足實驗探究教學，如何開發實驗課程資源？

第一，對課本實驗進行實踐研究。根據高中物理課程標準，對高中物理的力學、電磁學和光學板塊的教材實驗進行實踐研究，對演示實驗和分組探究實驗進行完成度調查，并對能做的實驗進行可行性和優缺點分析。在充分研究實踐的基礎上，結合網絡的優質資源，對原有器材進行改進和創新。例如，對“電荷”知識的教學，在演示靜電感應到現象的實驗時實驗器材效果不理想，于是用兩個易拉罐和兩個指針驗電器制成感應起電演示器，使實驗效果很明顯。

第二，自制教具，發揮學生、教師創造性。在對課本實驗實踐研究的基礎上，發現實驗室缺少一部分進行實驗探究的必需器材。發揮學生和教師的主觀能動性自制實驗教具。例如，在教學《力的合成》一課時，為了形象地理解力的平行四邊形這一知識，我們可以利用生活中裝修的廢棄邊角料自制平行四邊形演示器。

第三，開發系列微實驗，讓實驗情境生活化。在實驗室已有器材和自制教具的基礎上，結合生活經驗，開發系列微實驗促使實驗探究具體化。開發動力學、電學、光學等多個微實驗專題，部分實驗拍攝成了微視頻。

（三）實驗過程創新，優化實驗探究過程，保證其呈現多樣化

多樣化的實驗探究過程是保證科學探究有效開展的靈魂所在。對于同樣的問題，不同的學生思維方式不一樣，分析問題的角度不一樣，設計的實驗方案就會不一樣，收集數據的方式會不一樣，處理數據的方式也不一樣。就論證的方法而言，包括實驗論證、邏輯推理、模型建立、數學歸納、反證等多種方法，這就體現出實驗探究過程的多樣化特征。也正是因為其存在多樣化的特征，實驗探究的有效開展才能有效提升學生的學科核心素養和創新實踐能力。

例如，在《牛頓第二定律》一課教學中，探究加速度與力、加速度與質量的關系，通過問題的創設，引導學生分組自行設計方案，學生設計了三個方案：第一個是傳統的軌道實驗，第二個是用氣墊導軌代替軌道，第三個方案是利用以信息技術為基礎的傳感器探究。

（四）建立創新性實驗室，促進學生的多元化發展

學生自己動手操作，通過對實驗過程的觀察得出結論，這樣的探究實驗過程會更具有說服力，也利于學生探究能力和思維的培養和提升，同時還能夠使得學生意識到實驗對思維認知的影響，以便學生之后實驗的開展和進行[3]。學生利用常規實驗室中實驗器材對自己設計出的實驗方案、猜想和假設進行探究，或者利用相關的實驗儀器對生活中的一些現象進行驗證和探究，促使學生可以得到多元化的發展。另外，學生還可以去實驗中接觸、學習和認識更多科技前沿的東西，建設開放式的智創未來工作室、自動駕駛室、數字化實驗室等創新型實驗室，讓學生利用實驗室器材去進行創新型實驗。例如，學生可以有效利用實驗室中的DIS系統來進行向心力的研究，使得學生對科技的力量有一個有效的認知，進而促進學生科學思維的培養和提升。學校物理實驗室的有效開放，鼓勵學生主動走進實驗室，使用實驗器材進行課內外實驗的自主探究，而在這個過程中，實驗是否成功、結果是否正確是次要的，主要且重要的是學生在進行實驗時的思考和探究過程，這對學生能力的培養和提升以及學生未來的成長和發展都有著關鍵的作用。

結束語

思維是實驗探究的核心，新常態是實驗探究教學的靈魂。對教學新常態的策略進行有效科學的思考探究，有利于學生科學素養、創新探究精神以及綜合能力的培養和發展，促進創新型人才的培養。教師在實驗過程、內容以及教學方法等多方面的創新和優化會對學生產生潛移默化的影響，通過對驗證性實驗、設計性實驗、研究性實驗等物理實驗的有機結合，促進學生自主學習能力和創新能力的提升，對學生科學精神、態度的培養和發展都是大有裨益的。

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020：1.

[2]蔡鐵權，梅尹.模型、建模與物理教學[J].物理教學，2013，35（8）：4-10.

[3]鄺玉蘭，莫黎斌.高中物理習題教學與創新實驗結合的課堂模式探討[J].廣西物理，2022，43（2）：237-241.