基于學科核心素養的微實驗開發與應用研究

楊定容

［摘 要］文章論述了基于核心素養的微實驗開發與應用，彌補了教材實驗資源的不足，引起了學生強烈的認知沖突，激發了學生探究問題的欲望。在實際教學中，微實驗能使抽象知識變得形象直觀，從而有效突破教學重難點，為學生高階思維的培養提供“外援”性幫助。

［關鍵詞］微實驗；核心素養；實驗探究

［中圖分類號］? ? G633.7? ? ? ? ［文獻標識碼］? ? A? ? ? ? ［文章編號］? ? 1674-6058（2023）20-0061-04

在高中物理教學中，取材方便、現象明顯且能切中教學要點的微實驗深受廣大師生的歡迎。教師借助微實驗的開發與應用，能夠為學生創新設計更多結合現實生活的情境。這些情境可以增加學生的感性認識，同時還可以調動學生學習物理的積極性。在實際教學中，教師整合微實驗資源、設計微實驗方案能夠有效突破實驗教學難點，提升學生的物理學科核心素養。

一、基于核心素養開發微實驗的原則

《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標準》）的實施建議”中明確指出，要利用日常用品改進實驗或開發新實驗，實驗課程資源不僅限于實驗室現有的儀器和設備，日常用品、廢舊材料也是重要的實驗室資源［1］。特別指出“利用日常用品和材料作為實驗材料，可使實驗現象更明顯、直觀”。這樣，可使學生擁有更多親歷實驗演示和動手做實驗的機會，可以培養和發展學生的實驗技能和實踐能力。在實際教學過程中，高中物理微實驗的開發應遵循以下三個原則。

（一）實用性原則

物理微實驗器材的選擇應秉持簡潔實用的原則，所用器材的原材料應盡量來源于日常生活或者是實驗室的常見器材，這樣取材容易，教師和學生隨時隨地都可進行實驗探究。

（二）啟發性原則

利用常見材料開發微實驗，用于課堂教學或者學生課后探究，對提升學生的核心素養要有啟發性，不要讓學生只是關注表面的實驗現象，應要啟發學生對實驗現象背后的本質原因進行深入探究。

（三）創新性原則

物理微實驗的開發要具有一定的創新性，通過創新設計新的實驗，以激發學生的創新意識。

二、基于核心素養開發微實驗的意義

（一）開發微實驗，補充現有實驗資源

受原有實驗室資源短缺或者環境等因素的影響，教材上的有些實驗難以成功演示或者演示現象不明顯，教師在工作之余，適當開發一些實用的微實驗，在課堂上演示或者讓學生分組實驗，可增強物理教學實效。

（二）應用微實驗，引發學生的認知沖突，激發學生的探究欲望

新課標重視對學生科學探究素養的培養，因此，在教學過程中教師要關注核心素養目標的落實。為此，在實際教學中教師應注意創設合適的情境，增加學生對物理現象的感性認識，提出學生感興趣的待解決的問題，啟發學生思維，提升學生學習的主動性。讓學生在教師的引導下遷移所學知識方法開展探究，提升學生的抽象概括能力，幫助學生形成物理觀念或總結物理規律。實踐表明，學生處于適度的認知沖突中應用學習的動力最強［2］。通過微實驗，學生能夠親身感受真實的問題，引發認知沖突，自發地發現問題、提出問題，進而激發學生解決問題的原始內驅力，激發學生建構物理概念和探究物理規律的欲望，培養學生的科學探究能力。

（三）應用微實驗，化抽象為形象，有效突破教學難點

高中物理知識難度較大，學生不容易理解掌握，在核心素養導向下，需要培養學生的高階思維。而學生高階思維的培養不是一蹴而就的，需要在日常教學中螺旋上升。因此，在日常教學中教師需要開發一些微實驗，為學生高階思維的培養提供幫助，使抽象的知識更加形象，從而突破教學難點。

三、基于核心素養的微實驗案例分析

案例1.“光的衍射”

在“光的衍射”一節中，根據生活經驗，學生對“光沿直線傳播”的觀念根深蒂固，要讓學生的觀念轉變為“光是一種波”是本節課的難點。教材是用可調單縫裝置演示縫寬對衍射現象的影響。不少學校沒有可調單縫裝置或者可調單縫裝置不足，這樣會影響教師的演示實驗或者學生的分組實驗。

為了彌補實驗資源的不足，教師可用常見的牙簽和長尾夾開發如圖1所示的微實驗裝置。

如圖1所示，使兩根牙簽豎立形成一個從上到下、從寬到窄的狹縫，便可替代可調單縫裝置。

（1）讓激光通過狹縫的上部，這樣可以在屏上看到一個明暗相間的條紋，中間的亮紋比較寬，旁邊的亮紋比較窄一些。然后將激光往下移動，當狹縫比較窄時，可看到中間的亮紋比較寬。這樣可得到：光照射上面比較寬、下面比較窄的狹縫時，就能比較直觀地得到縫寬對衍射現象的影響，即縫越寬，中間亮紋越窄；縫越窄，中央亮紋越寬，衍射現象越明顯。

（2）教材中只展示了紅光的衍射現象，沒有呈現不同顏色的光的衍射現象，這不利于學生得到光的波長可以影響衍射現象的結論。可讓紅色激光和綠色激光通過同一個狹縫，然后在屏上固定一把直尺，通過定量比較中間亮紋的寬度，得出不同波長的光通過衍射所得中央亮紋寬度不同。實驗發現，紅光通過狹縫后中央亮紋的寬為10 mm，而綠光通過同一個狹縫中央亮紋只有7 mm，學生可以直觀定量比較兩種顏色的光中央亮紋的寬度：紅光的中央亮紋比綠光的寬。通過實驗可得：波長越長，中央亮紋越寬，衍射現象越明顯。

利用身邊常見的物品制作微實驗裝置，不僅解決了實驗資源不足的問題，還讓學生感到物理實驗不是只能用精密的儀器才能完成，利用身邊的物品也可進行實驗探究。有的微實驗取材方便易得，實驗現象明顯，拉近了物理學習與生活的距離，激發了學生的探究欲望。

案例2.“靜電現象的應用”

學生對看不見摸不著的抽象的“場”認知比較模糊，對靜電現象的相關應用了解較少。在傳統的物理課堂教學中，一般通過播放高壓電擊裝有人的鐵籠，而人卻安然無恙的視頻引入課堂教學，雖然該視頻十分震撼，但學生依然認為該實驗像是魔術，是假實驗，學生又不能現場體驗，因此，內心不能完全接受，這樣教學效果不理想。

在實際教學中，教師可以利用收音機、玻璃罩、金屬籠等實驗室中常見的器材制作微實驗，通過對比引入新課。

提出問題：分別將玻璃罩與金屬籠放置在收音機上，哪種方式對收音機接收信號的影響較大？

教師演示：調節收音機，使其發出清晰的聲音，先放上密不透風的玻璃罩。

現象：發現收音機的音量雖有減小但聲音仍然清晰。

教師演示：換用帶有孔洞的金屬籠罩，將金屬籠罩在收音機上。

現象：金屬籠罩放上的一瞬間，收音機發出的聲音立即由清晰的聲音變為雜亂的電流聲。

通過該實驗發現：帶有孔洞的金屬籠罩比密不透風的玻璃罩對收音機接收信號的影響更大，有別于一般課堂中利用視頻引入教學，該引入實驗與常規認知沖突的實驗現象，讓學生更加真實地感受實驗現象，從而激發學生的求知欲。

通過上面的對比實驗，有效引發了學生的認知沖突，激發了學生的探究欲望。本節課需要學生掌握以下兩個知識點：一是處于靜電平衡狀態的導體內部電場處處為零；二是處于靜電平衡的導體是個等勢體，其表面是一個等勢面。針對這部分內容，教材利用了不規則導體的電場分布圖進行說明，理論分析具體，但缺少一定的實驗佐證。教材所涉及的相關實驗也僅僅對靜電平衡狀態下導體內部電場處處為零進行驗證，為下一步提出靜電屏蔽做鋪墊，但在該實驗的實際演示中我們發現其實驗現象極易受天氣影響，演示效果大打折扣，學生對該部分內容也感到十分困惑。為此，可利用自制的微實驗進行實驗探究，將抽象的理論知識轉化為形象的演示現象。

將電子起電機與正對的兩片金屬鋁板連接，兩板之間產生近似的勻強電場，利用自制的驗電羽代替驗電器，這樣更有利于學生觀察實驗現象。

首先打開電子起電機的開關使兩板帶電，發現驗電羽張開，說明兩板之間存在電場，接下來放上金屬籠罩，發現金屬籠罩放上的一瞬間驗電羽立即閉合，說明金屬籠罩內不存在電場。可以定性地得出該實驗結論：導體內部電場處處為零。

利用該實驗進行深入探究。由于學生已經學過兩平行金屬板之間可以產生近似的勻強電場，也知道沿電場線方向電勢不斷降低，因此教師可以引導學生利用電場和電勢之間的關系設計實驗，證明處于靜電平衡的導體內部電場處處為零。通過沿空間某一方向移動探針的過程中電勢是否發生變化判斷空間中該方向是否存在電場，因此測電勢成為該實驗中非常重要的一環，但由于電勢具有相對性，測量起來仍存在一定的困難，對此教師可引導學生轉換測量對象。將測電勢轉化為測電勢差，那么就需要一個測量電勢差的工具——靜電計。可將靜電計的外殼接地并連接負板，與內部指針相連的金屬球連接帶探針的導線，觀察探針在金屬板間移動的過程中靜電計指針的偏轉情況。具體可進行如下實驗探究。

［微實驗一］探究靜電平衡導體內部電場處處為零。

實驗：探針靠近金屬板正極板處，接通電子起電機電源，待靜電計指針偏轉角穩定后，沿電場線方向水平移動探針。

現象：在移動探針的過程中，靜電計指針的偏轉角不斷減小。

結論：探針在移動過程中兩板之間的電勢差在不斷減小，沿著水平方向電勢在不斷降低，說明兩板間確實存在水平方向的電場。

實驗： 在電場里放上金屬籠，將探針放置在金屬籠內部，待靜電計指針偏轉角穩定之后，重復剛才水平路徑移動探針。

現象：在移動探針的過程中，靜電計指針偏轉角幾乎不發生變化。

結論：探針在移動過程中兩板之間的電勢差不變，沿水平方向電勢不變，說明處于靜電平衡狀態的導體內部電場處處為零。

評析：通過微實驗探究，可將教材中的定性實驗變為半定量探究實驗，這樣更符合學生的認知規律，從而有效提升學生的物理學科核心素養。

［微實驗二］探究靜電平衡導體是等勢體，導體表面是一個等勢面。

實驗：探針放置在金屬籠內任意位置處，待靜電計指針偏轉穩定后，將探針在金屬籠內各處移動，觀察靜電計指針的偏轉情況。

現象：靜電計指針偏轉角幾乎不變。

實驗：探針放置在金屬籠上沿任意路徑移動，觀察靜電計指針的偏轉情況。

現象：整個移動過程中，靜電計指針偏轉角幾乎不動。

結論：處于靜電平衡的導體是一個等勢體，表面是一個等勢面。

評析：通過微實驗探究，可將教材中的定性實驗變為半定量探究實驗，將抽象的理論分析轉化為形象的實驗演示，從而引導學生從感性與理性的不同角度得到物理規律，這樣更符合學生的認知規律，從而有效落實課堂教學對學生物理學科核心素養的培養。

有效整合實驗室已有的儀器，設計新的微實驗裝置，以及對資源的再開發與應用，充分發揮了教師和學生的創造性，培養了學生的學科核心素養。

案例3.“探究感應電流產生條件”

本節課需要讓學生探究得到感應電流產生的條件：只要穿過閉合回路的磁通量發生變化，閉合電路中就會產生感應電流。

本節課的難點是如何讓學生從初中已有“切割”思想轉變為磁通量的變化。

教材通過以下兩個實驗探究感應電流產生的條件。首先，當條形磁體插入、撥出線圈時，觀察線圈中是否產生感應電流。其次，通過閉合、斷開引起感應電流電路的開關或者改變電路中滑動變阻器的電阻，觀察線圈中是否產生感應電流。教材實驗，無論是磁鐵的插拔，還是電流的調節，都歸結到磁感應強度的變化上，分析情景單一，而且實驗連線耗時、電路復雜，連接電路就給學生帶來很大的困難，學生的關注點不容易放在對實驗現象的分析上，難以突破教學難點。

在此基礎上，使用兩板間可視為勻強磁場的電磁感應演示器，通過設計系列微實驗探究線圈中是否有感應電流產生。

［微實驗一］切割磁感線運動沒有感應電流。

實驗：讓線圈在磁場中水平運動。

現象：沒有感應電流產生。

結論：說明切割磁感線不是產生感應電流的條件。

評析：通過該微實驗學生發現：閉合回路導體切割磁感線并不是產生感應電流的充要條件。顛覆了學生的初中認識，形成了強烈的認知沖突，有利于思維進階。那么是否初中所學的知識就是錯誤的呢？提出問題：什么才是產生感應電流的條件呢？為后續的探究做好鋪墊。

［微實驗二］面積S不變，B改變，有感應電流。

實驗：讓線圈垂直放置在磁場中，通過改變電磁感應演示器電流的大小，從而改變磁感應強度B的大小。

現象：有感應電流產生。

評析：打破切割與產生感應電流之間的聯系，并讓學生初步了解感應電流的產生與磁場變化有關。

［微實驗三］B不變，面積S變化 ，有感應電流。

實驗：利用自制的折扇線圈垂直放置在磁場中，保持磁感應強度B不變，通過開關扇子改變線圈的面積。

現象：有感應電流產生。

評析：讓學生對“切割”前概念的認知進階為對“閉合回路面積”的理解，進一步認識到感應的電流與面積變化有關。

運用控制變量法探究B或S變化時會產生感應電流，感應電流生于“變”之時。

提出問題：改變B或S一定會產生感應電流嗎？

［微實驗四］B變化，S不變，無感應電流。

實驗：如圖2所示是用蹄形磁鐵自制的微實驗裝置。將卷筒紙固定在蹄形磁鐵的中心軸線上，把線圈套在透明膠框架上并加以固定，把線圈套在卷筒紙上，并接入靈敏電流計，讓線圈沿著卷筒紙上下移動，注意觀察電流計指針是否偏轉。

現象：并無感應電流。

提出問題：為什么沒有感應電流呢？

引導學生畫出如圖3所示的穿過線圈的磁感線。

學生發現：磁場雖然變化了，但磁感線穿進又穿出，等效于沒有穿過回路，而磁感線的條數表示磁通量。因此，沒有感應電流，本質在于磁通量不變。

評析：經過系列微實驗操作后，學生不難歸納得出：之前的實驗改變B或S會產生感應電流，本質是磁通量變化。因此，從磁通量變化的角度得出本節課的教學難點：感應電流產生的一般性條件——穿過閉合回路的磁通量發生變化。

利用身邊的物品和實驗室中的一些儀器組合開發微實驗，不僅能讓資源的利用率最大化，還能使抽象的知識形象化，進而突破教學難點，讓學生在日常教學中也可以進行實驗探究，另外，還可以有效提升學生的核心素養。

隨著新課改的推進，開發并利用微實驗，創設更貼近學生生活的教學情境，可有效提升教學質量。為此，教師在平時的教學或生活中，應注重搜集相關素材，開發更多的微實驗。

［? ?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.

［2］? 劉建浩.基于情境認知與學習理論的教學設計：圓周運動［J］.物理教師，2019（7）：31-33.

（責任編輯 易志毅）