立足核心素養，優化實驗設計，開展深度教學
——高中物理實驗教學再思考

李 燕

（甘肅省武威第十八中學，甘肅武威 733000）

核心素養，是每個學生走向社會、終身學習必備的基本能力和關鍵品格，也是物理學科的基本特性和發展動力。新課標指引下，新教材、新高考也在全國漸次推進，不論教材設計還是高考引領都指向一個目標：落實立德樹人、堅持五育并舉，突出學生學習感受和自我獲得。因而落實核心素養就成為高中物理教學的主要目標。在日常的高中教學中，實驗教學是涵育學生核心素養的有效抓手。

一、明確核心素養要求，洞悉實驗考察導向

根據核心素養要求，首先，教師要幫助學生以物理學的視角認識和理解自然，形成物理觀念；其次，引導學生以分析綜合、推理論證的方法，探究事物本質、把握內在規律，甚至質疑、檢驗、批判或修正一些觀點，體會科學研究方法，養成科學思維；再次，協助學生基于觀察及實驗，提出問題、形成猜想、設計實驗、處理信息、得出結論，乃至分享和反思探究過程與結論，進行科學探究；最后，引領學生在認識科學、探究現象的過程中，形成實事求是、嚴謹認真和持之以恒的科學態度。

新課標強調高中物理教學應該注重實驗教學，以此幫助學生提升科學探究能力、養成科學態度。2019 年，教育部頒布的《關于加強和改進中小學實驗教學的意見》進一步肯定了實驗教學在中學課程和人才培養中的重要地位，并發出了“注重實效，強化學生實踐操作、情境體驗、探索求知、親身感悟和創新創造”的倡議。比較分析近三年高考的全國卷物理試題不難發現，實驗題的考查緊扣核心素養要求，以問題情境為依托，全面考核學生的實驗能力、實踐能力、探究素養，全面考查學生單一、多元和關聯結構水平三個層次的能力，其中關聯結構層次水平的考察占比最大。這將引領高中物理實驗教學的新方向——重實踐、真探究、貼近學生生活，創新優化實驗設計，解決實際問題，涵育學生核心素養［1］。

二、立意核心素養涵育，優化實驗教學設計

物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任四大素養是中學階段教育教學的主要目標，是評價中學教育教學活動的主要依據，是中學生走向社會必備的關鍵能力和必要品格，是學生未來持續學習、不斷提高的基礎所在。眾所周知，核心素養的養成絕非依靠一兩節課一蹴而就，也非學生一朝頓悟、豁然開朗，而是在整個高中乃至初高中階段經年累月的熏陶、洗染，逐漸獲得的。優化實驗教學設計是落實核心素養涵育的不二選擇。

優化實驗設計，首先要精選實驗內容。由于高考人才選拔帶來的巨大壓力，高中教學時間緊、任務重。因此，落實核心素養的物理實驗教學就需要統籌規劃、精心遴選，將高中教學中所有的實驗內容通盤考量，刪繁就簡、去粗存精，節省教學時間，依據四大素養的涵育要求和層次劃分，由淺入深、環環相扣地設計演示實驗、學生實驗或學生課外實驗。

優化實驗設計，其次要優化實驗過程。物理實驗教學中，選擇什么工具、如何使用工具、怎么設計實驗、如何操作過程、怎么處理數據和分析誤差、如何解釋實驗結果、撰寫并交流實驗報告，最能體現師生的物理觀念、科學思維、科學探究過程、科學態度。但是每個學生的認知基礎、素養能力、思維習慣千差萬別。故而，作為教學活動的主導，物理教師需要分層設計問題，循循善誘，讓課堂中學生的科學探究活動自然而然；精選問題，設問嚴謹，求真求實，解讀準確，讓學生在學習過程中養成科學思維；依托生活，激發興趣，創設情境，搭建聯系，幫助學生形成基本的物理觀念。

三、依托物理實驗教學，引導學生深度學習

建構主義特別強調學習者的主動性，認為知識并非由教師傳授而獲得，而是學生在一定的社會文化情境中，借助他人的幫助，利用必要的學習材料，經過意義建構而獲得。這種所學內容認知結構的意義建構，是學習的最終目標。因此，本文所謂深度教學，即是一種主動的、探究式的、理解性的教學活動形式。該形式特別關注學生學習的興趣度，學習內容的關聯度，學習主體的參與度，學習思維的提升度，學習技能的轉化度，學習反思的批判度［2］。在物理實驗教學活動中開展深度教學，可以從以下幾個角度探索。

（一）分層設計，提高學生學習體驗

就整體而言，每個學生的素養參差不齊不容忽視；就個體而論，每個學生在不同的能力層次上層層遞進。2017 版課程標準將高中物理學業質量劃分為五個水平并提出建議，要讓學生參與設計實驗、動手操作，觀察現象、記錄數據，分析歸納、得出結論，全方位地培養學生的科學探究能力［3］。因此，在實驗教學中，教師要格外重視分層教學，讓不同能力層次水平的學生，在同一個實驗教學活動中獲得不同層次的提升，進而實現教學中的最佳效果。

首先，實驗的問題設計要由淺入深，層層遞進。學生是學習活動的主體，學習行為的發生是知識建構的過程，只有在學生已經具備的認知水平之上設計新知識，學生才能更好地理解和消化；只有在學生已經具備的能力基礎之上，略做提高，能力的遷移才能發生。教學活動最大可能地讓所有學生參與其中，讓每個學生有所收獲、有所成長，這是以人為本的體現，是課堂教學的責任使然，也是全社會的共同愿望。然而，要讓不同認識和能力水平的學生都能參與實驗過程，都能發現、提出、思考和解決問題，這就要求教師這一教學行為的主導在實驗教學設計中充分尊重學情，立足物理觀念，遵循探究原則，引導學生觀察現象、發現問題，使用簡單器材手機數據，整理數據、得出結論，分析數據、發現特點、形成結論，發現規律、解釋實驗誤差，撰寫實驗報告，交流實驗結果。

其次，實驗的過程設計要滲透物理學科素養。眾所周知，物理學科是一門以實驗為基礎、以數學為表達方式的自然科學，實驗是物理學科發展的生命。實驗教學，能幫助學生體會物理學家不斷克服困難、追求真理的思維過程，養成嚴謹仔細、實事求是的科學態度，鍛煉動手實踐、溝通合作的基本能力。物理實驗操作有不同的能力水平要求，需要學生觀察和發現問題，選用恰當的工具解決問題，處理實驗誤差，整理分析實驗數據，撰寫實驗報告，交流實驗結果。

再次，實驗教學過程要注重學生參與。學生親自參與、自主探究，就能更好地理解實驗的本質，形成科學探究思維，獲得知識遷移能力，提升科學探究素養。學生參與，首先體現在活動上，讓盡可能多的人參與其中，這就要求多做學生實驗，或將實驗生活化；其次體現在思維上，讓更多的人有所思考、有所收獲，這就要求問題分層，設計全面。例如《實驗：探究加速度與力、質量的關系》中，通過回憶探究小車速度隨時間變化的規律實驗，提問1：我們能否通過研究小車的運動探究加速度與力、質量的關系？提問2：我們需要測量哪些量？提問3：請你運用勻變速直線運動的規律，談談測量物體加速度的方法。提問4：槽碼通過細線牽引著小車運動，如何使牽引力變為小車的合力？必須測量出牽引力的數值嗎？提問5：研究涉及多個變量的規律時，常用到控制變量法，閱讀教科書第86 頁的科學方法，談談本實驗中是否會用到此方法，若用到，請相互討論確定實驗探究方案。

師生互動、生生互動，往往是判定學生參與教學活動的重要參考。但是互動不能體現在看似熱熱鬧鬧的淺表的所謂活動上，而是要看互動之下學生思維的活躍度，比如物理觀念有沒有變得更清晰，認識有沒有走向更深入，思維有沒有發展得更批判、更辯證，新舊認知之間的建構能否變得更自然、更有效，知識遷移能力、實驗操作能力是否有提高。因此，實驗教學要注重學生的深度參與，尤其要引導學生創新實驗設計［4］。

（二）創設情境，激發學生探究興味

善于從自然界、社會生活中觀察和發現問題，進而解決問題，是激發學生求知欲的最佳方式，也是進行科學探究的靈魂所在。問題的產生離不開具體的情境，因而在實驗教學中創設恰當的情境尤為關鍵，其不僅能激發學生學習的興趣，還能拉近教學與學生認知的距離。

首先，教學情境要貼近學生生活。依據學生熟悉的生活情境，依托基本的物理實驗模型，利用必要的實驗器材設計方案，也成為新高考創新實驗的命題思路。例如2020 年江蘇高考實驗題以疫情期間居家學習的生活情境為背景，某同學在家里利用手機、刻度尺、乒乓球這些常見的生活、學習用品為工具，自主設計和開展自由落體運動試驗為范例。較之于教材中設計的以小鐵球和打點計時器測定重力加速度的方法，上述實驗所采用的利用手機攝像、選取相等間隔時間的三幀圖片為材料分析重力加速度的試驗模型，實驗儀器新穎，不但激發了學生學習的興趣，更能引導學生創新實驗設計。尤其是該題目還涉及因實驗者的手稍微晃動導致小球偏離豎直方向的情境，實驗過程高度真實，貼近生活，又具有思維考察深度，直指運動的合成與分解這一難點問題。這一創新設計，考查了學生觀察能力、增強了其問題意識，也鍛煉了其探究能力。

結合生活實際創設物理實驗不但能拓寬學生視野，提高學生學習興趣，還能拉近物理學科與社會生活的距離，增進學生對物理實驗的親切感，進而有效地調動其學習的潛能和主觀能動性。例如，筆者在力的合成與分解一課中設計了如下實驗：將牽引繩一端固定，另一端拴在小轎車拖車鉤上，牽引繩略短于固定點與汽車距離且剛好繃直，汽車前輪前方墊小石片，松開手剎。先讓健壯的男生在車頭附近拉牽引繩，汽車輕微搖晃，并不向前；再讓體質一般的女生于牽引繩中端向外拉扯，汽車輕松越過石片向前。實驗效果很好，不但讓學生更好地理解了力的合成與分解，而且激發起他們對物理實驗的興趣和物理學習的積極性。再如，彈簧形變與力的大小一課中，筆者讓學生自帶橡皮筋，現場拉扯感受形變與力的大小關系。

其次，情境設計以引導學生探究為目的。課堂上，教師是學習活動的組織者、引導員，需要事先謀劃學什么、怎么學，同時也要格外重視課堂的生成，在生成性問題上繩愆糾謬，或給出建議，使學生搜證求解，持續思考，深化探究。恰當的情境設置，能引起學習探究的興趣，比較清晰地展示基本物理現象，有效激發學生疑問或建構認知聯系。歸根結底，教學情境的設計要服務于學生的學習活動，尤其要助力于學生實驗中科學探究。從學生實際的認知經驗出發，遵循學生的思維方式，引導其初步探究，反思問題、總結經驗，二次改進、重新探索，再次反思提升，在不斷地自我否定中尋求自我建構，形成物理觀念，養成科學態度和科學精神。

（三）自制教具，提高學生創新能力

透過風靡當下的STEM 教育，不難察覺教育者想要培養能將理論與生活實際相結合的創新型人才的迫切愿望，地區性高考試題的命制也逐漸走向這一趨勢。利用生活中的器材自主設計實驗，不斷改進優化方案，以此得出實驗結論，是培養學生創新能力、提高其創新意識的有效途徑。因此，根據家庭和生活環境，利用常見的器材和工具，鼓勵和指導學生自制實驗教具很有必要。利用自制低成本教具進行實驗探究活動，不但利于學生動手發展實驗技能，還能培養學生的創新意識［5］。況且，在自制物理實驗教具的過程中，經過對探究什么問題、選用什么工具、怎樣改進工具、如何優化過程、怎么處理數據的思考，不僅能提高學生的實踐、操作能力，還能充分涵育學生的物理觀念、科學探究和科學態度等核心素養。

首先，教師要講明紀律要求，確保教具制作安全。指導學生自制教具，要保證教具原材料、制作及使用過程安全可靠。自制教具，一般有兩個目的，一是讓實驗現象更加清晰，二是訓練學生的動手操作能力和創新意識。對高中而言，自制教具的開發還得是低成本的，教具器材往往是常見的、便宜的生活或學習用品。電學和力學實驗中，不可避免要接入電流，毋庸置疑，這對學生人身安全有或大或小的威脅。因此，在指導學生自制教具的活動中，教師要講明具體要求和注意事項，確保制作材料對學生無害，制作過程安全。

其次，教師要做好示范引領，不斷優化自制教具。學習活動，也是從模仿到超越的過程。想要學生做出合適的、能輔助教學的自制教具，自然離不開教師的示范引領。好的作品，總是歷經無數次的嘗試、磨合、修改、完善的結果。限于生活、知識經驗欠缺，囿于時間緊張，學生自制教具尚有較高的難度。但是，學生根據教學需要，自制教具、利用教具設計實驗，解決問題，對高中生物理核心素養的意義不言而喻。教師的自制教具，是學生從外形模仿和學習的范例；教師優化教具的過程，是學生追求真理、進行科學探究乃至創新的引領。

再次，教師要動態跟蹤過程，激勵學生創新教具。創新能力和創新意識，是高端人才競爭的核心，創新也是民族發展的靈魂所在。引導學生自制教具，是培育其創新意識、鍛煉其創新能力的最佳途徑。學生自制教具如果一味模仿，沒有創新，就無法超越，也無法激發學生持續的科學探究思維與能力。因此，從素養出發，教師需要跟蹤學生教具制作始終，不斷建議、引導，助推學生在創新的道路上不斷向前。

（四）明晰概念，引導建構認識平臺

核心概念在物理學科中居于中心地位，具有遷移和持久價值的關鍵性概念、原理和方法。國內圍繞概念教學展開的探索舉不勝舉，甚至在一些學科形成流派，影響甚大。應該說，核心概念的講解、理解，是物理實驗教學的重中之重。核心概念的解讀，不但能幫助學生理解知識的文化及現實意義，而且能引導學生喚醒前置知識，建構自己的知識網絡。學習過程中積極主動的學習狀態，尤其是知識原理的整合和意義聯結，是學生參與深度學習的重要表現［6］。

解讀物理核心概念，建構認知平臺結點。學習活動中，準確解讀核心概念，往往事半功倍。現實中，學生模糊和迷茫的物理現象，無法解決的物理問題，也總是在核心概念上問題頻出。所以，物理教學尤其是實驗教學，要格外注重核心概念的解讀。例如，力學部分的“運動”“位移”“加速度”“動量守恒”，電學部分的“靜電場”“磁場”“恒定電流”“電磁波”，光學部分“幾何光學”“物理光學”，其他如“原子的結構”“粒波二象性”“相對論”等這些概念，不僅是高中物理教學的難點，也是幫助學生理解物理現象、建構物理知識的重點。

細化物理核心概念，幫助學生深入學習。在實驗教學設計中，要注意從不同的側面對同一個物理核心概念創設情境，引出問題，幫助學生多角度、深層次地辨析、理解、內化。例如“平拋運動”，可以創設情境、建立模型，從拋體運動和平拋運動對比入手，引導學生交流、討論，分析運動的合成與分解，理解平拋運動的特點和規律，學用數形結合的方法分析平拋運動的速度和位移，引進矢量運算，分析平拋運動速度的變化量及方向。再創情境，比較水平勻速直線運動與平拋運動，幫助學生總結平拋運動處理方式，建立“化曲為直”的科學思維。觀察滑雪運動視頻，對照垂直掉落斜面上物體運動，引出斜面上平拋運動的異同，討論總結，分類建立物理模型，培養學生將實際問題轉化為物理建模的能力。

（五）改進評價，落實全面育人目標

任何教學活動都免不了要加以評價，肯定經驗、反思提升。以立德樹人為尺度而不是以知識和技能為標準來評價物理實驗教學，也許能更好地涵育學生核心素養。

評價實驗教學，一看學生能否建立清晰的認識結構。心理學家布魯納呼吁，教學活動中務必要使學生理解該學科的基本結構。歷經實驗探究之后，在教師的引導之下，學生能否將離散的認知重新加工、歸納、綜合，從實驗現象、方法、結論、關系、規律等方面入手，建立清晰而穩定的認識結構體系，應該作為評判實驗教學的首要依據。認知結構的建立事關學生的學習效率、學習思維、學習習慣，是重要的學習品質，以此作為物理實驗教學的評價尺度，更能幫助學生養成物理學科核心素養。

評價實驗教學，二看學生是否具備知識遷移能力。功利一點來說，一切的學習都是習得解決問題的工具及其方法，關鍵在于知識的遷移和應用，即通過掌握的知識、解決問題的方法、技巧與模型，在新的情境中，解決具體的新問題。往近說，高考就是新情境、新問題；往遠說，以后的學習抑或小發明小創造也都是新情境、新問題。因此，可以通過類似實驗的設計與操作，實驗過程問題的發現、解決和解釋，甚至物理實驗試題的處理能力，來評價實驗教學中學生的知識遷移能力的提升、核心素養的獲得。

四、結語

綜上所述，高中物理實驗教學要以涵育學生核心素養為出發點。為此，教師要精選實驗內容，優化實驗教學設計，深度挖掘實驗育人資源，充分發揮學生主體作用，創設生活化教學情境，分層設計實驗問題，鼓勵學生自制教具，注重物理核心概念解讀，改進教學評價觀念，堅持全面育人方向，開展深度教學活動，幫助學生養成物理學科核心素養。