培育物理核心素養(yǎng) 促進學生全面發(fā)展

主持人語

“非常規(guī)”物理實驗是指利用學生熟悉的物品、材料、器具及玩具等開發(fā)的具有趣味性、簡易性的生活化物理實驗，是對國家課程中常規(guī)實驗的有效拓展。“非常規(guī)”物理實驗材料鮮活，貼近學生生活，便于引導學生從生活中發(fā)現(xiàn)問題—提出問題—解決問題。本期策劃圍繞“非常規(guī)”物理實驗培育學生核心素養(yǎng)這一主題，從“非常規(guī)”物理實驗、自制儀器的應(yīng)用、物理生活化實驗、創(chuàng)設(shè)情境課堂提升學生核心素養(yǎng)等方面進行探索，旨在利用“非常規(guī)”物理實驗突破傳統(tǒng)教學模式的局限性，激發(fā)學生學習興趣，提升學生問題解決能力，更好地培養(yǎng)和提高學生實驗技能和創(chuàng)新實踐能力，更深層地幫助學生形成正確的物理觀，更全面地培育學生物理學科核心素養(yǎng)。

——欄目主持人 馬駿

“非常規(guī)”物理實驗是指利用實驗室器材或?qū)嶒炇抑獾膶W生熟悉的物品開展物理實驗活動，常常為達到某種教學目的而采取靈活與簡便相結(jié)合的方法與形式使實驗過程呈現(xiàn)出自創(chuàng)性、體驗性、趣味性、簡易性、豐富性等特點，能有效激發(fā)學生學習興趣和求知欲，對培育學生物理核心素養(yǎng)至關(guān)重要。筆者基于“非常規(guī)”物理實驗對培育學生物理學科素養(yǎng)的有效策略進行了實踐探索，形成了基于“非常規(guī)”物理實驗的教學模式。

一、問題的提出

（一）研究背景

《國務(wù)院辦公廳關(guān)于新時代推進普通高中育人方式改革的指導意見》中強調(diào)，強化綜合素質(zhì)培養(yǎng)。改進科學文化教育，統(tǒng)籌課堂學習和課外實踐，強化實驗操作，建設(shè)書香校園，培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維和實踐能力，提升人文素養(yǎng)和科學素養(yǎng)。因此，物理學科更應(yīng)重視培養(yǎng)學生實驗?zāi)芰Γ嘤龑W生學科核心素養(yǎng)。“非常規(guī)”物理實驗利用基本實驗方法和技能培養(yǎng)學生務(wù)實的科學態(tài)度，有助于學生對物理概念和規(guī)律等的理解和記憶。實驗教學是物理課堂不可缺少的環(huán)節(jié)，“非常規(guī)”物理實驗是對常規(guī)實驗的有效補充，利用“非常規(guī)”物理實驗培養(yǎng)學生提出物理問題、分析物理問題、解決物理問題的能力是當前物理教學創(chuàng)新的重要方式之一。

（二）高中物理課堂教學中普遍存在的問題

一是物理實驗課程資源單一，缺乏創(chuàng)新。物理實驗器材無法滿足教學所需，常規(guī)物理實驗現(xiàn)象往往新奇性和趣味性不強，不能有效激發(fā)學生學習興趣和求知欲，學生參與度不高，教學效果不理想。二是學校對物理實驗不夠重視，忽視了物理實驗的育人功能，這不利于對學生自主學習、科學探究等方面的培育，不符合物理課標要求。三是學生對物理實驗缺乏興趣，動手能力缺失。此外，教學中沒有按照課標要求創(chuàng)設(shè)情境，讓學生經(jīng)歷科學探究、思考和解決問題的過程等。

二、開發(fā)“非常規(guī)”物理實驗

筆者與團隊成員深入研究教材，找出物理概念、規(guī)律難以被學生理解的主要原因，以及教學內(nèi)容和“非常規(guī)”物理實驗的結(jié)合點，完成與重點章節(jié)對應(yīng)的“非常規(guī)”物理實驗設(shè)計。下面，筆者以靜電擺球?qū)嶒灋槔榻B一下“非常規(guī)”物理實驗的開發(fā)過程。

圖1 "靜電擺球模型圖與原理圖

實驗器材：平行板電容器鋁板一對，感應(yīng)起電機1臺，鐵架臺一個，用鋁箔紙包起來的乒乓球一個，錦綸線若干，2B鉛筆一根。

實驗原理：導體在靜電感應(yīng)場中產(chǎn)生感應(yīng)電荷，感應(yīng)電荷可以自由移動。把導體球P放入靜電場，導體球P左右兩側(cè)帶上等量異種電荷。若使導體球P距左側(cè)A板較近，且A板帶正電，導體球P會因受A板的吸引力較大而擺向A，當導體球P一碰到A板，導體球P上的負電荷被A板上的正電荷中和，導體球P只帶正電荷，然后會受A板的靜電排斥力而擺向B板。當導體球P碰到B板后又帶上了負電荷，受B板的排斥力再次擺向A。只要使A板和B板始終帶異種電荷，則導體球P可在A板和B板之間往復循環(huán)，不斷碰撞（圖1）。

本實驗旨在讓學生直觀感受感應(yīng)起電原理的同時，讓學生利用所學知識分析金屬球兩側(cè)所帶電荷的屬性與多少，并理解金屬球靠近帶電體的一側(cè)所帶電荷與帶電體的電性相反，遠離帶電體的一側(cè)與帶電體電性相同。

三、“非常規(guī)”物理實驗教學應(yīng)用研究

筆者與團隊成員圍繞“非常規(guī)”物理實驗進行了系列教研活動，將實驗融入教學設(shè)計，通過課堂檢驗“非常規(guī)”物理實驗的教學效果，形成“非常規(guī)”物理實驗促進學生物理學習和物理學科素養(yǎng)提升的教學案例，并以探索電勢、電壓與“放電”為例，詳細介紹“非常規(guī)”物理實驗在課堂教學中的應(yīng)用。

（一）研究背景

靜電知識比較抽象，課本上的實驗可視性不強，學生只是被動觀察實驗，缺少主動參與。靜電場知識要求學生正確理解電勢與電壓（電勢差）、電場強度等重要概念，通過學習建立對“放電”的正確認知，進而強化學生安全用電意識。物理實驗創(chuàng)新基地的范德格拉夫靜電球、輝光球等實驗現(xiàn)象非常直觀，不僅能夠很好地激發(fā)學生探究興趣，還能引發(fā)學生深度探究意識。例如，電蚊拍在生活中是很常見的，研究它能夠很好地建立物理知識與生活、科技之間的聯(lián)系，使學生養(yǎng)成學以致用的好習慣。

（二）學情分析

靜電學內(nèi)容十分抽象，是電學中的難點所在，特別是電勢，學生第一次接觸時，總將電勢與初中的電壓混為一談。認為處于高電勢就一定會發(fā)生“放電”危險。因此，本節(jié)課設(shè)計的活動與探究目的就是幫助學生正確理解概念，引導學生關(guān)注物理知識在生活、科技等方面的應(yīng)用，從而幫助他們樹立正確的安全用電意識，形成從現(xiàn)象出發(fā)探究本源的思維習慣。

（三）“非常規(guī)”物理實驗教學應(yīng)用研究

教師可以通過范德格拉夫靜電球?qū)嶒灒笇W生參與實驗，近距離觀察“怒發(fā)沖冠”現(xiàn)象，同時針對實驗設(shè)置如下問題（圖2）。

圖2 "范德格拉夫靜電球結(jié)構(gòu)圖

問題：人為什么會“怒發(fā)沖冠”？

學生：“怒發(fā)沖冠”是由于電荷作用力。表演者站在絕緣臺上，手觸摸高壓靜電球，這時表演者的頭發(fā)上帶有與靜電球相同極性的電荷，由于同種電荷相互排斥的原因，頭發(fā)順著電場線的方向豎立起來，出現(xiàn)了“怒發(fā)沖冠”的現(xiàn)象。

問題：范德格拉夫靜電球產(chǎn)生的電壓是多少？

學生：現(xiàn)代的范德格拉夫起電機獲得的電壓可達500萬伏特。

問題：在如此高的電壓下，人為什么沒事？

學生：由于靜電感應(yīng)，人體與靜電球達到靜電平衡，均為等勢體，靜電球電壓逐步升高的過程中，人體與靜電球電荷始終相等。但當人體聚集了大量電荷，人體周圍形成強電場，所以頭發(fā)順著電場線的方向豎立起來。但由于腳下是絕緣體，沒有形成回路，所以人是安全的。

問題：生活中靜電現(xiàn)象的應(yīng)用有哪些？

學生：靜電復印機、靜電除塵器、靜電噴漆等。

教師小結(jié)：認識靜電可以讓我們避免它帶來的一些危害。例如，在運載易燃物品的車輛尾端系上接地鐵鏈，把電荷傳到地面，可以有效避免電火花引起易燃物爆炸。

（四）教學反思

范德格拉夫靜電球等“非常規(guī)”物理實驗應(yīng)用于課堂教學不僅能很好地激發(fā)學生學習興趣，而且能促進學生深度探究思維。學生為了弄清楚實驗的本質(zhì)，會通過不斷查閱資料更新和拓寬知識面，最后構(gòu)建知識體系。學生可以利用已學知識解決生活中的一些問題，在解決問題的過程中會更加理解學習靜電場的重要性所在。課堂教學效果表明，“非常規(guī)”物理實驗有助于提升學生物理學科核心素養(yǎng)，能有力地促使學生把所學知識應(yīng)用于新的、開放的真實情境，切實提升學生解決實際問題的能力。

四、“非常規(guī)”物理實驗在高考中的體現(xiàn)

2023年全國乙卷理綜試卷中就有電磁感應(yīng)這部分知識的一個“非常規(guī)”物理實驗題目。

一學生小組在探究電磁感應(yīng)現(xiàn)象時，進行了如下比較實驗。用圖（a）所示的纏繞方式，將漆包線分別繞在幾何尺寸相同的有機玻璃管和金屬鋁管上，漆包線的兩端與電流傳感器接通。兩管皆豎直放置，將一很小的強磁體分別從管的上端由靜止釋放，在管內(nèi)下落至管的下端。實驗中電流傳感器測得的兩管上流過漆包線的電流I隨時間t的變化分別如圖（b）和圖（c）所示，分析可知（ "）

A.圖（c）是用玻璃管獲得的圖像

B.在鋁管中下落，小磁體做勻變速運動

C.在玻璃管中下落，小磁體受到的電磁阻力始終保持不變

D.用鋁管時測得電流第一個峰到最后一個峰的時間間隔比用玻璃管時的短

筆者在講渦流、電磁阻尼與電磁驅(qū)動這節(jié)課時，以試題中的這個實驗作為補充實驗來激發(fā)學生學習興趣。在實驗過程中，學生能明顯地觀察到在鋁管中小磁體先加速后做勻速直線運動，在玻璃管中，由于玻璃管不會產(chǎn)生渦流并且線圈中的感應(yīng)電流較小，小磁鐵近似做勻加速直線運動。學生觀察到現(xiàn)象后，利用電磁感應(yīng)的相關(guān)知識分析現(xiàn)象背后的科學本質(zhì)，可知小磁鐵在鋁管中下落所受到的阻力來源于鋁管中的渦流所施加的磁場力，速度越大，磁場力越大，最終磁場力等于重力，小磁鐵勻速運動。通過實驗，學生不僅很快地得出圖（c）是用玻璃管獲得的圖像，還很好地提升了學生的實驗操作能力。

由此可見，高考試題突出真實問題情境的設(shè)計，選取鮮活素材，貼近學生實際，引導學生從生活中發(fā)現(xiàn)問題、提出問題及解決問題。從經(jīng)典的電磁阻尼現(xiàn)象演示實驗出發(fā)，從多個設(shè)問角度考查學生對電磁感應(yīng)原理的深入理解和應(yīng)用。

大量教學實踐表明，“非常規(guī)”物理實驗有助于豐富物理實驗課程資源，提升教師的實驗課程資源開發(fā)能力和教研能力。“非常規(guī)”物理實驗有利于打破傳統(tǒng)教學模式，在課堂教學中有效激發(fā)學生學習興趣，提升學生解決問題的能力。此外，“非常規(guī)”物理實驗還能更好地培養(yǎng)和提升學生實驗技能和創(chuàng)新實踐能力，幫助學生形成正確的物理觀，提升學生物理學科核心素養(yǎng)。

作者單位 "陜西省西安市黃河中學