指向核心素養(yǎng)的物理實驗教學策略研究

【專家介紹】

王艷芳，教育部課程教材研究所課程改革實驗研究中心、國家教材委員會學科秘書，從事科學教育研究，組織參與落實物理課程標準實驗研究、中小學人工智能教育實踐研究等重大項目，參與“義務教育科學類教材跨學科實踐活動設計研究”“中小學工程教育課程體系的建構研究”等重點課題，在《天津師范大學學報（基礎教育版）》《物理教師》等期刊發(fā)表多篇論文，參與編寫《做好科學教育加法》系列叢書等。

摘 要：物理是一門以實驗為基礎的自然科學課程。物理實驗教學具有重要的教育價值，但也存在一些問題與挑戰(zhàn)。物理實驗教學要堅持以核心素養(yǎng)為導向，在實驗教學設計中明確將核心素養(yǎng)作為重要教學目標，在實驗教學實施中將核心素養(yǎng)作為重要學習內(nèi)容，在實驗教學評價中將核心素養(yǎng)作為重要維度，推進“教－學－評”相一致的實驗教學，切實提高實驗教學培養(yǎng)核心素養(yǎng)的效果。

關鍵詞：核心素養(yǎng)；實驗教學；教育價值；實施策略

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2024）9-0001-5

黨的二十大報告指出，教育、科技、人才是全面建設社會主義現(xiàn)代化國家的基礎性、戰(zhàn)略性支撐，要全面提高人才自主培養(yǎng)質量，著力造就拔尖創(chuàng)新人才［１］。實驗教學是培養(yǎng)人才的重要方式，圍繞核心素養(yǎng)探討實驗教學有效實施的策略，有助于提升實驗教學質量，切實發(fā)揮實驗教學核心素養(yǎng)培養(yǎng)功能，對深化課程教學改革、促進學生全面發(fā)展具有重要意義。

１ 充分認識實驗教學的意義與價值

實驗教學是落實課程標準的重o9JaDplO91VGuJ1SJaF2MxbmNSt+zNrPH5Lh3YAzZn8=要方式。物理是一門以實驗為基礎的自然科學課程，《義務教育物理課程標準（２０２２年版）》（以下簡稱“課程標準”）將“實驗探究”作為核心內(nèi)容納入物理課程內(nèi)容的一級主題，進一步凸顯了實驗在物理課程中的重要地位及其特有的育人功能［２］。學習物理離不開做實驗，通過創(chuàng)設有效的學習情境，學生親身體驗實驗探究過程，有助于學生形成系統(tǒng)的科學知識和方法體系，培養(yǎng)科學思維，提升動手實踐和創(chuàng)新能力，促進全面發(fā)展。

實驗教學是育人方式變革的著力點。《義務教育課程方案（２０２２年版）》倡導“做中學”“用中學”“創(chuàng)中學”，強調變革育人方式，突出實踐。《教育部關于加強和改進中小學實驗教學的意見》《中小學實驗教學基本目錄（２０２３年版）》等的發(fā)布，充分彰顯了我國對實驗教學推動立德樹人根本任務落實的高度重視。以基礎性、探究性、綜合性、創(chuàng)新性等實驗為重要抓手，促使學生在動手實踐中主動思考、探索問題解決方案，實現(xiàn)從被動接受向主動探索的認知和行為轉變。

實驗教學是培養(yǎng)科技創(chuàng)新人才的重要舉措。以科技創(chuàng)新人才驅動現(xiàn)代化強國建設是新時代強國戰(zhàn)略的核心內(nèi)容。作為教育部《基礎教育課程教學改革深化行動方案》中的重點任務之一，科學素養(yǎng)提升行動針對理論講解多而實際操作少等問題，對實驗教學提出明確要求。這就要求中學在物理課程實施中強化學生動手操作實驗，結合物理課程標準，讓學生在實踐探究中學習，發(fā)展學生科學素養(yǎng)。

２ 物理實驗教學面臨的問題與挑戰(zhàn)

物理課程強調利用各種方式方法培養(yǎng)和發(fā)展學生的科學思維水平、科學探究能力及創(chuàng)新能力。然而，中學物理實驗教學的開展仍面臨著許多問題和挑戰(zhàn)。從學校層面來講，部分學校物理實驗器材和耗材配備不到位，實驗教學資源使用效率不高，沒有配備專門的實驗管理員，甚至也沒有兼職實驗員，實驗室管理不規(guī)范。從教師層面來講，部分教師對課程標準的理解和領會還不到位，對實驗教學的新目標、新任務、新方式了解不夠，尚未形成適應核心素養(yǎng)培養(yǎng)的實驗教學觀念。教學中，講解觀察多，自主探究少。在演示實驗教學中，教師對猜想、質疑、提問、討論等學習活動關注不夠；在學生分組實驗中，更多關注學生按照步驟動手操作，記錄實驗原理、實驗步驟、誤差分析，學生對實驗背后的原理探究和思維方法缺少深入實踐和系統(tǒng)探究。

這些問題的存在嚴重影響了實驗教學的有效開展。從學生層面來講，物理概念多且比較抽象，學生不易理解，沒有合適的引導，學生難以建立物理概念與現(xiàn)實世界的關聯(lián)，持續(xù)下去不僅不能有效提升學生的問題解決能力，還影響了學生自主學習的積極性［３］。特別是隨著信息技術的迅猛發(fā)展及其在各領域的深度融合，若不主動改進實驗教學方法，利用新技術賦能，探索新型教學方式，將會影響實驗教學的時代性育人價值的充分展現(xiàn)與發(fā)揮。

３ 指向核心素養(yǎng)的物理實驗教學策略

３．１ 聚焦核心素養(yǎng)，升華實驗教學目標

物理實驗教學具有獨特的育人功能，它不僅可以幫助學生獲取和鞏固物理學知識、解決問題，更能讓學生在實驗探究中領悟科學、嚴謹?shù)乃季S邏輯，掌握科學探究方法，激發(fā)探索和求知欲。不同類型的實驗，不同的實驗環(huán)節(jié)，對培養(yǎng)學生素養(yǎng)的側重點也不盡相同。比如，測量類實驗教學注重測量原理的了解及基本儀器和測量工具的使用；探究類實驗教學注重通過交流合作、實踐探究，以培養(yǎng)學生解決復雜問題的能力和創(chuàng)新素養(yǎng)［４］。教師要以核心素養(yǎng)為導向，根據(jù)課程標準的內(nèi)容要求、學業(yè)要求及教材內(nèi)容，深入分析某類實驗內(nèi)容及特點，挖掘實驗的育人價值。要通過具體的真實問題情境實驗活動讓學生理解核心知識，更重要的是讓學生在探究過程中掌握其中的科學探究思路與方法，培養(yǎng)學生的關鍵能力。結合學生已有經(jīng)驗和認知水平，明確學生發(fā)展點，制訂具體的教學目標。

例如，在人教版八年級下冊第一節(jié)“浮力”教學中，教師制訂如下教學目標：１．通過觀察放入水中的乒乓球等演示實驗，結合生活中物體受浮力的實例，歸納得出浸在液體或氣體中的物體會受到浮力作用，培養(yǎng)多觀察、多思考的意識；２．通過小組探究，體會并認識在液體中下沉的物體也受浮力，并得出浮力的方向以及使用彈簧測力計測浮力的方法，養(yǎng)成從物理學角度認識自然現(xiàn)象、思考問題的習慣；３．通過觀察演示實驗，小組內(nèi)討論交流，了解浮力產(chǎn)生的原因，養(yǎng)成使用科學證據(jù)進行推理論證的意識；４．通過小組探究，得出物體所受浮力的大小只與它浸入液體中的體積和液體密度有關，與其他因素無關，掌握控制變量法這一科學探究方法，并進行類比遷移，提升科學探究能力，同時養(yǎng)成與他人合作解決問題的意識。

其中，如何通過實驗認識浮力并得出浮力的方向，如何測量浮力，如何探究影響浮力大小的因素，是學習的核心內(nèi)容。學生對浮力現(xiàn)象比較熟悉，但生活中的不少經(jīng)驗會對學生正確認知的形成產(chǎn)生干擾，學生還不能準確理解影響浮力大小的因素。運用控制變量法探究影響浮力大小的因素，對學生來說是一個難點，也是一個重要發(fā)展點。

３．２ 凸顯核心素養(yǎng)要點，優(yōu)化實驗設計

思維是科學探究的核心［５］，學生要真正理解科學本質，解決真實復雜問題，必須具備問題解決的思路方法。思路方法不等于實驗操作流程或步驟，不是“發(fā)現(xiàn)問題—提出問題—設計方案—收集證據(jù)—分析解釋—交流反思”這樣的一般過程，是解決某一類問題的思維路徑的外顯化表述和歸納。例如，探究影響浮力大小的因素，思路方法如圖１所示。首先，要預測哪些因素有可能影響浮力的大小，確定自變量。然后，調控某一自變量大小，保持其他自變量不變，測定因變量即浮力的大小，從而確定該因素是否是影響因素。接著，將其他影響因素按照同樣的方式處理，最終確定影響浮力大小的因素。實驗的關鍵在于自變量的確定及調控，以及因變量的監(jiān)測。真正有效的教學活動不能脫離思維發(fā)展，教師只有根據(jù)問題解決思路方法來設計實驗探究活動，讓學生動手操作，親身經(jīng)歷和感受這樣的思維過程，學生才能夠建立問題解決思路方法與真實問題、知識與能力之間的關聯(lián)，在遇到同類問題時，調用學過的方法解決問題。

３．３ 聚焦關鍵環(huán)節(jié)，深入開展實驗探究

培養(yǎng)學生的科學思維，要讓學生經(jīng)歷和科學家進行科學探究一樣的活動，像科學家一樣思考和行動。開展實驗探究活動是實驗教學的關鍵環(huán)節(jié)。活動中，教師不僅要確保學生順利完成實驗，更要凸顯科學探究的核心要素，通過實驗培養(yǎng)學生的關鍵能力，達到更好的學習效果。課程標準指出科學探究的四個要素：問題、證據(jù)、解釋和交流。教師要以問題要素引導學生主動思考，結合生活經(jīng)驗和實驗現(xiàn)象分析，形成猜想和假設；以證據(jù)要素促進學生科學設計實驗方案，通過實驗探究科學記錄實驗數(shù)據(jù)，從而獲取證據(jù)；以解釋要素引導學生對收集的證據(jù)信息進行分析、處理，解釋實驗現(xiàn)象，驗證猜想和假設，得出正確的結論；以交流要素促進學生與同伴交流，進行認知建構和社會建構，豐富自己對科學本質的理解。問題、證據(jù)、解釋、交流四個要素環(huán)環(huán)相扣，建構起承載問題解決思路的整個探究活動。例如，在探究浮力的大小與哪些因素有關時，教師以四個要素為牽引，逐步引導學生深入開展科學探究。

問題要素：

１．讓金屬塊慢慢浸入直到浸沒在水中的實驗中，我們發(fā)現(xiàn)，隨著金屬塊浸在液體中的體積變大，液面在逐漸上升，彈簧測力計的示數(shù)在逐漸變小。

２．把同一個金屬塊分別浸沒在水中和酒精中，發(fā)現(xiàn)兩次彈簧測力計的讀數(shù)不一致。

３．人在水中越往深處走就越覺得所受的浮力大。

４．在水中，木頭是漂浮的，但是鐵塊會下沉。

教師：根據(jù)我們發(fā)現(xiàn)的實驗現(xiàn)象，結合生活經(jīng)驗，請同學們進行猜想并作出假設，浮力的大小與哪些因素有關呢？

學生小組討論交流得出猜想：（1）浮力的大小與物體浸在液體中的體積有關；（2）浮力的大小與液體的密度有關；（3）浮力的大小跟物體浸入水中的深度有關；（4）浮力的大小跟浸在液體中固體的密度有關。

證據(jù)要素：

１．探究浮力的大小是否與液體密度有關？

（１）設計實驗與制訂方案（教師提供了數(shù)據(jù)記錄表，如表1所示）。

（２）進行實驗：各組根據(jù)實驗方案，完成實驗。

解釋要素：

（３）各組根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，歸納總結，得出結論，并作出解釋。

結論１：浮力的大小與液體密度有關。液體的密度越大，浮力越大。

２．探究浮力大小與 ______________的關系。

根據(jù)前面的猜想，１～４組探究“浮力的大小是否與物體浸在液體中的體積有關”，５～８組探究“浮力的大小是否與物體浸入液體的深度有關”，９～１２組探究“浮力的大小是否與浸在液體中固體的密度有關”。請各組學生設計實驗方案，并利用所提供的實驗器材開展探究，分析實驗數(shù)據(jù)，得出結論。

實驗器材：____________________________。

記錄實驗數(shù)據(jù)。

結論２：浮力的大小與_________________________。

交流要素：

１．請各小組對實驗方案、實驗數(shù)據(jù)以及分析得出的結論等進行展示交流。

２．綜合上述各個實驗探究的結果，學生得出綜合結論：物體在液體中所受浮力的大小，與物體浸在液體中的體積有關，與液體的密度有關。物體浸在液體中的體積越大，液體的密度越大，浮力就越大。

３．４ “教－學－評”有機銜接，促進核心素養(yǎng)融合發(fā)展

評價既是對學生學習的檢驗，是發(fā)展學生核心素養(yǎng)的關鍵，也是教師改進教學的重要依據(jù)。實驗教學要注重學習評價，堅持以核心素養(yǎng)為導向，教師依據(jù)教學目標制訂評價方案，將評價貫穿整個實驗活動中，體現(xiàn)評價與課程標準、教學目標及學生活動的一致性。關注學生主體，注重學生在實驗中的實驗設計能力、動手操作能力、觀察能力、數(shù)據(jù)分析能力、解釋交流能力等，加強評價的全面性。關注學生思維發(fā)展過程，預估學生活動表現(xiàn)，細化評價標準，收集學生問題解決過程中的表現(xiàn)證據(jù)，加強評價的科學性。除學科知識外，綜合考慮學生的自主參與度、交流合作、創(chuàng)新意識等，結合定性與定量分析，實施學生自評、同伴互評和教師評價等多元化評價，確保評價的全面性和客觀性。設計拓展性作業(yè)，強化學生在不同真實情境下知識方法的應用和遷移，引導學生對學習過程進行反思，持續(xù)跟蹤學生的素養(yǎng)發(fā)展變化，建立學生成長檔案，加強評價的深入性。

例如，在探究浮力的大小與哪些因素有關時，教師可設計如表2所示的評價方案。

拓展作業(yè)：

１．航母在水中受到的浮力大小，能否用彈簧測力計測量出來？

２．請設計一個實驗，驗證“浸沒在液體中的固體所受的浮力可能跟固體的形狀有關”猜想是否正確，并寫出實驗器材和步驟。

３．動手做實驗：將一個雞蛋放入盛有水的碗中，觀察雞蛋的浮沉情況；再利用生活中的物品（如食鹽、可樂等），改變其浮沉狀態(tài)。嘗試解釋雞蛋浮沉狀態(tài)改變的原因。

４ 小 結

實驗教學是國家課程方案和課程標準規(guī)定的重要教學內(nèi)容，是創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重要途徑［６］。指向核心素養(yǎng)的實驗教學面臨新的要求和任務，不僅需要我們更加深入地認識物理實驗教學的價值和功能，也需要我們認真探討培養(yǎng)核心素養(yǎng)的實驗教學的有效策略和方式方法。同時，實驗教學發(fā)生在課堂，但開好實驗課卻涉及實驗教學管理、實驗設備儀器配置、實驗室建設、實驗資源開發(fā)等諸多工作。因此，改進實驗教學必須堅持系統(tǒng)觀念，推進適應核心素養(yǎng)培養(yǎng)的實驗教學體系建構，唯有如此才能促進實驗教學質量整體提升，切實發(fā)揮實驗育人功能。

參考文獻：

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［２］廖伯琴． 繼承與發(fā)展：物理課程標準修訂的主旋律——以義務教育物理課程標準（從２００１版到２０２２版）為例［Ｊ］． 物理教學探討，２０２２，４０（１１）：１－５．

［３］劉林．對物理概念開展情境化教學改進的策略研究——以“加速度”教學為例［Ｊ］．物理教學探討，２０２４，４２（６）：１－４，１９．

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［５］胡衛(wèi)平，郭習佩，季鑫，等．思維型科學探究教學的理論建構［Ｊ］．課程·教材·教法，２０２１，４１（６）：１２３－１２９．

［６］中華人民共和國教育部． 教育部關于加強和改進中小學實驗教學的意見［ＥＢ／ＯＬ］．（２０１９－１１－２２）［２０２３－0２－0７］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｍｏｅ．ｇｏｖ．ｃｎ／ｓｒｃｓｉｔｅ／Ａ０６／ｓ３３２１／２０１９１１／ｔ２０１９

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（欄目編輯 廖伯琴）