基于學生核心素養(yǎng)培養(yǎng)的初中物理實驗教學

摘 要 物理是以實驗為基礎的自然學科，物理實驗教學對培養(yǎng)學生物理核心素養(yǎng)具有非常重要的作用。以“聲音的產(chǎn)生與傳播”為例，探究如何在實驗課中培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng)。

關鍵詞 物理；實驗教學；聲音的產(chǎn)生與傳播；科學思維；核心素養(yǎng)

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）17-0-04

0 引言

《義務教育物理課程標準（2022年版）》指出，物理學科核心素養(yǎng)是科學育人價值的集中體現(xiàn)，是學生通過學科學習逐步形成的正確價值觀、必備品格和關鍵能力[1]2。物理學科核心素養(yǎng)的提出體現(xiàn)了國家對創(chuàng)新型人才的要求。教育作為培養(yǎng)人才的主陣地，在提升學生的創(chuàng)新思維與創(chuàng)造能力方面具有非常重要的作用。初中物理作為一門基礎自然學科，是培養(yǎng)學生物理學科核心素養(yǎng)的載體，因此，要重視每節(jié)課堂教學。初中生已具有初步邏輯思維能力，但抽象思維能力水平不高，正處于由經(jīng)驗型向理論型過渡的時期，是培養(yǎng)核心素養(yǎng)的最佳時期。物理是以實驗為基礎的自然學科，物理實驗教學對培養(yǎng)學生物理核心素養(yǎng)具有非常重要的作用。本文以“聲音的產(chǎn)生與傳播”教學設計為例，探究如何在實驗課中培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng)。

1 教材分析

“聲音的產(chǎn)生與傳播”是整個聲學知識的基礎，對后續(xù)學習聲音的特性、聲音的利用和防止等知識具有重要的作用。高青縣第五中學使用的是山東科學技術出版社出版的教材，“聲音的產(chǎn)生與傳播”一節(jié)包括三塊內容：聲音的產(chǎn)生、聲音的傳播、聲速。本節(jié)內容是學生初步運用觀察、分析、歸納總結等物理方法進行實驗探究，親自體驗科學探究過程，對培養(yǎng)學生良好的思考、探究習慣和態(tài)度具有非常重要的作用。

2 教學目標

《義務教育物理課程標準（2022年版）》對本節(jié)課的內容要求是通過實驗認識聲的產(chǎn)生和傳播條件；學業(yè)要求則從物理觀念、科學思維、科學探究、科學態(tài)度與責任四個方面進行詳細規(guī)定[1]16，19。結合新課標要求、教材內容和學情，設定如下教學目標[2]。

2.1 物理觀念

1）知道聲音是由物體的振動產(chǎn)生的；

2）知道聲音的傳播需要介質；

3）了解聲音是以波的形式傳播的；

4）知道空氣中聲音的傳播速度。

2.2 科學思維

1）培養(yǎng)學生進行觀察、分析、歸納、科學探究的思維；

2）引導學生完成探究聲音的產(chǎn)生與傳播的實驗要求。

2.3 科學探究

1）設計實驗探究聲音的產(chǎn)生與傳播；

2）通過觀察，能描述現(xiàn)象、總結實驗結論；

3）通過實驗，體驗科學探究的過程，掌握科學探究的方法，并能用其解決以后遇到的一些問題。

2.4 科學態(tài)度與責任

1）通過一系列的探究實驗，培養(yǎng)學生嚴謹?shù)目茖W態(tài)度，培養(yǎng)學生的合作意識和主動交流并發(fā)表自己觀點的意識；

2）培養(yǎng)善于利用日常物品進行科學探究、熱愛科學的思維意識。

3 設計思路

根據(jù)上述教學目標，本節(jié)課內容分為四個教學活動。1）實驗體驗：發(fā)聲的物體正在振動。2）小組探究活動：真空不能傳聲。3）感知與模擬：聲音的傳播形式。4）手機輔助實驗：聲音在空氣中的速度。課本上傳統(tǒng)的探究真空不能傳聲實驗存在不足，如實驗器材笨重、易老化漏氣、底座傳聲等，導致實驗效果不夠明顯。針對上述不足，對該實驗進行改進，設計成學生自主探究活動。另外，對聲音在空氣中的傳播速度這部分內容，設計一個手機輔助實驗，學生可以直觀地觀察聲速。這節(jié)課的實驗方法設計采用結構化內容設計，融合現(xiàn)代信息技術（如電子技術、手機軟件等），遵循初中生的認知特點，“直觀感知—引導發(fā)現(xiàn)—科學探究—得出結論”。

4 教學過程

4.1 新課引入

播放動畫，讓學生傾聽大自然的聲音，引出聲源的概念。

【問題設置】這些聲音是怎樣產(chǎn)生、傳播的？

【設計意圖】學生對自然界中的一些聲音比較熟悉，但對聲音的產(chǎn)生及傳播過程等知識并不了解。通過物理問題的引導，激發(fā)學生探究的興趣，讓學生對自然界、生活中的一些現(xiàn)象進行理性思考，建立物理知識與生活的密切聯(lián)系，感受物理知識就在身邊。

4.2 探究聲音的產(chǎn)生

【問題設置】物體發(fā)聲與不發(fā)聲時有何不同？發(fā)聲體發(fā)聲時有何特征？

【實驗器材】鋼尺、齒輪、一杯水、音叉、簡易琴弦、學生課桌上的學習用品等。

【學生活動】小組合作，體驗讓上述物品發(fā)聲，觀察物體發(fā)聲時的特點，展示發(fā)聲過程并回答上述問題。

【設計意圖】讓學生成為探究的主體，通過親身體驗、觀察實驗現(xiàn)象，自主分析現(xiàn)象，合作交流總結實驗結論。在探究過程中，有學生發(fā)現(xiàn)有些物品（如音叉等）的發(fā)聲現(xiàn)象不易觀察，質疑該類物體的發(fā)聲是否由振動產(chǎn)生。針對學生的質疑，教師可以引導學生思考解決方案，讓學生通過自主思考、合作交流加上教師點撥，提出解決方案：可以借助其他物體（如乒乓球等）將微小的、不易觀察的振動放大。在這個過程中滲透重要的物理學方法——轉換法。通過上述探究活動促進學生科學思維發(fā)展，培養(yǎng)學生的學科核心素養(yǎng)。

4.3 探究聲音的傳播

【問題設置】聲音產(chǎn)生后是如何傳播到人耳的？

【教師點撥】我們生活環(huán)境中的物質有三種存在形式——氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)，這三種形式的物質是否都能傳聲呢？

4.3.1 探究聲音在氣體中的傳播

【學生活動1】小組合作驗證聲音可以在氣體中傳播，并派代表展示驗證成果。

【教師點評1】大部分學生通過生活中的現(xiàn)象（如我們在教室里可以聽到彼此的聲音等）證明聲音可以在氣體中傳播。如果沒有空氣，我們還能聽到彼此的聲音嗎？

【學生活動2】小組討論交流，部分學生想到去太空中驗證一下。

【教師點評2】這個提議難度很大，我們能不能設計實驗，在教室里驗證該問題呢？

【學生活動3】小組繼續(xù)討論交流，部分學生想到把發(fā)聲體放到一個密封裝置中，將里面的氣體抽走，對比聲音前后的變化。

此時，基本設計思路已經(jīng)形成，教師可以簡要介紹提供的實驗器材用法，讓學生小組合作完成探究實驗。

【實驗器材】簡易的拔罐裝置、蜂鳴器、紐扣電池等。

【具體操作】學生把蜂鳴器和紐扣電池組裝好，讓其發(fā)聲，接著放到手掌中，用拔罐罩蓋住，可以聽到聲音比在空氣中有所減小；接著用抽氣裝置把罐體中的空氣慢慢抽出，在這個過程中傾聽聲音的變化；最后，把罐體上端的活塞打開，進入空氣，傾聽聲音的變化。

根據(jù)上述實驗，讓學生描述實驗現(xiàn)象并引導學生推理總結：真空不能傳聲。

【設計意圖】學生通過列舉日常生活中的一些現(xiàn)象，得出聲音可以在氣體中傳播。教師通過反證法引導學生設計實驗，驗證真空不能傳聲，有利于學生辯證思維的培養(yǎng)。另外，在這個實驗中，教師對課本中傳統(tǒng)的實驗進行了改進，利用生活化的材料，結合電子技術，進行小組探究活動，取得很好的實驗效果。

4.3.2 探究聲音在液體中的傳播

【學生活動1】小組合作，驗證聲音可以在液體中傳播，并派代表展示驗證成果。

【教師點評1】大部分學生結合生活經(jīng)驗（如腳步聲嚇跑岸邊的魚等）證明液體可以傳聲。大家能否利用教室現(xiàn)有器材或物品設計實驗進行驗證呢？

【學生活動2】小組討論交流，大部分學生想到在水中放一個發(fā)聲體，檢驗能否聽到聲音。

【教師點評2】方案很棒，但存在一定的不足之處，如我們需要用容器盛水，發(fā)聲體一般會跟容器接觸，這樣就不能排除固體傳聲的問題，有沒有更好的方案呢？

【學生活動3】小組討論交流后，部分學生想到讓發(fā)聲體浸沒在水中浮著（懸浮）。

此時，教師可以展示實驗器材——浮沉子，介紹其使用方法，并演示。

【實驗設計】將發(fā)聲體——蜂鳴器密封，并與小玻璃瓶結合在一起作為浮沉子放入裝水的塑料瓶中，捏塑料瓶，浮沉子會在水中懸浮，此過程中會一直聽到蜂鳴器發(fā)出的聲音，由此驗證液體傳聲。此實驗設計可以排除傳統(tǒng)實驗中固體傳聲的影響。

最后，拓展液體傳聲在生活中的應用——水下芭蕾舞。

【設計意圖】學生通過列舉日常生活中的一些現(xiàn)象，得出聲音可以在液體中傳播。在設計實驗環(huán)節(jié)，通過教師引導，培養(yǎng)學生嚴謹?shù)目茖W探究態(tài)度。生活中的應用——水下芭蕾舞，體現(xiàn)了物理來源于生活又服務于生活的理念。

4.3.3 探究聲音在固體中的傳播

【學生活動1】小組合作，驗證聲音可以在固體中傳播，并派代表展示驗證成果。

【教師點評1】大部分學生通過生活中的現(xiàn)象（如隔墻有耳、醫(yī)生用聽診器等）證明聲音可以在固體中傳播。大家能否利用教室現(xiàn)有器材或物品設計實驗驗證呢？

【學生活動2】小組討論交流，部分學生想到伏桌，輕敲桌子聽聲等。

此時，教師出示“土電話”實驗器材，讓學生實踐“土電話”驗證固體傳聲。最后，拓展到固體傳聲在生活中的應用——貝多芬用牙齒聽聲。

【設計意圖】利用周圍簡單易得的物品帶領學生進行低成本的探究實驗，讓物理實驗走進課堂、融入教學，在這個過程中培養(yǎng)學生的動手能力和合作探究意識，有利于培養(yǎng)核心素養(yǎng)中倡導的科學態(tài)度與責任。生活中的應用——貝多芬用牙齒聽聲，體現(xiàn)了物理來源于生活又服務于生活的理念。

4.4 探究聲音的傳播形式

聲音以波的形式在介質中傳播是本節(jié)課的教學難點，這是因為波動是一個抽象且復雜的概念，對學生來說較難理解[3]。因此，設計以下教學活動：

1）結合現(xiàn)代信息技術，讓學生自己或借助物品發(fā)出各種聲音，利用手機軟件Oscilloscope展示這些聲音的波形，結合希沃投屏讓所有學生直觀感知聲波；

2）讓學生利用玩具彩虹圈模擬聲波；

3）通過視頻從微觀角度展示聲波，加深學生認識。

【設計意圖】利用手機軟件直觀展示波形，有利于學生直觀感知聲波；通過彩虹圈玩具模擬聲波，讓學生親自動手操作體驗、觀察，對聲波加深理解；微觀視頻展示，進一步加深理解。

4.5 探究聲音在空氣中的傳播速度

本部分內容課本給學生提供的是一些圖片、資料，思考問題，學生缺少直觀的體驗。如果能在課堂上呈現(xiàn)測量聲音速度的過程，那么必然會給學生帶來終生難忘的印象。鑒于此，通過查閱各種資料，利用手機軟件Phyphox自帶的“聲吶”程序測量聲音在空氣中的傳播速度，具體操作：取一根長度約為56.3 cm的PVC管子（圖1），一端封閉，另一端放智能手機，打開測量程序（圖2）。圖3是測量的聲音在空氣中傳播的速度，受環(huán)境、PVC管子長度等因素的影響，測量結果存在一定的誤差。

【設計意圖】利用手機軟件設計實驗，在課堂中實時展示聲速，學生可以直觀感知聲速，一方面有利于學生加深印象，另一方面，有利于學生加強探究意識，發(fā)展科學思維，培養(yǎng)核心素養(yǎng)。

5 結束語

本節(jié)課以實驗貫穿始終，采用問題引導、學生自主探究的方法，加強學生在課堂中的主體地位，一系列的實驗探究讓學生對聲音的產(chǎn)生、傳播、聲速等知識有了系統(tǒng)的認識。本節(jié)實驗課體現(xiàn)了生活化（如體驗聲音的產(chǎn)生——振動，采用簡易琴弦、齒輪、一杯水等器材）、簡易化（探究真空不能傳聲，采用生活中的簡易器材，結合電子技術）、可視化（探究聲音的傳播形式——聲波、在空氣中的傳播速度——聲速，結合手機軟件，讓學生直觀感知）的特點，讓學生在感知和發(fā)現(xiàn)過程中學會科學探究，提升物理學科核心素養(yǎng)。

本節(jié)課的反思之處在于利用浮沉子驗證液體能夠傳聲實驗，聲音較小，可以尋找功率更大的蜂鳴器對該實驗進行改進。

6 參考文獻

[1] 中華人民共和國教育部.義務教育物理課程標準（2022年版）[S].北京：北京師范大學出版社，2022.

[2] 丁玉玲，趙振宇.基于物理核心素養(yǎng)的教學設計：以“聲音的產(chǎn)生與傳播”為例[J].中學物理，2019，37（8）：56-59.

[3] 劉勇.發(fā)展學生的物理學科核心素養(yǎng)在初中物理教學中的實踐：以“聲音的產(chǎn)生和傳播”為例[J].中學物理，2018，36（20）：50-51.

*項目來源：高青縣教育科學規(guī)劃課題“核心素養(yǎng)視域下初中物理科學思維的培養(yǎng)研究”（課題批準號：2021GQKT11）。

作者簡介：秦娜娜，中學二級教師。