基于核心素養的高中物理實驗教學策略探討

【摘要】本文基于核心素養培養目標，探討高中物理實驗教學的優化策略.通過分析現行教材內容，提出以探究式實驗設計、數據分析與邏輯推理、理論與實踐相結合為核心的教學方法.在“彈簧振子”“電阻測量”“熱力學第一定律”等實驗中，通過優化教學環節，幫助學生在實驗中掌握科學探究方法，提升數據處理能力與誤差分析能力，深化對物理規律的理解.研究表明，相關的策略能有效促進學生的科學思維與實踐能力發展，為物理核心素養的全面提升奠定基礎.

【關鍵詞】核心素養;高中物理;實驗教學

作為物理學科的重要組成部分，實驗教學在增強學生的科學思維能力、實踐能力和證據推理能力方面具有不可替代的作用.然而，目前高中物理實驗教學在形式化、學生參與度和創新性等方面還存在諸多問題，難以滿足核心素養教育的要求.基于此，本文立足人教版高中物理教材內容，結合核心素養的培養目標，深入探討高中物理實驗教學的創新策略，旨在通過優化實驗教學設計與實施，促進學生物理核心素養的發展，提高其科學探究能力，為未來更具挑戰性的學習和工作奠定基礎.

1 核心素養在高中物理教學中的體現

1.1 科學思維，以“勻變速直線運動”培養定量分析能力

在高中物理必修一的“勻變速直線運動”部分，科學思維的培養有著重要的作用.科學思維并非單純地對規律的理解，同時體現在定量分析能力上.依托于勻變速直線運動的實驗教學，學生在觀察、推理、總結的過程中，進一步掌握從定性描述到定量分析的思維方法.具體實驗主要包含利用打點計時器來測量小車的運動數據，學生依托于實驗逐步得出速度和加速度的關系.在相應的教學過程中，學生在教學中需要明確“速度變化量”“時間間隔”等概念的物理含義，培養從現象出發提取核心數據的能力.例如，在打點計時器的實驗教學過程中，教師可以為學生設置一些關鍵問題，幫助學生逐步理解.比如可以引導學生思考：“如果小車的速度發生變化，需要如何通過數據處理得出其加速度？”學生們需運用公式計算、數據分析等方法，進一步計算出勻變速運動的特性，將抽象的概念轉化為數據表達.

1.2 實踐能力，在“電磁感應”中探索自主實驗設計

在選修二中的“電磁感應”部分，實踐能力的培養以學生的自主實驗設計作為核心.這一部分內容主要包含磁通量的變化與感應電動勢的關系，教師一般情況下會要求學生通過實驗設計驗證法拉第電磁感應定律.教學中，學生需要結合實際的情況，自主完成實驗方案的設計、器材選擇、數據采集、結果分析等多個環節，由此能夠在實踐中提升自身的實驗技能和問題解決能力.例如，在研究磁通量變化的過程中，教師可設置一個開放性實驗.比如，引導學生利用不同的磁鐵強度、線圈匝數以及磁鐵運動速度，進一步探究感應電動勢的變化規律.

2 高中物理實驗教學核心素養培養面臨的難點

2.1 理論與實踐相結合難，在“平拋運動”實驗中定量分析的困境

高中物理的“平拋運動”實驗是培養學生定量分析能力的主要環節，但由于實驗要求相對較高、現有教學條件局限等，一般情況下學生在實驗中將理論與實踐相結合時會遇到障礙.相應的實驗要求學生通過平拋運動的軌跡，進一步理解物體在水平方向勻速直線運動和在豎直方向勻加速運動的疊加性質.在實際的教學中，學生需使用平拋軌道、打點計時器等設備測量小球的運動軌跡，由此為基礎計算其水平位移、豎直位移和速度.然而，由于實驗操作中的細微誤差及環境干擾，一般情況下學生很難有效地獲得準確數據，因此會影響其對定量分析的理解.由于教學儀器的局限，學生無法更加準確地控制平拋小球的初速度，進而導致平拋運動軌跡的重復性差，數據采集也由于打點計時器等設備的精度限制而產生誤差.相應的誤差讓學生難以觀察到理想狀態下的運動規律，而只能依照相對有限的實驗結果推斷平拋運動的規律.此情況可能導致學生產生困惑，認為實驗數據無法更加精準地反映所學理論.而相應的困境會導致學生實驗興趣大幅度下降，無法有效建立起對定量分析的信心.此外，平拋運動需要學生對勻速直線運動和勻加速運動的組合性質有相對較深入的理解，由此也會加大理論與實踐相結合的難度，使得學生無法充分地從實驗中真正體會到“運動分解”這一核心概念的實際意義.這種情況在“平拋運動”實驗中相對常見，是物理實驗教學中面臨的主要難點.

2.2 直觀性與抽象性沖突，在“磁場與電流”教學中理解磁感線分布的障礙

在人教版選修二“磁場與電流”的教學中，理解磁場的方向和分布對學生而言是主要的難點.磁場是物理中的抽象概念，學生在一般情況下很難通過直觀感知理解其方向和強度的變化規律.而“磁感線”作為磁場方向的表象，已經成為教學中幫助學生理解磁場分布的關鍵內容，但在具體實驗中，磁感線的表現效果受實驗條件限制，無法有效地再現磁場的變化規律.此種直觀性與抽象性的沖突，使得學生在理解磁感線分布和磁場強弱上，可能會產生困惑.

例如 在“電流的磁效應”實驗中，學生使用小磁針或鐵屑在導線周圍觀察磁感線分布，嘗試依托于這些表象理解電流產生磁場的本質.然而，由于鐵屑的分布均勻度較低、磁針靈敏度受限，學生在實際的操作過程之中很難看到理想的磁感線圖像.此外，一般情況下鐵屑的聚集會因實驗環境或器材不同而產生誤差，學生無法有效地獲得清晰的磁場分布圖像.這導致相應的學生難以從實驗現象推導出磁場的環形分布規律，對“磁感線圍繞電流流向”的理解也容易出現偏差，甚至有可能會懷疑磁場規律的存在.

3 基于核心素養的實驗教學策略

3.1 探究式實驗設計，通過“彈簧振子”培養科學探究能力

在高中物理選修一的“彈簧振子”實驗中，科學探究能力的培養已經成為優化實驗教學的重要目標.彈簧振子的研究主要包含彈性勢能、動能以及機械能的轉化等多方面內容，依托于實驗幫助學生理解這些物理量之間的關系，是核心素養培養的重要基礎.為實現相應的目標，教師可以進一步引導學生設計并進行一系列自主探究實驗，從而有效地研究彈簧振子在不同條件下的運動規律，使學生在實驗過程中學會構建假設、設定變量、分析數據，并且最終獲得合理結論.

例如 在教學中教師可以讓學生以不同的振子質量和振幅為變量進行實驗，同時有效地觀察對振動周期的影響.通過相應的設置，學生首先會根據實際的情況提出假設，例如“振子的周期與振幅無關”“質量會影響周期”等，然后學生需要通過實驗驗證這些假設.實際實驗過程中，學生可以選擇不同質量的小砝碼掛在彈簧上，使其在不同振幅下進行振動，同時有效地使用秒表計時一個完整周期.收集實驗數據后，學生們需要進一步將周期、質量和振幅的數據分別作圖，依托于圖像的變化趨勢來檢驗自己的假設.比如，學生在實驗中可以發現振幅對周期的影響相對較小，而振子質量與周期間存在平方根關系，由此也能夠驗證周期公式T=2πmk.基于相應的探究實驗，學生在操作與分析數據的過程中，不僅進一步加深對彈性勢能與動能的理解，還在不斷驗證假設、修正方法的過程中有效地培養科學探究的能力.學生從數據中提取規律性結論，并依托于對現象的解釋和思考，有效地實現數據分析和科學思維的多重發展.相應的探究式設計讓學生在親身實驗中構建物理概念，更加有效地加強對物理規律的內在理解，進一步達成實驗教學的核心素養目標.

3.2 實驗數據與邏輯推理，利用“電阻測量”提高分析能力

在人教版必修三的“電阻測量”實驗中，邏輯推理和數據分析是核心素養中的極為重要的環節之一.相應的實驗中學生使用歐姆表、電流表和電壓表來測量電阻值，以此更加有效地理解電壓、電流和電阻之間的關系.為優化教學效果，教師可以在實際教學中引入多次測量和誤差分析的策略，訓練學生在實驗數據處理中進行推理和判斷，由此為基礎提升其邏輯思維能力.在實驗過程中，學生需要合理地利用多種不同電流和電壓下的測量數據來計算電阻值，并進一步分析數據間的差異以得出更加精準的結果.

例如 學生可以有效地測量同一電阻器在不同電壓和電流情況下的電阻值，依托于多次測量記錄電壓、電流的數據，而后依照歐姆定律R=UI計算出電阻值.由于實驗器材存在的誤差，每次測量得到的電阻值可能存在一定的差異，學生在匯總數據時應求取平均值以減小誤差.此外，學生還可以繪制U與I的關系圖，同時依照斜率確認電阻值，進一步驗證實驗結果的準確性.相應的過程之中，學生不僅僅是簡單地測量和記錄，而是需要依照實際的實驗現象對誤差來源進行分析，并依托于比較不同實驗結果得出最合理的結論.

3.3 理論與實踐相結合，在“熱力學第一定律”中引入能量守恒觀念

在人教版選修三的“熱力學第一定律”教學中，將理論應用與實驗實踐相結合能夠更加充分地幫助學生理解能量守恒的核心思想.熱力學第一定律能夠有效揭示能量守恒的定律，而依托于實驗觀察和數據記錄來驗證相應的定律，可以加深學生對“內能、熱量、功”三者之間關系的認識.在此過程中，教師可以進一步引導學生通過“水的比熱容測定”實驗來認識熱力學第一定律的應用，由此為基礎培養學生的能量守恒觀念.在實驗過程中，學生需要測量熱水和冷水的初始溫度和質量，然后記錄混合后系統的最終溫度.依照熱力學第一定律，熱量從高溫水進一步轉移到低溫水，如若系統無熱量損失，熱水失去的熱量應當等于冷水吸收的熱量.學生可以使用公式Q=mcΔT計算實際的熱量值，通過計算熱水和冷水的熱量變化，有效地驗證能量守恒定律.

4 結語

本研究圍繞高中物理實驗教學，探討了如何在核心素養導向下有效優化教學策略.通過設計探究式實驗、強化數據分析與邏輯推理、結合理論與實踐，學生在實驗過程中不僅鞏固了物理知識，還提升了科學探究、邏輯思維等核心素養.在“彈簧振子”“電阻測量”“熱力學第一定律”等實驗中，教師基于優化教學策略從不同角度深化了學生對物理規律的理解，強化了學生數據處理能力與誤差分析能力，助其建立了全面的科學思維模式.這種核心素養導向的教學創新不僅提升了學生的物理能力，更為其未來的自主探究和終身學習奠定了堅實基礎.

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