基于核心素养的高中物理实验教学的创新与实践

金加团　杨雪明

物理学是一门以实验为基础的学科，物理实验是物理教学的一个重要部分.《物理课程标准》明确把“物理课程应致力于学生物理素养的形成与发展”放到了物理实验教学的重要位置.只有通过实验验证所学的理论知识.才能够让学生真正理解所学知识的实际意义，能够帮助学生对基础知识有更透彻的理解，从而更有效地提高成绩.但是，部分高中物理教育工作者应试教育思维根深蒂固，高中物理实验教学被严重忽视，成为高中物理教学的薄弱环节.由于实验教学被忽视，导致了理论与实践脱节严重，学生不能够将理论知识与实践经验相结合，对成绩的提高与学生科学素养的培养带来负面影响.

高中物理学科的核心素养包括：物理观念、科学思维、实验探究和科学态度与责任，加强和改革高中物理实验教学，既符合物理作为一门以实验为基础的学科特征，又是高中学生物理核心素养形成的主要途径.本文针对目前高中物理实验教学的现状，阐述了高中物理实验教学的重要性与意义，分析了目前高中物理实验教学的问题，并给出了实验内容要突出时代性与先进性，以学生为主体的实验教学理念，以及如何培养学生核心素养的实验教学方法的改革建议.经过几年实验教学的创新与实践，总结了所取得的主要经验和实践成效，供同行交流、指正！

1主要经验

1.1培养学生对物理创新实验设计的兴趣

物理的教学始终离不开物理实验的教学，有趣的实验现象是激发学生探索自然、理解自然的兴趣与热情的催化剂，亲手操作是培养学生物理技能和实践能力的最佳途径；此外亲身的实验经历能让学生体验科学探究的过程、了解科学研究的方法，有助于提高学生的科学素养.

1.1.1在自主课堂上设计相关的创新实验引入课题

在引入新课时，我们教师会选择一些有趣、新奇和使学生感到意外的创新演示实验，由创新实验引入课题，激发学生探究欲望.比如：抓百元大钞引入自由落体，将一百元的人民币折成纸团从一定高度自由下落，让一位学生在下面用两只手指来抓住，提高课堂趣味性；“巧劲拉书”突破超重失重规律教学，首先将两本的物理书一页一页的叠在一起，叫两个力气大的男生将用力把书拉开，他们不管怎样使劲都无法将两本书分开.再叫一个女生，偷偷告诉她秘籍，要求她把书从较低的地方轻轻上抛，等书到最高点时，两只手分别抓住两本书的边缘将他们分开了，这就是利用了完全失重的原理.这些创新实验具有真实、形象、生动的特点，对中学生有很强的吸引力，极易唤起他们的兴趣，创造愉悦的物理学习环境，以激发学生的求知欲望.

1.1.2在自主课堂上，注重学生徒手做分组“小”实验

这些实验基本不需其他实验器材，主要利用双手进行实验，如将双手的食指肚正对接触并用力挤压来说明“作用力与反作用力大小相等，方向相反、作用在一条直线上”；或用五指并拢来观察远处日光灯光线的衍射现象.通过这些简单的“小”实验，让学生即加深了对物理知识的理解，又体会了做实验探究的乐趣.

1.1.3开设《玩具中的物理》选修课，拓展学生视野

这门选修课从物理学角度介绍了从传统玩具与现代玩具的设计原理，涵盖高中物理的力学、热学、电磁学、光学、原子物理学的各个部分.比如不倒翁的原理，从力矩角度解释不倒本质；飞机和风筝的原理，从流体力学角度阐明了尾翼设计的重要性.使用玩具进行物理实验教学，充分挖掘玩具的物理特点及刺激功能，对激发学生的学习兴趣、学习的主动性和学生探索、创新能力的培养可产生独特的教育功能，可起到使用现成实验仪器所起不到的独特作用.

1.1.4定期举行趣味性创新实验大赛

大赛让学生经历“提出问题——猜想假设——设计实验——实践实验——分析评估——交流总结”的探究过程，如“水火箭的制作与发射比赛”“鸡蛋撞地球比赛”“纸桥承重比赛”等.进一步培养了动手、归纳、交流的能力和团队合作精神，同时也体验到科学探究的喜悦，加深了对物理规律的理解和信任，领悟到一定的科学思想和精神，促进学科核心素养的全面养成.

1.2提高自身修养，提高实验创新能力，传播实验教学理念

作为教学活动的主导者，教师首先要对实验在物理教学中的重要性有足够的认识，其次要充分利用教材中已有的实验资源，并能够根据教学实际设计一些创新性的实验，同时引导学生进行实验创新设计.物理实验的创新设计，是教师秉承新课程标准的开放性理念，由课程的复制者走向课程的创造者的有效尝试.它可以有效促进学生自主、富有个性地学习，对学生的科学探究能力、实践能力和创新意识的培养大有裨益.

1.3创设创新性实验大厅、操作性实验室和开放性实验室

1.3.1大厅实验

在学校大厅走道制作一系列展板，向学生介绍物理学最为经典的、最为前沿的实验，在大厅里摆放能让学生直接动手操作的仪器.实验装置可以激发学生的兴趣，让学生通过动手操作理解实验的方法和原理，引领他们走进物理世界.

1.3.2操作性实验

操作性实验设立于创新实验室内.设立这些实验的目的，主要是进一步激发学生的兴趣，引发学生的思考，培养学生的物理思想，初步形成一定的科学意识和素养.

有些实验，学生无法通过自己的思考和简单的阅读或自学去理解其原理和内在的物理概念，而学生观察到了某种实验现象后又有迫切需要解开这些谜团的意愿，我们就转移到实验室中，在老师的带领帮助下解开这些谜团.有些演示实验无法在大厅放置，我们将这些实验放在实验室内进行，一方面老师可以现场指导，另一方面对实验器材的保护也比较好.还有一部分针对参加物理竞赛的学生开设的实验，我们也将它设立在操作实验室内.

1.3.3开放性实验

这是创新实验室创建的重点，真正能够锻炼学生科学素养和创新能力的方式，只有通过自己的动手体验和感悟才能做到.

我们创建创新实验室的目的主要是要培养学生的问题质疑能力、发散想象能力和迁移独创能力.因此在设置实验内容和方式的时候改变了以往仅仅服从于教材和教学需要的模式，而是以满足学生的需求和促进学生的发展为宗旨的模式.传统实验更注重的是对实验原理和实验步骤的要求，而对实验的创新、改造和再开发支持不够.传统的实验尽管有其成熟、经典、严谨的优势，但是对于培养学生的创新意识，显得有些力不从心.

学生的开放性实验主要依托学习包展开.在高中阶段，主要有以下四个学习包：自由落体、太阳能的利用、自动控制和模块机器人以及电磁波.除了要充分利用教材上的材料和内容外，还要适当的加入课外拓展部分.

2实践成效

2.1一年一次的物理创新实验设计大赛成为了学校科技节传统的比赛项目

学生参与积极性高，探索科学知识的愿望强烈，在校园内形成了良好的科技创作氛围.

2.2创设了校园科技长廊

向学生介绍物理最为经典的、最为前沿的实验.拓展学生的思维，激发学生探索科技的欲望，提升了学校的影响力.

2.3建立了多个实验室

交通事故研究、抛体运动研究（竖直上抛、平抛、斜抛）、超重与失重、水波干涉、声速的测量、逆风行舟、翻身陀螺、飞机升力演示仪、傅科摆、陀螺仪、啄木鸟、凯尔特魔石、昆特管、比利时咖啡壶、多米诺骨牌、不会掉下来的圆环、耦合单摆、圆偏振驻波、动量守恒演示仪、超声雾化器、迷你锅炉、太阳能发电、卡文迪许扭秤等.

电磁学实验室：安培力演示仪、电磁炮、赫兹谐振器、避雷针原理、光电效应、雅各布天梯、静电摆球、富兰克林轮、磁悬浮演示仪、磁阻尼摆、磁阻尼管、温差发电演示仪、自感现象演示仪、互感现象演示仪、电流秤、高压输电模型、光的偏振现象、全息照片、辉光放电、自动控制电路、脚踏发电机、法拉第圆盘发电机、地磁场产生感应电流、冲击电流计.

2.4确立了开放性实验的四个主要学习包

2.4.1自由落体

自由落体学习包的课内任务主要是探究自由落体的运动规律.而在此之外，我们还建立若干子课题，这些子课题包括验证型的和探究型的.验证型的例如：重力加速度的精确测量，重力加速度和纬度的关系等；探究型的例如：测人体反应速度，对雨滴的下落的研究，重力加速度的测定方法等.

2.4.2太阳能的利用与新能源的开发

太阳能的利用除了完成课内任务以外，还联系能量的转化、新能源的开发和利用等相关内容进行展开.

有关太阳能的子课题有：建造太阳能发电塔、提高太阳能发电效率的方法、太阳能发电技术及其发电效率等；有关新能源的子课题有：太阳能驱动斯特林热机的研究、制作风力发电机、太阳能照明、LED照明技术、声音制冷等.

2.4.3自动控制和模块机器人

自动控制在课内部分比较简单，因此我们要求学生和创造发明课结合起来，进行一些较为复杂的逻辑电路的设计和制作，并且应用这些逻辑电路实现简单的自动控制功能，能够做出成品，应用到教室或是家庭中.如防盗系统的设计、自动感应灯光系统、交通信号灯的自动控制等.

模块机器人即可利用乐高机器人参加机器人比赛，也可以独立设计机器人，还可以把一个机器人进行模块化，每个小组设计一个模块，最后组装成为一个可以运行的机器人，作为一个完整的项目来进行.这个项目的重点是小组统筹协作和通过设计来实现不同的功能.

2.4.4电磁波

电磁波的常识和种类是课内所要求的，除此之外我们还可以进行电磁波的测量、电磁波对生物的影响、无线通信技术（信号的调制与解调）、天线的设计等课题的研究.还可以进行辐射的研究，比如核辐射的测量、核辐射和电磁辐射的区别等等.

2.5形成了一套基于自主课堂的物理实验创新性设计的方法

如“找不足”列举法、“谈理想”列举法和“知识交集法”来引导学生进行实验创新.“找不足”列举法，顾名思义，就是列举事物的缺点或不足之外，再针对性地提出解决方法和措施.其中，找到事物的缺点或不足之处是本方法应用的重点；“谈理想”列举法，这是一种通过提出对事物的希望或理想，进而探究解决方法和措施的创新技法，其应用要点在于如何提出合理的希望或理想；“知识交集法”则是对相关联的知识原理、实验器材进行不同的实验创新设计.

2.6促使科学素养的养成向基本核心素养的转化

主要表现在我们的学生创新和实践能力提高了，与他人的团结协作、沟通讨论能力加强了，学习态度更加端正了，思考问题更加严谨了，做事的责任心也更强了.

3问题思考

只有通过训练有素的实验教学，才能使学生在获取物理知识的同时，潜移默化地形成良好的科学素养，如：严谨的科学态度，实事求是的科学作风. 同样，只有加强实验教学，才能培养出具有较强动手能力的学生，而这种能力正是日后成为合格劳动者所必需的劳动技能素质的基础.中学物理实验教学要注重方法渗透，要注意阶段性和层次性，由低到高有观察法、实验法、控制变量法、推理法、类比法、数学法、等效法、近似法、假设法、模型法等.教师要明白学生对思想方法的领悟是一种潜移默化的渗透过程，而不可把方法当作知识向学生灌输，其渗透过程是循序渐进的、潜意识的，不同年级对同一方法的渗透是螺旋递进的不能一步到位.我国物理创新实验教学研究起步较晚， 开放式教学方法的实施更无从谈起， 目前， 多数高中物理实验还是普遍采用传统式、灌输式的教学方法， 尤其在实验教学中采用启发式、引导式等教学方法相对较少.正因为如此， 学生利用物理实验室进行研究性学习和创客工作的人很少；在实验完毕后， 由学生自己利用计算机处理数据的学生更是寥寥无几.进一步来讲， 利用数字物理实验室， 解决生产和生活中实际问题的学生， 以及横向拓宽实验设计的学生就更少了.这一切都充分地说明了学生的实际操作能力是非常有限的， 也暗示着目前物理实验教学还存在着许多方法上的问题.

3.1物理实验创新与实践是一门可以通过学科素养的落实转为学生素质的课程

虽然我们在这门课程的教学上已经取得一定的成果，但这是一门持续性的课程，我们依然要思考“物理能留给学生终身受用的东西是什么？”这个问题，我们希望通过我们的努力，能培养学生核心素养的形成，让学生成为全面发展的人，促进核心素养教育的发展.

3.2在创新实验室的创建伊始，还有许多不足和疏漏之处，很多问题在创建的过程中逐步去发现和解决

学生探究开放实验的过程，也是对我们创新实验室的完善起到十分重要的作用.只有做好积累工作，逐步地将学习包扩大，形成学生自己的学习包，这样的创新实验室才能不断地自我完善和不断地推陈出新，这才是名副其实的创新实验室.这些并不是完全由老师来完成，而是主要由学生来参与完在.也正是这样，才能突出创新教学的思想，突出学生的主体作用.让学生在物理实验的创新与实践中形成学科核心素养，成为全面发展的社会需要的人才.