优化物理实验探究 培养学科核心素养——以“力的合成”教学设计与实施过程为例

罗松平 田 杰 王文波

(1. 重庆市万州上海中学，重庆 630000； 2. 重庆市万州区教科所，重庆 630000)



优化物理实验探究 培养学科核心素养
——以“力的合成”教学设计与实施过程为例

罗松平1田 杰1王文波2

(1. 重庆市万州上海中学，重庆 630000； 2. 重庆市万州区教科所，重庆 630000)

本文以“力的合成”教学设计与实施过程为例,从生活实例引入,设置问题创设情景,引导学生围绕问题设计实验方案,进行实验与收集记录,在分析实验基础上,提出假设并验证,最终形成结论．力求在科学探究过程中,优化实验探究,启发学生科学思维,培养学科核心素养．

探究式教学； 力的合成； 实验探究； 核心素养

2016年9月教育部发布了《中国学生发展核心素养》的研究成果,明确了中国学生发展的六大核心素养,其中关于物理学科核心素养方面指出:物理核心素养是学生在接受物理教育过程中逐步形成的适应个人终身发展和社会发展需求的必备品格和关键能力,是学生通过物理学习内化的带有物理学科特性的品质,是学生物理学科素养的关键成分,由“物理观念”“科学思维”“实验探究”“科学态度与责任”等4个方面的要素构成．新一轮国家基础教育课程改革的一个重要而具体的目标,就是要倡导以“学生为主体、教师为主导”的探究式学习,立足物理实验探究,关注学科核心素养,实现从三维目标到核心素养的整合．

基于对目前新课程理念和物理学科核心素养的理解,笔者结合参加2016年重庆市高中物理青年教师优质课大赛的亲身经历与实践,以参赛课题“力的合成”一节的探究式课堂教学设计与实施过程为依托,具体从新课引入、实验设计、课堂探究、教具改进、课堂延伸这几个方面例谈如何在物理教学中落实科学探究,培养学生科学思维和实验探究精神,切实贯彻核心素养教育,把核心素养教育真正落到实际教学中．

本节课的整体教学设计流程图如图1:

图1 “力的合成”教学设计流程图

1 新课引入,激趣设疑

本节“力的合成”教材上从生活提水的例子引入,起初我们设计也是以两位学生提水或者拉拉力器作为引入,但考虑到想新颖吸引学生,又想让实验结果更具视觉冲击力,于是想到“单指断钢丝”的实验,去五金店挑选实验器材,试验中发现钢丝在实际操作中容易伤人,而铁丝又具有良好的延展性不易拉断,于是换用铜丝,对不同粗细的铜丝进行调试,最后发现直径约1mm粗细的铜丝效果最好．但在试讲过程中,发现这个实验的观赏性不强,而且难以保证实验的成功率,后来将这个改拍视频,放在最后作为问题实验结尾．于是引入还是选取旧方案,考虑实验的安全性,把“提水桶”改为了“提包”,让学生体验两根绳子提包很“费力”,引发疑问,创设问题情景,激发学生学习探究的兴趣,从而引入课题．

笔者感悟到:精彩的课题引入作为一堂课的开端,对于新课的展开以及整堂课的结构完整性具有重要的意义和价值．那么在新课引入环节,如何做到切合实际生活,使课堂引入实验具有良好的操作性、观察性,有效地调动学生的探究热情,是课题引入的关键．

2 实验设计,层层递进

本节的实验探究目的是寻找求合力的方法．由于学生已经在初中学过有关同一直线上二力合成的知识,所以前概念里认为合力就等于两个分力相加,这也是本实验探究的切入点．学生很容易猜想合力就等于两个分力相加,然后用简单实验验证互成角度的两个力,其合力与分力不是简单的代数加减关系,即初步实验探究推翻学生的前概念,继而进一步提出新问题,到底互成角度的两个力,合力与分力是什么关系,过渡到进一步实验探究,实验逐步递进,层层深入．

关于这两次实验设计有3套实验方案,方案1是提钩码，实验器材如图2所示,方案2是拉橡皮筋，实验器材如图3所示,方案3是先提钩码找合力与分力大小关系,再拉橡皮筋精确描述每个力,寻求合力与分力的关系．在这3套方案的实施过程中,如果采用提钩码涉及到如何方便学生作图,这就需要保证实验装置在竖直面内保持稳定,曾尝试着用铁架台固定竖直木板,试验发现不便于操作;后来又采用先提钩码验证大小关系,再拉橡皮筋画图．这个方案涉及到两套实验器材,不利于学生解决问题的思维连贯性;最后选取教材原实验拉橡皮筋的方案．以3次拉橡皮筋的实验贯穿整堂课:第1次是教师演示实验寻找分力与合力,同时强化对等效替代思想的理解;第2次是师生合作实验记录合力与分力大小验证猜想;第3次是学生分组实验,在白纸上精确描述每个力,进一步寻找合力与分力关系．拉橡皮筋实验与教材实验紧密结合,思路清晰连贯,便于教师引导启发,也便于学生思考和动手．

图2 实验器材

在新课改背景下,教师往往过于注重实验方案的创新与再开发,而常常忽略教材实验． 但事实上教材中提供的实验设计,如果我们能认真体会并落实,同样可以达到很好的教学效果．由此笔者认为教师在追求创新课堂的同时,不能忽略对传统的典型的实验的挖掘和利用,只有基于传统的创新才是具有生命力的创新．

3 课堂探究,学生为主

本节课的教学难点是平行四边形定则的得出过程,当学生把合力和分力用力的图示法在白纸上表示出来以后,如何引导学生从合力与分力的图示中寻找它们之间的关系,得出平行四边形定则．这里笔者采用了开放式的问题探究,启发学生从多个角度去观察分析,从大小、位置、角度、图形、几何关系多维度去分析,要相信学生可以自己去发现一些结论,而不是直奔平行四边形．高一学生已经具备了较强的观察和分析能力,学生可以很快得出合力与分力的大小关系,也可以利用数学几何中作辅助线的方法得到一些新发现,大多数小组的学生都能够把合力和分力的箭头连在一起,教师再通过投影仪把学生的成果加以展示,适时的引导:“这个图形像什么”,再经过验证从而得出力的平行四边形定则．这样,这个实验的结论基本上是由学生自己共同合作探究出来的,而且在实验中还可以发现更多有趣的结论,学生的这些发现都是建立在实验的基础上,都是正确的结论,学生从中获得成功的喜悦,积极性得以调动．

笔者认为:实验探究活动本身具有一定的趣味性和结论的隐蔽性,教师要为学生的实验探究活动提供真实的学习环境,让学生动手体验,参与其中,即充分体现“教师为主导,学生为主体”的双主互动式的新课程教学理念．所以课堂探究的真正意义,也就在于让学生经历曲折艰辛的科学探究过程,体会科学探究精神．

4 教具改进,直观简洁

本节课的主要实验器材是橡皮筋和弹簧秤,为了更好地呈现演示效果,将橡皮筋与弹簧秤固定在黑板上,既便于教师操作,也便于学生观察．橡皮筋一端用普通大磁铁固定,另一端通过细绳套连接两个5N的演示式弹簧秤．两个弹簧秤的4个底脚分别粘贴一个硬币大小的强磁铁,确保能紧贴黑板,定格实验现象．后来得知赛课现场采用的是白板,发现白板相对黑板的磁性弱得多,而且不够粗糙,随即又对实验器材进行改进,在弹簧秤4个底脚的强磁铁表面再粘上一层薄海绵,以增大摩擦．经试验发现,改进后的弹簧秤在白板上基本可以保证拉力达到最大量程,演示效果非常好．

平行四边形定则得出后再进一步思考合力与分力的大小关系,正是与学生实验发现的多种大小结论相照应．为了让学生更直观简洁的认识合力与分力的大小关系,制作了一个简单的平行四边形模型,每小组一个,学生在亲身动手体验中总结规律．

由此可见,复杂的物理规律辅以简单的教具演示,直观简洁,既能够有效突破教学难点,提高课堂效率,使学生学得轻松,教师教得高效,同时也体现了物理之美——简洁美、和谐美、统一美．

5 释疑生疑,延伸思考

结尾引导学生思考课前“提包”实验,试着运用实验结论解释“费力”的原因,释疑解惑．与此同时迁移生活,启发学生学会利用物理知识解决更多生活实际问题,比如斜拉桥的桥墩建得比较高,日光灯的两根悬线竖直等等,体现物理源于生活又应用于生活的学科特点．最后以视频“双手断铜丝”实验结尾,如图4，图5所示.再次设疑,需要准确解释视频中铜丝为什么会断的问题,还需要学生们进一步的学习,延伸思考,激励学生课后继续探究．

图4 “断铜丝”装置设计效果图

图5 “断铜丝”装置设计实物图

本节课的教学环节围绕课前设疑——课后释疑——再生新疑的思路展开,首尾呼应,体现了本堂课解决问题的完整性,同时又延伸课堂,设置新问题为下一节“力的分解”承接过渡,铜丝断了,但我们探究知识的脚步却从未中断．

总而言之,物理课堂教学作为一种再现科学发展历程的特殊形式,应该注重让学生经历科学探究的全过程．在课堂探究过程中,学生参与体验和认知,学会从物理学视角去认识物理概念规律的建立过程,形成基本的物质、运动、相互作用等物理观念;亲身实验经历科学探究过程,讨论交流感受科学探究精神,培养包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素的科学思维;学生在认识科学本质的基础上,理解科学·技术·社会·环境的关系,形成对科学技术正确的态度和责任感．所以能够在物理课堂教育中落实科学探究,激发学生科学思维,培养科学探究精神,引导学生掌握科学方法,为其终身学习和发展奠定基础,以适应社会需求与发展,这是科学探究的真正价值所在,也是把核心素养教育融入学科教学中的关键．

1 彭前程.积极探索基于核心素养理念下的物理教学[J].中学物理，2016(02):1-2.

2 王小庆.真正优化物理实验 实现高效物理课堂——以力的合成创新实验为例[J].实验教学与仪器，2015(6)：11-12.

3 步国平，李锦云.学生主体教师主导的双主互动探究式教学[J].物理通报，2009(1)：33-35.

4 李彦.亲身体验 动手实践——生本理念下《力的合成》一课的教学设计[J].湖南中学物理，2015(6)：60-62.

2016-12-26)