基于核心素养的高中物理实验教学探究

摘要：21世纪教育关注学生核心素养，在知识获取的基础上能力的培养与科学素养的形成更加重要。在物理课堂教学中注重对“物理核心素养”的培养是当前教学改革的重点。鉴于物理实验的特殊教学功能，物理实验对物理核心素养的培养有至关重要的作用。本文以“平抛运动”一节物理实验课为例，就物理核心素养组成的四部分阐述在物理实验教学中如何培养学生核心素养。

关键词：平抛运动；实验教学；物理核心素养

自21世纪以来，“核心素养”成为各国各地区教育改革的一个热门话题。我国于十八大报告中首次提出将立德树人作为教育的根本任务。因此在我国新一轮课程改革中，培养学生的核心素养是至关重要的。

学生总是抱怨学习物理有什么用处，教师也在不断思考我们究竟要将学生培养成什么样的人。其实在学生离开物理课堂走向社会最终留下的东西才是我们要培养的所谓的“核心素养”。关于物理学科的核心素养，全国有很多学者进行过研究与定义。在教育部下发了《普通高中物理课程标准修订稿》内部征求意见稿中提出：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要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，是学生科学素养的关键成分。结合物理学科的特点与教学要求，物理核心素养的内涵包括物理观念、科学思维、实验探究和科学态度及责任这四方面。下面笔者以人教版高中物理必修二“探究平抛运动运动规律”为例，就物理核心素养组成的四个部分，详细阐述下以培养学生核心素养为基础如何進行物理实验教学设计。

一、 实验教学过程

本节课的教学过程由三个实验部分构成，依次从观察平抛运动运动轨迹到定性探究平抛运动运动规律到定量研究运动规律与验证。三个实验的设计环环相扣，体现对学生核心素养的培养。

1. 物理观念

物理观念是指从物理学视角形成的关于物质、运动与相互作用、能量等的基本认识，是物理概念和规律等在头脑中的提炼和升华。

在实验设计中第一环节是学生自行选择方案观察物体做平抛运动的轨迹，虽然学生在生活中观察到的曲线运动并不少，但却是在学习了直线运动后首次深入学习曲线运动。学生在设计实验方案使物体做平抛运动中有助于对物理观念中“运动观念”的培养。平抛运动也是学生首次将生活中常见运动进行分析研究，是学习运动合成与分解十分重要的一节。实验教学过程中水平与竖直方向上“小球运动对比实验”的进行不仅让学生具有“运动观”并知道可以灵活应用“运动观”分析问题和解决问题，除此之外，学生在实验过程中会发现不仅是人、小球等物体可以用来做平抛运动的研究对象，细小的水流也可以，有助于培养学生的“物质观”。

2. 科学思维

科学思维是物理核心素养的中心。科学思维主要指高中物理中重要的思维方法，包括建模的思想、理想化方法、分析综合、抽象概括、批判性思维、推理论证等思维与方法。

本教学设计中在学生初步了解平抛运动运动轨迹之后进一步探究平抛运动的运动规律，其中教师以前一节“红蜡块运动”实验引导学生思考如何将相对复杂的平抛运动化为简单的直线运动进行研究。学生进行思考教师加以引导得出将其化解为水平与竖直方向的直线运动，巧妙应用“化曲为直”的思想将复杂运动化解为学生熟悉的直线运动。

接下来引导学生对小球进行受力分析，从理论上推测出平抛运动竖直与水平方向应是什么运动。下面教师采用演示实验的方式进行实验验证，用事先准备好的iPhone手机拍摄下两小球运动在水平与竖直方向运动对比视频，数据直接连接到大屏幕上用慢动作播放的方式验证理论猜想是否正确。如图1和图2所示。

在此实验过程中教师始终采取引导的教学方式让学生自行进行猜测，学生可以自由猜测并说出自己的观点。实验过程中将平抛运动分解为水平与竖直方向的运动，这种将复杂的曲线运动化解为学生熟悉的便于解决的直线运动培养了学生“化曲为直”的思维方法。教师在向学生展示实验仪器之前让学生先自行进行仪器设计，提出如果自己要验证猜想会设计什么样的实验仪器，锻炼学生的思维能力。本实验在用iPhone手机拍摄视频播放对比分析对小球进行定性分析后又应用DIS实验仪器对实验进行了定量分析验证，培养学生从定性和定量两方面进行科学推理找出物理规律的科学思维。

3. 实验探究

实验探究是核心素养培养的关键部分。实验探究主要指高中物理中通过实验发现物理规律的方法，包括发现问题、合理猜测、设计实验探究方案和获取证据、分析论证、合作与交流、评估和反思等。实验探究素养的培养又是必须通过实验探究过程来进行的，也反映了实验教学在培养核心素养中不可缺少的地位。

本次实验教学设计由学生自主探究实验与师生共同探究两部分组成。第一环节中教师让学生利用可以得到的资源自行设计实验方案得到平抛运动的轨迹进行分析。学生在相互讨论与参考资料后主要提出了以下几个实验方案。

方案一：用实验室中提供的“平抛运动实验仪”探究小球做平抛运动的运动轨迹，使小球多次从斜槽上同一位置滚下，则小球每次的运动轨迹相同。观察几遍小球的运动轨迹之后，

将带有吸铁石的夹子放在运动轨迹上，小球撞击夹子后便会在垫有复写纸的白纸上留有痕迹，改变夹子的位置，多次释放，便会得到一系列的痕迹点，之后将这些点用平滑的曲线连接起来得到小球平抛运动轨迹。

方案二：用生活中常见的矿泉水瓶装入部分水，在瓶盖上扎出一个孔，再在瓶下端侧面扎出一个小圆孔，松开瓶盖孔发现水喷出来，并且水流做平抛运动。由此可以观察水流平抛运动的轨迹。

方案三：参照书中的案例使用数码相机，将小球放在桌面上，用尺子击打它，使它离开桌面做平抛运动，这时另一位同学用数码相机拍摄下小球做平抛运动后几张连续的照片，观察小球运动轨迹。

学生在进行平抛运动轨迹研究过程中不仅锻炼了提出问题、进行猜测的能力，更加培养了设计实验方案与数据处理分析得出结论的能力。在教师带领学生共同探究平抛运动运动规律中教师启发性的提问让学生不断进行思考，一切实验方案的提出总是在学生思考与优化之后给出的实验设计，学生不是观察者的角色，而是整个实验探究的参与者。学生整堂课做到紧跟教师思路不断进行思考探究有助于深入理解学习平抛运动的知识。

4. 科学态度与责任

科学态度与责任则是物理核心素养的灵魂所在，在各种能力培养之上，教师更希望学生在学习一堂物理课后形成严谨的科学态度与研究物理的好奇心与求知欲。希望学生既能正确认识科学的本质，还能主动与他人合作，实事求是，不迷信权威，具有保护环境、节约资源、促进可持续发展的责任感等。对于科学态度与责任的培养绝不是一朝一夕便可以做到的，这就需要教师在每堂教学设计中都要注重此素养的培养，在潜移默化中培养学生的“科学态度与责任”。

本堂课在实验器材选用上先进DIS实验仪器与生活物品的融合使用是设计的一大创新。在使用了生活中常见的iPhone手机拍摄视频进行定性研究之后，采用了数字化仪器DIS对实验进行了定量研究。在使用DIS实验仪器前让学生分析引起实验误差的原因，再向学生介绍能减小实验误差，使数据处理更方便的实验仪器。

教师将待研究的物体释放，物体离开平直轨道之后做平抛运动，通过数据传感器将物体运动的横纵坐标展示在电脑上，将数据和图像展示给学生。

（如图3、图4）

得到数据之后，点击“加速度”一项，程序便可直接计算出物体平抛运动在竖直方向的加速度数值，并与当地的重力加速度进行比较。利用DIS实验软件直接进行数据计算，可以较为清楚明了地看出平抛运动水平方向是平抛运动、竖直方向是自由落体运动。

即：x=vt，h=12gt2

在使用DIS实验仪器进行数据采集时所得到的实验数据相对来说精确了许多，同时也省去了繁杂的计算过程，可以为教学节省很多时间。DIS实验软件还能得出水平和竖直方向上的vt图，快速、形象、直观。而这一点是其他实验器材所无法比拟的。

此环节的设计不仅是用数据计算的方式再一次验证平抛运动的运动规律，加深学生的印象，同样让学生知道用生活用品与数字化仪器都能进行实验得出结论，视频拍摄方式更便于定性研究，实验现象直观，符合学生的认知特点，学生便于得出实验结论。DIS实验仪器则是十分的快速便捷，误差小。两种方法可谓是各有侧重，各有千秋。两种实验方法同时展示也让学生体会到课堂教学当中是秉承着严谨的科学态度。另一方面是在体现物理与生活紧密联系的同时扩宽了学生的视野。启发学生在日常生活中可用常见的物品来解决物理问题，有利于激发学生的好奇心與求知欲，培养学生的“科学态度与责任”。整个教学过程中生生之间、师生之间的合作也培养学生与他人合作的精神。

二、 结语

在新的教育改革中，学校学习的重点还是在于高考所考查的内容，但现如今高考题目不单单是考查学生知识的掌握，更多时候是考查学生的科学思维以及是否能灵活应用所学知识。对于能力、科学思维以及科学态度与责任的培养绝不是在题海中能学习到的。只有给学生机会让学生真正去实践，从“做中学”才能培养学生的探究意识、创新思维和实践精神。实验是物理教学的核心部分，创新物理实验培养学生的物理核心素养是当前物理教学中培养核心素养的关键与有效途径。如何在设计物理实验时培养学生核心素养是我们要不断研究与探索的事情。

（指导教师：韩玖荣、王景跃）

参考文献：

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[3]吕云梅，陈连松.高中物理实验教学的学科核心素养培育途径[J].考试周刊，2018（1）.

[4]卓春，蕊杨，光敏，等.基于核心素养导向的高中物理教学设计研究以“反冲运动火箭”为例[J].科技资讯，2017（19）.

作者简介：蒋东营，江苏省扬州市，扬州大学物理科学与技术学院。