核心素养下的高中物理实验教学实践

王鹏

摘 要：当前，新课程理念已经深入人心，核心素养既是个人发展的需要，更是社会发展的必需品，因此，在日常的教学过程中如何培养学生核心素养是一个不可回避的问题。高中物理是一门以实验为基础的学科，高中物理实验是教学中的一个重要的、不可或缺的环节，而高中由于教学任务的紧张，往往造成实验只是走马观花，甚至有时候还是老师讲得比较多，真正让学生做的比较少，能真正从实验中得出结论的学生少之又少，更谈不上什么实验拓展。近几年来，利用课外时间，经常带学生开展一些考纲以外的实验，其目的是增强学生对物理的兴趣，同时对学生的实验探究能力大有提高，对培养学生的科学思维有着不可替代的作用。结合开展的实验拓展研究的案例，谈谈课外实验拓展与培养学生核心素养之间是如何无缝对接的。

关键词：物理；实验拓展；核心素养

一、实验拓展与核心素养

学生发展核心素养主要指学生应具备的，能够适应终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力。研究学生发展核心素养是落实立德树人根本任务的一项重要举措，也是适应世界教育改革发展趋势、提升我国教育国际竞争力的迫切需要

笔者平时开展的实验拓展一般都是从学习中遇到的问题入手，以科学的方式对问题进行研究，主动地解决问题，获取知识。这是一种主动探究的学习方式，要求在开放的学习环境中遵循客观认知规律，在原有认知结构的基础上，对所确立的研究性问题进行分析研究，结合科学研究方法对提出的问题抽丝剥茧，设计出合理的解决方案，并进行实验及材料数据的收集，对资料信息进行加工、处理，最终创造性地解决问题。

认知主义的代表人物奥苏贝尔提出了接受学习和发现学习，而后者对于学习者主动性的关注，对于学习过程中所培养的科学精神以及实践创新能力是一般课堂上难以达到的效果。

物理核心素养强调物理观念、科学思维、实验探究等，而实验正是培养学生这些与核心素养息息相关的特质，对于所研究开展的拓展性实验，都是从学生在学习和生活中遇到的问题出发，设计方案，实践探究，从而获得结论的过程。笔者认为，应将拓展性的思维方式渗透于日常的教学过程中，使学生在探究中逐渐找到适合自己的学习方法，同时培养其科学精神，在处理具体的问题中具备实践创新能力、终生学习的能力。

二、拓展实验实践研究

1.问题的提出

（1）问题生活化

“电源电动势”这一节内容非常抽象，学生在学习的过程中都说理解难度很大，即使对书本所阐述的内容能理解，也总感觉意犹未尽，一知半解，导致解决问题时总是模糊不清，给学生的感觉就是电源离我们生活很近，但电动势好像离我们很远，只是在无条件地接受这方面的知识，却缺乏了体验与感受。

（2）问题情景化

后来在做学生实验“测量干电池电动势”的时候，有学生发现说是1.5V的干电池，但测量结果有些大于1.5V，有些小于1.5V，我跟学生说旧电池电动势会有所减小，学生却继续问我为什么？

又有学生问，他在实验中发现旧的干电池用伏特表去测量其电动势仍然可达到1.3V左右，1.3V与1.5V相差不大，但为什么已经不能使小灯泡发光或发光很暗呢？我跟学生说旧电池的内阻会明显增大，使路端电压明显变小，所以小灯泡不能发光。没想到学生又问，那怎么解释旧电池长时间不用，然后再接到电路中时，会使小灯泡有短暂的发光，然后又迅速暗下去呢？

（3）体现科学素养

好多学生似乎已经不满足书本上的那点内容了，还要我给他们讲讲干电池的工作原理，想知道干电池是如何把化学能转化为电能的。学生想通过了解干电池的工作原理，了解非静电力，来解决这一系列疑惑。在一个个的问题面前，我意识到不能再做单项的知识传输工作，要带着他们去探索，在实践过程中去解决问题，培养其科学精神。

2.设计方案

面对这些问题，学生准备自己组团，自己去查阅相关资料，用实验去回答自己的一个个困惑，学生很快组成了六人研究小组，确定了组长，接着进行前期准备工作：（1）学习必要的物理、化学知识；（2）准备必要的实验材料及仪器设备；（3）练习必要的实验操作技能；（4）初步设计实验方案。

学生预计的成果：得出重要结论、撰写实验报告、制作视频素材对外交流。

3.实验设计、实践

初次实验，学生让一节新的干电池保持0.2A左右的电流持续放电，每隔半个小时左右测量一次电动势和内阻，经过10小时左右的放电，电动势由1.52V降低到0.96V，内阻由0.96欧上升到1.81欧。

该电池放置一天再测电动势恢复到1.32V，回升非常明显，内阻为1.70欧，无明显变化。

有了初步的发现之后，学生再次进行实验设计：分五天进行，预计每天持续放电8小时左右，放电电流0.2A～0.4A，隔一段时间测一次电动势内阻。实际上电池越旧，持续使用时电动势降低越快，到第五天每隔10分钟测量一次，放电电流减为0.15A左右。

在设计实验的过程中，培养了学生的多元化思维，在实践中创新，同时学生的动手能力得到了锻炼。这些都是中学物理核心素养中不可或缺的因素。

学生查阅了许多相关资料，再到化学老师处了解干电池内部的化学反应情况，这样将实验数据情况分析结合电场电流知识、化学反应知识等，他们大胆地推理解释了学习生活中出现的那些现象。

4.實验结论——现象解释

电池是将化学能转化为电能的装置。电池内部的物质发生化学反应，通过非静电力做功，把正负电荷搬运到电池的两极，分别积累正负电荷，从而在两极极间形成电势差。对于没有接入电路的新电池，电源内部非静电力与电场力处于平衡的状态，内部的化学反应不再进行，处于暂停状态。

电池接入电路开始放电，两极积累的电荷量减少，此时非静电力大于电场力，化学反应开始，若放电电流较大，就会出现极板上释放电荷的速度比聚集电荷的速度快，这样极板所积累的电荷量将逐渐减小，电源两极间的最大电压减小。我们所测得的“电动势”实际上就是开路时的路端电压，因此从这层意义上讲，“电动势”减小了。此时若将电池停止使用，化学反应会继续，两极板积累的电荷量会逐渐增大，一直到电场力与非静电力平衡时才结束反应，这就是放置一段时间后，“电动势”又会回升的原因。其实，只要将放电电流减小，使非静电力做功积累电荷的速度比极板放电速度快，“电动势”也会回升。当然我们如果一开始就以较小的电流放电，“电动势”短时间内是不会降低的。

其实，电动势最准确的定义是“单位正电荷在电源内部从负极移送到正极时，非静电力所做的功”。从这个角度讲，电源内部非静电力与电场力平衡是电源两极间的开路电压在数值上等于电源电动势的条件。若电源持续以较大的电流放电，内部非静电力与电场力已经不平衡了，此时我们测得的开路电压已经不等于真正意义上的电动势了。要等电源放置一段时间，等两极电荷聚集，电场力与非静电力重新平衡时，测得的开路电压才是电动势。

从电动势确切定义的角度看，干电池的电动势与电池新旧程度有关，越旧的电池，电动势越小，原因是干电池随着使用时间的增长，化学物质的消耗，离子浓度降低，导致化学反应量减少和反应速度减慢，电池将化学能转化为电能的能力降低了，即非静电力减小了，平衡时的电场力当然也会减小，所以我们测得的旧电池电动势要比新电池低。

旧电池长时间放置再使用能使小灯炮短时间内发亮，然后很快就暗下去了，其原因并不是内阻太大。若是内阻太大，就不会有初始的发亮现象了，根本原因是电池旧了，通过化学反应使两极板聚集电荷的速度更慢了，比放电速度小得多了。这样在很短的时间内，两极积累的电荷迅速减少，两极间的电压迅速减小，放电电流也随之迅速减小，最终会达到一个动态平衡的结果，放电速度与化学反应聚集电荷速度一样，越旧的电池动态平衡放电电流越小。一节新的干电池平衡放电电流可以达到1A左右，但不能维持很长时间，若一直放电下去的话，电流越来越小。

虽然电池的电动势和内电阻的值在变化，但对于用电时间不长，在放电电流不大的情况下，多次测量的电动势和内电阻变化不大，可以认为其电动势和内电阻是不变的。但在用电时间很长或者短时间较大电流放电的情况下，电动势就不能认为不变了。其中，短时间较大电流放电引起的电动势降低指的是两极间的开路电压减小，不是真正意义上的电动势减小，而长时间小电流放电最终导致的是真正意义上的电动势减小。

后来我们利用传感器再次设计了两项测试，进一步证实了我们的猜测的合理性。

三、笔者感悟

1.拓展性实验直接指向核心素养

课外实验拓展探究是针对学习中遇到的问题而开展的，在实践过程中体现了“创新”，实验探究中学会了多种处理问题的方法，培养了科学思维，在知识的获取过程中体会到“终身学习”的重要性；在整个实践过程中又使学习者的“科学精神”得到培养与完善。

以笔者指导的这次实验拓展为例：

学生在整个科学探究过程中体现了从日常观察到设计实验研究，从“实践”出发进行猜测推理，不断创新，如对闭合电路欧姆定律、电动势、非静电力等恒定电流中的概念有了更深入的掌握，对干电池的工作原理有了较深入的了解，尤其是平时遇到的那些疑问都得到了解决。

在整个实践过程中又使学生的科学思维得到培养与完善，是发展核心素养的有力武器。长期以来我们在物理教学中过分依赖“接受式学习”，把接受式学习置于中心地位，从而造成学习者创造力不足的弊端。课外拓展实验在培养学生科学思维、实验探究等方面都有其独特的优势，对发展学生的核心素养有着不可替代的价值。

2.学习能力得到真正培养

笔者发现课外实验拓展并没有因为占用了时间而使学生物理成绩下降，反而使成绩明显提高了，连高考都取得了不错的成绩。原因何在？

笔者认为一方面是课外实验拓展使学生学习物理的兴趣大大提高，变被动学习为主动学习，并且使学生的学习方式方法不断完善，多渠道获得知识的学习能力不断增强，这些都能反作用于学生的日常课堂学习，使学生更有效地学习，考试成绩自然也就能得到很好的提升。

另一方面是实验拓展过程中所培养的科学思维、探究精神是学生终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力。这些能力在当前的考题前体现出了强大优势。

3.利用物理实验独特的魅力服务物理教学

人的思维能力是智慧的象征，单纯的知识堆积无法形成智慧，而在平時的实验中由于时间的关系往往难以发挥实验的真正作用，从学生长远利益、终身发展的角度来说，作为一线的老师，直接面对的是教学主题，在日常教学中需要教给学生的是什么，为什么教，是教给学生知识本身，还是那些知识背后的那点东西，值得每位老师去深思。笔者这几年一直坚持带学生做实验拓展，参与的学生不仅对物理的学习有了很大的兴趣，在新高考中也都能取得比较理想的成绩，学生从实验拓展探究过程中所获得的那些能力也真正是当今社会发展中所需要的必备品格。

四、结束语

时代在发展，理念在更新，我们强烈呼吁战斗在教学第一线的广大物理教育工作者，将真正能发展学生核心素养的物理实验开展好，用它服务我们的高中物理教学，使我们的教学理念、教学模式、教学效果都更上一层楼。