立足基础，聚焦物理学科核心素养

吴广国 邹斌

摘   要：2018年高考理综卷（北京）物理部分考查了1个演示实验和3个学生实验，分值为48分，占物理学科总分的40%，对实验的考查力度很大。物理学科核心素养中的物理观念、科学思维、科学探究和科学态度与责任都有所涉及，考查了学生对物理学科本质的深刻理解、能量守恒观的建立。其中，在伽利略“斜面实验”中考查了模型建构和科学推理等科学探究要素。通过对这4个实验题进行分析，指出在日常实验教学中需要注意的问题，强调不能以知识为目标引领教学，而应以物理学科核心素养来引领教学。

关键词：物理学科本质;能量观;科学推理;实验教学;高考北京卷

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2019）3-0041-5

1    物理学科核心素养在2018年高考北京物理考题中的体现

2018年北京高考物理实验试题考查了1个演示实验和3个学生实验，分值为48分，占整个物理考卷分值的40%，如表1所示。

白光的双缝干涉实验的考查作为物理部分选择题第3小题出现，如果在光源与单缝之间加一红色滤光片后，问白光的干涉条纹将如何变化。当加上红色滤光片后，整个干涉条纹变成等间距的红色干涉条纹;加上蓝色滤光片后，整个干涉条纹变成等间距的蓝色干涉条纹。也就是说红色滤光片是透过红光。本题基于白光的双缝干涉的观察和实验，提出“如果是红光的双缝干涉将是什么样的条纹”的问题，让学生形成猜想和假设，设计实验与制定方案。即采用红色滤光片获取红光，然后通过单缝得到线光源，获取红光双缝干涉条纹和处理信息，得出结论并进行合理解释，体现了物理学科核心素养中的科学探究[1]。

第19题为选择题，考查内容为研究平行板电容器电容相关因素的实验，实验装置如图1所示。题目来源于人教版教材选修3-1第一章《静电场》第8节《电容器的电容》中关于研究影响平行板电容器电容大小的因素的课堂演示实验。电容器的电容是用来描述電容器存储电荷本领的物理量，其大小由电容器的自身参数决定，而与电容器所带的电荷量、电容器两极板间的电势差大小无关。但为了定义电容器的电容大小，依据电容器所带电荷量与电容器两极板间电压之比为定值，用该定值来定义电容器的电容，即C=■=■。静电计指针偏转角度的大小可以推知两个平行板间电势差的大小。在这个演示实验中，保持平行板所带电荷量不变。A选项就考查了如何使平行板带电。可以用带正电的玻璃棒与电容器a板接触，因为b板和静电计的外壳都接地，所以同时也就带上了负电荷。

2.2    追寻物理基本概念和规律的形成和建立过程

科学思维是基于物理实验和经验事实建构物理模型的抽象概括过程，是分析综合、推理论证等方法在科学领域的具体运用;是基于事实证据和科学推理对不同观点和结论提出质疑和批判，进行检验和修正，进而提出创造性见解的能力与品格。在物理实验中可以培养“科学思维”的学科核心素养。

比如近代物理中，“科学思维”在光电效应这一重要的物理现象和规律的发现和建立过程中，得到了充分的体现。在这个物理规律的教学中，教师应该充分挖掘赫兹的光电效应现象的发现历史。为了解释光电效应，爱因斯坦发展了普朗克的能量量子化理论，提出了光量子理论解释光电效应，并给出了著名的光电效应方程。因为没有得到实验验证，爱因斯坦的光量子理论没有及时地得到人们的理解和支持。直到1916年密立根对此进行了全面的实验验证，并且通过实验和爱因斯坦的光量子理论求出了普朗克常数，与普朗克1900年从黑体辐射求得的结果符合甚好。密立根并不讳言，他在做光电效应实验时，本来的目的是希望证明经典理论的正确性，甚至在他宣布了光电方程时，还声称要肯定爱因斯坦的光量子理论还为时过早。

在追寻物理基本概念和规律的形成和建立过程中，培养学生在基于实验事实的基础上对不同观点和结论提出质疑和批判的精神，培养学生探索自然、认识科学本质，严谨认真、实事求是、持之以恒的科学态度和责任感。

2.3    充分利用教材中的演示实验和学生实验

物理教学要基于物理学科核心素养确定教学目标和内容，不能仅专注于学生获得知识。在高中物理课程中，应注重科学探究，尤其应注重物理实验。教材中的“演示实验”“科学漫步”“思考与讨论”“做一做”和“说一说”等栏目，在培养学生的探究能力和科学态度等方面具有重要地位。

在学生实验和演示实验中，应发掘实验在培养学生发现和提出问题能力方面的潜在价值。教师可在一些物理实验中创设情境，让学生在观测和体验后有所发现、有所联想，萌发出科学问题;还可在实验中创设一些任务，让学生在完成任务中运用科学思维，自己提出应探究的科学问题。

比如，人教版选修3-2《电磁感应》第6节《互感和自感》的学习中，教材中就有“演示实验”“思考与讨论”和“做一做”栏目。由法拉第电磁感应定律和楞次定律，知电感线圈对变化的电流具有阻碍作用。在教与学过程中，通过教材中的演示实验（如图6所示）让学生清楚地观察到电路通断时，灯泡的发光情况。用电流传感器可以清楚地演示自感对电路中电流的影响。图7所示为图6电路图中开关S通断时，两支路的电流变化情况[3]。

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图6  并联电路中通断电自感演示电路图

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图7  R=2RL并联电路中通断电自感 I-t曲线

从图7中观测到闭合电路瞬间，A2所对应的电流（实线）瞬间达到最大值 0.1074 A。而A1所对应的电流（虚线），并没有同时与A2达到最大值，而是经过一段电流增大的过程后达到了A1支路的电流最大值，即0.2139 A。由于A1所测支路与A2所测支路电阻不同，且A2所测支路电阻为A1所测支路电阻的两倍，所以A1所测支路电流为A2所测支路电流的两倍。

当在两支路电流稳定并处于相同的稳定状态时，断开电键S，得到图7中的电流变化曲线。此时，发现A2支路中电流由稳定时的0.1074 A直接变化为反向电流（大小为0.2133 A），此时电流大小大致为电键S断开前的两倍，方向相反。

当闭合图6的电路，待到两支路电流稳定时，突然断开电键S，将会导致通过电感线圈RL的电流减小，从而电感线圈RL的内部将会产生一个感生电流方向与原电流方向相同。在此A1所测支路中，电感线圈感应电流阻碍原电流的减小。

通过图7可以看出变化曲线。虚线为A1支路中电流的变化曲线，此曲线可以直观看出在断开电路电键S时，A1支路中电流并没有突变为零，而是缓慢减小最终趋近为零。由此可以看出，此电感线圈产生的感生电流阻碍了电流的变小，此支路电流不能突变。

通过“演示实验”和“做一做”栏目，可以让学生清楚地观察到灯泡的亮暗变化情况，直观上感受到电感线圈对变化的电流的阻碍作用;进一步通过传感器测量两支路的电流，可以让学生更加清楚线圈对电流的阻碍作用，而不是阻止。并且能够得知灯泡的亮暗与通过灯泡的电流的正相关关系，如何才能使灯泡闪亮等，这样的学习和讨论使学生受益匪浅。

2.4    注重物理仪器的工作原理的讲解

在物理各類实验中，我们可以直接观察物理实验现象，也可以定量地进行精确测量。在物理量的测量过程中，离不开精密的测量仪器。比如，最基本的长度测量仪器刻度尺、游标卡尺和螺旋测微器等，电流、电压等的测量仪器电流表和电压表，测量电阻、电容所用的万用电表，用来观察和测量电流、电压信号的示波器，测量磁场强度的特斯拉计等。要想能够熟练地选取和使用实验器材，必须对实验器材的工作原理进行详细讲解和探讨。只有这样才能深入理解物理本质，才能更深入地掌握实验器材的工作原理，才能熟练选取和应用实验器材进行物理实验。

比如，在学习示波器的使用时，面板上有“衰减”这个旋钮，学生也知道当输入信号过大时，可以通过调节衰减旋钮到更高档位来实现将信号衰减显示到屏幕上，但至于为什么这么调节，是调节的示波器内部的什么电路呢？如图8所示。

通过图8可以还清楚地看到，AC和DC两个旋钮的内部作用，利用了电容的通交流隔直流的基本特性。所以，如果将旋钮打到AC，则屏幕上只显示交流;如果打到DC，则交流和直流成分都会加在示波器Y方向的极板上，显示在屏幕上。而所谓衰减的不同档位是利用了不同的电阻作为分压器，来实现10档位、100档位、1000档位等更高档位。如果所观测信号过大，初始没有衰减的话，直接加在Y极板上，有可能损坏电极。

3    小   结

物理学科是一门以实验为基础的学科，物理实验是物理学习和研究的重要方法和手段，加强物理演示实验和学生实验的教学，不仅能够提高物理学科的教学效果、学生科学研究的责任与态度，还有助于培养学生的科学思维素养，锻炼学生的团队合作精神。无论是学生实验还是演示实验，每一个基础实验都要求有科学的准备、严谨的操作、细心的观察、现象的解释、实验数据的分析和讨论、实验的改进和拓展等过程，利用科学实验激发学生的求知欲望和兴趣，促进学生掌握知识、运用知识，培养学生严谨求实的科学态度。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2]郭奕玲，沈慧君.物理学史（第2版）[M].北京：清华大学出版社，2005.

[3]刘洋，吴广国.利用Vernier传感器演示电路中的自感现象[J].实验教学与仪器， 2015（3）：29-31.

（栏目编辑    陈  洁）