刍议核心素养观下的物理探究实验教学

郑渝　林立灿

摘 要：物理学是以实验为基础的自然科学。在物理教学中，渗透物理学科核心素养观，通过探究实验教学，既能培养学生的探究精神和自主探究的能力、提高学生的自主学习能力，也能丰富课堂教学方式、提高学生对物理的学习兴趣。以“力的合成”一课为例，对核心素养观下的物理探究实验教学，提出一些看法。

关键词：物理学科核心素养；探究实验教学；力的合成

1 力的合成的实验教学过程简述

为了在课堂上达到良好的教学效果，首先要了解学生的学习背景：在之前的学习中，学生已经了解力是矢量，并能利用力的图示来描述力，也掌握了利用数学几何方法研究平行四边形的方法，另外学生对DIS数据采集处理系统已经有一定的认识。由此，在有限的课堂时间和空间的前提下，为实现不仅体现新课标指导下的核心素养观、也充分发挥学生的主体作用、激发学生学习的主动性和自觉性的教学目标，笔者在力的合成教学过程中对实验教学设计如下。

1.1 创设情景，提出问题

以初中学习过的电阻为例，我们可以利用两个3Ω的电阻串联来等效替代一个6Ω的电阻。那么生活中，单手提水桶竖直向上的拉力F，它的作用效果与两人双手提水桶的拉力F1和F2，共同作用的效果一样，都是将水桶提起并使其静止。因此拉力F称之为F1和F2的合力。那么互成角度的两个分力F1和F2及其合力F的大小和方向，满足什么关系？

1.2 启发和引导学生建立物理模型，设计实验方案

进行物理实验时，常常要对生活中的问题，通过建立相应的简单模型进行简化，以刚才生活中提水桶为例，进行实验模型简化。

物理模型：两根绳子通过结点拉下方的钩码，这两个绳子拉力的合力，我们利用等效替代的思想，通过一根绳子拉同等数量的钩码来实现。

展示并介绍实验装置：力的传感器能准确测量沿挂钩方向的拉力或压力的大小，并通过DIS软件的数据采集界面，让学生进行体验。

引导学生设计实验方案：通过改变固定力传感器曲柄之间的夹角，利用力的传感器和DIS数据采集系统来获得互成锐角、直角和钝角的各组分力和合力的大小，而两个分力的方向则利用圆形刻度盘得到的绳子与竖直方向间的夹角来表示。实验装置安装如图1所示。

1.3 实验探究互成角度的共点力的合成

演示多组互成不同角度的分力及其合力（见图2），请学生列表记录各组分力及其合力的大小和方向（见表1）。引导学生发现合力与分力大小之间的关系。

[学生活动]：观察数据，很难直接得到合力与分力大小之间的规律。

[引导解惑]：物理是一门与数学密不可分的学科。许多物理规律的获得过程背后无不有着数学知识的强有力支持。例如运动学图象就是很好的数形结合的应用例子。合力与两个分力之间的关系是否也能利用数形结合的方式来得到呢？

1.4 利用力的图示，寻找力合成的运算规律

为了提高课堂教学的效率，并帮助学生迅速准确的定位作图，笔者在预先发给学生的实验纸上，每隔15°作一虚线，请学生分组在这些实验纸上画出对应的合力与分力的图示（如图3所示）

[学生活动]：观察分力与合力的图示，合力总是夹在两分力之间，但仍很难具体得到其大小和方向之间的关系。

[引导解惑]：在解决数学几何问题时，我们常常引入必要的辅助线。在这里，笔者指导学生将各力的矢量箭尾连接起来，围成四边形，再进行观察。

[学生活动]：围成的四边形看起来很像平行四边形，利用数学几何知识进行证明。用三角板初步断定该四边形在误差允许范围内可以认为是平行四边形。

提出力的合成遵循平行四边形定则。这也是所有矢量运算所遵循的普遍法则。注意强调前辈科学家是通过精确的实验，利用大量实验数据分析，才能得到具有普遍意义的平行四边形定则。

1.5 归纳总结，升华提高

将多组实验图示结果叠加显示（如图4所示），让学生对力的合成有更感性的认识。

2 探究实验教学过程中的几点思考

2.1 探究实验教学过程要以学生为探究主体，渗透物理核心素养的培养

《普通高中物理课程标准（2017年版）》指出：学生的核心素养，是指学生通过物理学科的学习所获得的，在其将来的学习生活、个人发展与社会适应所必需的必备品格与关键能力[ 1 ]。高中物理学科核心素养分为“物理观念”、“科学思维”、“科学探究”、“科学态度与责任”四个方面[ 1 ] 。在物理日常的探究实验教学过程中，渗透物理物理学科核心素养的培养，必须以学生为探究主体，以教师为主导，教授学生学会自主学习，促使学生在实验过程中形成物理观念、培养自身的独立思考和创新学习的能力，回归物理学习的本质[ 2 ]。

在探究实验教学过程中，以学生为探究主体，要求教师在教学过程中，改变固有的以灌输为主的教学方式，不断更新自己的教学观念。在教学活动中，使教师从教授者转变为引导者，使教学过程从知识传授转变为科学观念和能力的培养。但以学生为探究主体，也不是一味地将课堂完全交给学生，而是要以教师为主导，它们之间并不矛盾。在这一节课的教学过程中，笔者先创设情境，由教师引出提水桶问题中的力的合成问题，然后引导学生逐步建立理想化的物理模型。接著教师给出DIS实验装置后，引导学生设计实验方案，并进行实验。在最后的实验数据分析整理过程中，在学生感到迷茫的时候，适时给予引导，列表分析、数形结合、辅助线等数学分析方式的引入，帮助学生逐步体验科学家进行科学研究的探究过程。笔者认为，这种教学方式，将设计实验和最为重要的探究规律的过程交给学生，实现了以学生为主体，充分调动学生学习的自主性，培养学生的探究精神，激发学生的学习兴趣，从而不断提高学生的物理核心素养的目的。而为了提高教学效率，笔者让学生分组画出不同夹角的分力与合力的图示，再汇总进行观察，讨论。分清主次，充分引导，这样才能让学生在有限的课堂教学时间内，最有效地完成探究实验，观察物理现象，总结出相应的物理规律。

将探究的主体还给学生，有利于提高学生的科学探究能力，也能大大增加学生对物理学科的学习兴趣。在实验教学过程中，在验证力所围成的四边形是平行四边形这一学生活动环节中，有的学生提出不同的验证方案：（1）以两个分力为邻边画出标准的平行四边形与力围成的四边形做对比；（2）可以量出围成的四边形的四条边的边长，研究是否满足对边相等。课堂上笔者一一给予了肯定，这对发挥学生学习的主动性很有帮助。在作图过程中，留给学生充分的作图观察时间，并在此过程中向学生强调作力的图示要注意标明：力的标度、刻度、方向箭头、大小和物理量名称，将科学探究的方法渗透到学生的探究过程中。

在探究实验教学过程中，不能由教师代替学生思考，要留给学生足够的思考和探究的时间和空间。同时，不能让学生在探究的过程中，无所适从，不知从何入手，这就要求教师在设计探究实验教学时，要充分考虑到学生可能遇到的思维难点和实验难点，适时予以帮助和引导。

2.2 在实验教学过程中，重视学生的体验，实现学生科学探究能力的提高

物理实验教学中，教师应强调科学的探究，在课堂上让学生经历物理规律的探究过程，从而培养学生通过建立物理模型，利用数学知識解决物理问题的科学思维及科学探究的能力，让学生体会科学探究的乐趣。通过强调前辈科学家不懈坚持和严谨科学的科学态度，将 “科学态度与责任”的培养融入探究活动中，让学生在动手操作和动脑探究的过程中，既获得知识又获得科学思想的升华，这是物理学科在探究实验教学中，独有的特点及魅力。

在进行这一探究实验教学过程中，在设计实验之初，笔者并未立即提出等效替代法的说法，而是在引导学生设计探究实验方案的环节，向学生问了三个问题：“什么是等效？”、“谁和谁等效？”、“怎么做到等效？”。在学生思考这些问题的过程中，充分理解分力与合力的等效替代，并自觉地将等效替代法应用到探究实验过程中。在物理教学中，通过渗透科学思想和科学探究理念的教学方式，可以让学生在高中阶段就体验以现有的知识水平进行科学研究的过程，更有助于提高学生的核心素养。

2.3 探究实验中，也要重视学生对失败的体验

既然是探究实验，学生在进行实验的过程中就有可能出现失败，可能是在操作过程中出现了疏忽，可能是在实验数据归纳整理过程中出现了问题。笔者认为，教师在教学过程中，不要一昧只强调正确的实验结果，归纳出物理规律，而极力回避学生在实验过程中可能出现的失败，而是应该正视学生在实验过程中的失败，让学生思考失败的原因，并进行讨论和改进，教师从旁及时点评，这样能加深学生对知识的理解和应用。笔者在进行“力的合成”探究实验教学过程中发现，部分学生画出的分力与合力的图示，围成的四边形并不近似于平行四边形。笔者在汇总实验结果时，并没有避开这部分学生的实验结果，而是将正确的实验结果与错误的实验结果一同进行投影，让学生思考，是不是我们的结论还不准确？学生们在对比过实验结果后，发现原来那部分错误的实验结果，是由于学生没有分清两个分力，将两个分力F1和F2画反了。笔者相信，通过这样的纠错过程，会让学生更加深刻理解力的矢量性。

总之，在日常物理课堂教学中，利用探究实验教学过程，以学生为探究主体，重视学生对探究过程的体验，将有助于学生“物理观念”的构建，培养学生的“科学思想”，提高学生的“科学探究”能力，从而让学生将“科学态度与责任”融入日常学习生活中，不断提高他们自身的核心素养。

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（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2]柯秋玲.如何在高中物理实验中提升学生核心素养[J].数理化学习，2018（1）：49-50.