优化设计型实验教学提升学科核心素养

黄火根

摘   要：进阶优化设计型实验教学，能让学生经历实验设计过程，体会设计思想与方法，形成创新意识，提高学科思维能力，进而提升学科核心素养。

关键词：设计型实验;进阶设计;学科核心素养

引言

设计型实验[ 1 ]即指给定实验目的、要求和条件，由学生自行进行的实验设计。如果能优化此类课堂的教学过程，进行有意识的进阶设计[ 2 ]，充分挖掘其中的教育功能，则能很好地培养学生的实验思维能力，形成创新意识，进而提升学科的核心素养。

下面就以优化四种类型的设计型实验教学为例，浅谈教学的进阶优化设计，旨在改进传统教学的一些不足，以促进课堂的有效生成，提升实验能力。

1  经典设计型

卡文迪许扭秤实验，是物理学十大最美实验之一，其中蕴含丰富的物理学思想与方法，对实验素养的形成是一次很好的契机。但传统的教学则是直接给出此实验装置，教师点出其中的方法，学生则被动接受，不能达到预期的教学效果。教学实践中，笔者进行以下的进阶优化设计，起到了很好的效果。

问题1：引力常量G为什么很难测量？如何解决这一问题，提出你的设计？设计意图：让学生明确实验目的与设计方向，体会并思考测量的困难在哪里，为后面体验经典的设计埋下伏笔。

问题2：同学们共同讨论与欣赏卡文迪许扭秤实验装置，并提出你们的疑问。设计意图：提出问题并为后面解决问题做好准备。

同学一：为什么要四球而不是两球？同学二：为什么要用长长的T型架？同学三：石英纤维的作用是什么？平面镜的作用又是什么？同学四：为什么要在密室里……

小组讨论：共同讨论并解决大家提出的问题，提炼出实验设计的方法与思想。设计意图：充分发挥学生主体地位，让学生的实验思想与方法实现正向的迁移与应用。

小组展示，教师总结：本实验用了二次放大法、转化法等实验方法。

如此设计能最大限度地让学生经历设计过程，体会到方法思想的形成过程，享受经典实验之美，同时培养实验思维，提升实验素养。

2  改进设计型

滑动摩擦力的测量，初中的教学是用水平弹簧称匀速拉水平桌面上的木块，根据二力平衡的知识，得出摩擦力大小即为弹簧称示数。高中本环节的教学则应注重初高中的衔接，通过教学的进阶设计，引导学生逐步完善书本的实验设计。

教师：回顾并展示初中实验装置与方法，同学们讨论实验误差来源及提出改进设计。设计意图：注重学生知识的最近发展区，调动学生的主动性，进行有效思维。

学生一：很难控制匀速运动。学生二：不方便读数。学生三：弹簧称下垂，导致示数指针与外壳有较大的摩擦，增大了实验误差……

教师：针对以上误差来源，同学们进行讨论并提出改进措施及设计方案。设计意图：发挥小组集体的智慧，激发学生的创造性思维。

小组改进一：木块不动而让下板移动。设计理由是下板只要运动，两者间就会产生不变的滑动摩擦力同时也方便读数。

小组改进二：让弹簧竖直固定，下端通过定滑轮与木块相连接。设计目的是解决了小组一的弹簧称下垂导致的摩擦。

小组改进三：用转动的皮带代替下板，理由是下板长度有限，读数时间很短。

小组改进四：用力的传感器代替弹簧测力计。理由是用力传感器测量更精确……

这样的课堂优化充分调动了学生的思维，并在思维的碰撞中产生耀眼的创新火花，整个课堂给学生以全新的感受与体验。

3  探究设计型

教材中楞次定律的得出，大部分教师则是先说明实验目的，再给出准备好的器材，介绍器材，展示已设计好的表格，根据书本实验步骤进行实验。如此探究则失去了教学应有的效益，学生思维被动，其中蕴含的设计思想更没有凸显。

环节一：教师演示条形磁铁先以N极向下插入螺线管，再以S极向下插入螺线管.目的让学生感受到感应电流方向会产变化。

环节二：引导学生猜想影响感应电流方向的有关因素。经讨论归纳为与磁通量变化有关。

环节三：共同明确探究的目的即探究磁通量变化与感应电流方向的关系。

環节四：小组进行实验设计，包括原理的设计、实验器材的选择与设计、表格的设计。

环节五：讨论交流设计的方案。讨论焦点（1）：感应电流方向的研究应转换为其产生磁场方向的研究，这样探究方向转换为探究感应电流产生的磁场方向与磁通量变化的关系。讨论焦点（2）：感应电流方向与电流表指针偏转方向的关系应通过实验进行判断，所以要明确螺线管的绕向。

环节六：小组自主实验。最后从实验得出的表格数据中共同讨论得出感应电流方向的规律。

这种进阶设计让学生经历了猜想、设计实验、验证猜想、得出结论的完整探究过程，注入了自己的思考与创新，教学效果显著。

4  开放设计型

测重力加速度[ 3 ]的实验设计，高三的复习课中很多此类开放型实验设计，如能重视此类设计的教学，将对学生形成知识的系统性及提升实验综合能力有很大的促进作用。

教师：请同学根据已学知识，讨论并设计测量教室处重力加速度大小的方案。阐述原理及简单步骤。

设计一：纸带法。原理：Δs=aT2。步骤：让连着纸带的重锤自由下落，测出相邻两计数点间的距离差，代入公式即可。

设计二：测重力法。原理：G=mg。步骤：用弹簧称测出已知质量的钩码的重力。代入公式便可。

设计三：单摆测量法。原理：T=2π。步骤：用螺旋测微器测出摆球的直径，半径加上绳长即为摆长。用累积法求出单摆30次全振动时间Δt，根据T=，代入即求出g。

设计四：平抛法。原理：s=v0t，h=。步骤：用光电门测出水平抛出的速度，再测出小球下落高度与水平位移，代入公式g=即可。

设计五：滴水法。原理：h=gt2?g=。步骤：调节水龙头阀门的大小，使得水滴与管口分离时，正好为前一滴掉落在瓷盘底部发出响声的时刻，测量出连续N=30滴水落到盘里的总时间t总，算出T=及测出下落高度h，代入即可。

学生在整个设计过程中，综合应用了所学的知识，发散思维，形成设计，养成了独立思考和正确判断的良好学习习惯，提升了学科素养。

设计型实验重点在于设计，在于突出实验的思想和精髓，而不是具体的实验操作与步骤。教师应提供一个自由、民主、和谐的课堂，通过优化教学设计，让学生各项实验能力长时间得以训练，形成学科的思维方法，达到预期的教学目标，进而提高学科的核心素养[ 3 ]。

参考文献：

[1]蒋志年.物理设计型实验的开发与实践[J].西昌学院学报，2014（6）：2.

[2]柯晓露.基于“学习进阶”的物理概念教学[J].中学理科园地，2018.（6）：6-7.

[3]刘杰.重力加速度测定方法的分析与比较[D]贵阳：贵州民族学院，2010.