基于物理学科核心素养的实验教学实践

摘 要：物理学科核心素养包括物理观念、科学思维、科学探究以及科学态度与责任四个要素.这四个要素中，物理观念代表知识的内化，是其他核心素养的基础;科学思维的培养是物理教学的核心;科学探究是物理教学的手段，同时也是学生应掌握的方法;科学态度与责任贯彻在整个教学过程中.物理是一门以实验为基础的学科， 如何在实验教学中更好地落实学科核心素养是目前值得研究的一个课题.

关键词：物理学科核心素养;实验教学

文章编号：1008-4134（2019）16-0005    中图分类号：G633.7    文献标识码：B

作者简介：熊艺（1974-），女，湖北人，本科，中学高级教师，研究方向：物理实验、教学行动研究.

物理是一门以实验为基础的学科，实验过程能够让学生真正理解物理知识的结构、物理概念和物理规律的形成过程，从物理学视角形成关于物质、运动与相互作用、能量等的基本认识，对概念和规律的提炼形成物理观念;物理实验能够培养学生的科学思维，让学生重视对理想模型的建构和应用，关注科学推理结论，重视科学推理过程，增强科学推理时的证据意识，在质疑、创新过程中发展思维能力;物理实验还能帮助学生确立以“核心素养”的视角观察科学探究目标，设计有逻辑的自主探究过程，创设科学探究的真实情境，提高学生的科学探究技能，在科学探究中提升科学素养;学生用自己所学的知识分析、解释和解决物理实验中的实际问题，体验在分析解决实际问题中成功的愉悦，增强学生的社会责任感以及承担社会责任的信心，为学生树立社会责任感创造最基本的条件.

1 通过实验，促成物理观念的形成

物理观念是对物理概念、规律的提炼与升华，所以概念、规律是观念的基础.教学中要注意通过实验，促成学生透过实验现象对概念规律进行深度理解，从而形成物理观念.

例如：在“沪科版“教材高一上“研究共点力的合成”实验中，实验步骤较多，尤其是几个记录，记录结点O伸长到的位置O′，记录合力和两个分力的大小和方向.记录只是一个表象，为什么要记录呢？我们可以找一组学生到前面在黑板上做实验，让他们记录一对合力与分力.然后提问：为什么这个力是合力？合力的概念是什么？这个实验的目的是“研究合力与两个分力的关系”，合力的概念是能替代几个力的这个力.理解这个概念要抓住“能替代”这几个字，“等效”才能“替代”，再提问：力作用在物体上会产生什么效果呢？这个实验利用的是力的哪种效果？如何实现力的等效呢？力作用在物体上可以使物体形变或运动状态发生改变，在这个实验中，力作用在橡皮筋上使橡皮筋发生形变，两次形变一模一样就实现了力的等效.提问：实验操作中什么步骤保证两次等效？要保证两次形变一模一样，第一次拉橡皮筋时要记下结点O伸长到的位置O′.提问：可否描述成两次拉橡皮筋的长度相同？不行，因为力是矢量，还要保证方向相同.最后提问：那在记录合力和分力的时候，如何记录合力和分力的方向？在细线下方离O′较远的地方点一个点.实验的过程中突出了矢量的特点，这种核心思路和视角，普遍用于力、电、热等知识中矢量问题的分析，是概念和规律的提炼.

物理观念并不是物理概念和规律，通过实验对概念和规律的提炼，可以把这些概念和规律组合成优化的结构，成为某一知识领域的核心内容，是观察问题的关键视角，是解决问题的思维指南，物理观念的形成不是一节课就能解决的，而是教师有这个意识，每一节课都把这个放在教学任务中，在恰当的地方设置教学环节促成学生形成物理观念.

2 通过实验，加快科学思维的培养

“科学思维” 是从物理学视角对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识方式;是基于经验事实建构理想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、批判、检验和修正，进而提出创造性见解的能力与品格.

例如在“沪科版“高中拓展教材 “研究磁通量变化时感应电流的方向”实验中，很多教师事先设置好表格，让学生边做实验边填表格，这样学生只是机械操作，思维毫无收获.教师应该只画出前两行，学生只需记录穿过线圈的磁方向和检流计指针的偏转方向.科学思维和科学推理过程如下，先提问：俯视时感应电流的方向是顺时针还是逆时针？学生会发现缺少一个重要的实验步骤，即用电源来检验检流计指针的偏转方向与感应电流的方向关系，表格上加一行.线圈中感应电流方向是水平面上的，而线圈中的磁场方向是竖直面上的，两个物理量一个电流一个磁场，可见，两者的关系比较复杂，难以直接描述.当两者的关系比较复杂难以直接描述时，是不是可以找一个“中介”来描述它们之间的关系，这个“中介”就是感应电流的磁场方向，表格上加一行.这样就能找到感应电流的磁场方向和原磁场方向关系是相同还是相反.再提问：什么条件下相同，什么条件下相反呢？线圈中产生感应电流的条件是磁通量发生变化，因此，感应电流的方向必定跟磁通量的变化有关，表格上加一行.磁通量的变化只有两种情况：增大和减小.因此，推理出磁通量的变化跟两个磁场方向之间的关系，即：…… 增加，…… 相反，…… 减小，…… 相同.再进一步概括得出：线圈中感应电流的方向和磁通量变化的关系为：… 阻碍 … 变化.

实验过程中，不仅关注由实验现象推理的结论，更要重视推理的过程，要增强科学推理时的证据意识.上面表格的形成过程就是把“理解知识”变为“进行创造”，让学生在课堂中完成一个具体项目的创造，更能增强创新意识和提高创造能力.

3 通过实验，提高科学探究的技能

科学探究是学习科学知识、发展科学思维、形成科学态度的手段和途径.科学探究是运用科学的方法，发现和总结规律的过程.科学探究是一种综合能力，包括提出问题、问题解决、实验能力、论证能力、交流合作.在高三复习课中，教师更应该重视科学探究的作用，创设科学探究的真实情境，在探究中提升学生的科学素养.例如“沪科版“教材高一上“用DIS研究加速度与力的关系”实验，除了实验的目標是确定的，其他的都可以变化情境.要“加速度与力的关系”，必须要测出小车的加速度和小车的合外力，加速度除了DIS位移传感器，还可以用什么器材？通过什么原理？可以用一个光电门传感器，用尺测量小车由静止释放到运动到传感器处的距离，原理是v2t=2as;也可以是两个光电门，用尺测量两个光电门传感器之间的距离，原理是v2t-v20=2as;还可以是两个光电门，用秒表测量小车在两个光电门之间运动需要的时间，原理是v=v0+at.关于力的测量，课本上用钩码的重力代替小车的合外力，要求细线对小车的拉力与轨道保持水平、小车与轨道的摩擦力忽略、钩码质量远小于小车总质量.教师应该以“素养”的视角设计有逻辑的自主探究过程或探究情境，可以问：如果不满足钩码质量远小于小车总质量，图线有什么变化？如果不满足钩码质量远小于小车总质量，可以用什么器材准确测得合外力？如果不满足钩码质量远小于小车总质量，图线会弯曲，加速度越来越接近重力加速度，如果不满足钩码质量远小于小车总质量，可以用力传感器准确测得合外力.

总之，一个实验只有实验目标是确定的，而实验的原理、实验方法及步骤都可以是灵活多变的.教师应该以“素养”的视角观察科学探究的整个过程，只有将各种实验思想灵活地综合运用和创造性地发挥，才能达到理想的教学效果.教师要对课本中的实验进行创新，引导学生从不同的角度来思考物理问题， 提高学生的科学探究技能和能力.

4 通过实验，树立科学态度与责任

广义的讲，“科学态度”包括学习兴趣、求真精神和团队作风等，通过物理实验教学，一方面可以激发学生学习物理的兴趣，另一方面，还能让学生保持这种学习兴趣.例如“沪科版“教材高二上“直流电动机”一课的教学中，课堂的最后是學生自己根据已有器材组装电动机，结果20组同学只有3组成功，教师提醒学生他们组装的电动机在下一节课要用来做“测定直流电动机的效率”的实验，学生的积极性特别高，有的小组本来完成了组装，还跑到实验室想办法优化，担心自己的电动机在下一节课不能用或性能不够好.“测定直流电动机的效率”的实验步骤较少：连接电路——电动机带动盛砝码的小盘匀速向上运动——测小盘上升所用时间及上升高度，并记下电流、电压表的示数——计算电动机的效率.学生用学校提供的电动机得到的效率都低于20%，当他们把自己的电动机接上去时，电动机的效率低于10%，有的还无法使用.学生们体会到将知识应用于实践还需要解决很多实际问题.教师建议他们先用实验室提供的电动机想办法提高效率，他们踊跃讨论，找到要减少时间、高度、电流、电压这些测量的误差，小盘要以较小的速度匀速上升等等，再次实验，电动机的效率最高的可达37%.

在实验过程中，学生既感受到了成功地分析问题和解决问题带给他们的愉悦，又激发他们奋发学习的斗志，为使他们在未来成为有担当、有责任感和使命感的一代新人奠定为基础.

物理作为一门抽象的自然科学，对学生提出了较高的要求.教师在实验教学的过程中，要充分重视并不断探索如何将实验与培养学生的学科核心素养有机结合，在实验的过程中，多引导学生从“素养”的视角考虑问题，循序渐进地提升学生的素养.

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（收稿日期：2019-04-09）