核心素养视域下自制教具的教学功能拓展

裴兆洋 陈伊凡

摘    要：物理实验不仅是物理学的基础，更是物理学发展的基本动力.教师要创新实验方案，并开发出相应的自制教具，与传统仪器进行优势互补，再根据不同层次学生的认知规律，优化教学过程，全面提升学生的学科核心素养.

关键词：实验教学;自制教具;核心素养

核心素养是指学生应具备的适应终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力[1].物理学科的核心素养包括物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任.物理实验教学对培养物理核心素养作用显著，通过实验探究，可以更好地揭示物理规律的本质，有助于学生物理观念的形成和科学思维能力的培养，发展科学态度与责任.因此，在课堂上要尽可能地发挥实验教学的效果，将培养学生核心素养贯穿于教学始终，使物理教学过程成为学生核心素养的形成过程.

下面就以笔者自主设计并制作的3套物理教具为例，展现自制教具在优化教学效果与践行素养教学上的功能拓展.

一、创设情境、激发兴趣，促进科学探究

兴趣是学好物理的前提，是学生追求真理的动力和源泉.只有当学生兴趣盎然之时，才会变被动的“要我学”为主动的“我要学”.而科学探究是物理学科核心素养的重要内容.因此，教师要努力将枯燥的理论知识变得生动有趣，充分调动学生的科学探究欲望，使学生在思想和情感上产生共鸣.自制教具可以创设情境、激发兴趣，促进科学探究，提升物理核心素养.

案例1   在静电场的第一节《电荷及其守恒定律》的新课引入环节，笔者利用自制实验教具“静电感应小马达”（图1），巧设问题情境，激发学生兴趣，落实本课核心目标的动态达成.

【问题呈现】 电场看不见、摸不着，但客观存在. “场”这一物理模型在初学时不易接受，原因在于它非常抽象.而电场概念的建立对静电场后续知识的学习至关重要，本节课作为学习静电场有关内容的第一节课，教学效果的好坏将直接影响学生对静电场的学习兴趣.笔者仔细分析课本的相关演示实验（图2）[2]，其探究过程循序深入，能较好地开发学生的思维能力，实验现象也较明显，但更适合在课堂教学的中间环节逐一分析三种起电方式，独立呈现，且趣味性和直观性相对缺乏.

【案例分析与评价】如图3所示，先将插入杯底中心的大头针针尖放在铅笔上端，使杯子悬空，然后在图3指定区域用毛皮摩擦PVC管，使PVC管带上负电荷.根据静电感应原理，图3左侧回形针靠近PVC管端感应出正电荷、远端感应出负电荷;同时，靠近PVC管一侧的铝箔纸也会感应出正电荷、右侧（远端）感应出负电荷，又根据接触起电原理，右侧的回形针便带上了负电荷.由于两侧回形针的尖端靠近塑料杯，且都带上负电荷，又会使杯上的铝箔条发生静电感应，两侧静电力同时作用，塑料杯飞速旋转起来.

“静电感应小马达”可以将三种起电方式融为一体，在新课导入时针对性强、设置悬念效果佳，能成功吸引学生的注意力.学生先从有趣的实验现象中发现问题、提出猜想与假设，再运用已有知识制订探究计划，获取有用信息，最后根据本节课掌握的知识，基于证据得出结论，并解释与交流，这样能较好地培养学生科学探究的能力.在具体的问题情境中，学生带着疑惑去听课、思索，也有利于激发他们进行科学探究的兴趣.同时，该教具取材方便，制作简便，可鼓励有兴趣的学生课后组队参与制作，培养他们的团队精神、交流表达能力以及创新意识.

二、直观呈现、感观体验，形成科学态度与责任

教材中的很多知识都源于生活，但学生未必都注意到生活中的这些现象，即使留意过，也不一定想到要从物理角度去分析.教师不能简单举个生活中的实例，再加以解释，让学生粗浅掌握该知识点.倘若通过自制教具直观呈现，让学生能够有感官的体验，这样有利于学生感悟物理原理，认识物理现象的科学本质，从科学态度与责任方面提升物理核心素养.

案例2   在《波的干涉》一节的教学中，笔者想让学生有一个真实的体验过程，将抽象的概念变得具体形象，设计了一款教具“绳驻波快速演示仪”（图4）.

【问题呈现】 课本先给出绳波的叠加演示实验（图5），再引入水波的干涉演示实验（图6）[3].前者演示需一根较长的绳子，课堂上直接演示不太方便，教师一般会选择播放一段视频或动画模拟，这样学生缺乏直观的体验;后者演示需用到发波水槽，在演示时水槽是放在讲台平面上，与下面学生的视线几乎平行，如果选择实物展台投影，画质又会降低很多，影响实际观察效果，可视性较差.

【案例分析与评价】 如图4所示，轻绳一端拴在起振器振轴上，另一端拴在拉环上，手指扣住拉环使轻绳绷紧，启动起振器电源，振轴带动轻绳振动，当振动形式传到拉环端便形成反射波.而绳上“驻波”是入射波和反射波频率相同、传播方向相反，经叠加后形成的，属于波的干涉.通过手对拉环作用力大小的改变影响起振点受到的阻力，从而改变振动频率，在某些位置出现波腹（加强区），在另一些位置出現波节（减弱区），而且波节和波腹的位置始终不变，给人“驻立不动”的印象，这便形成稳定的驻波（图7）.

课堂教学应提高学生的认知水平，要让学生知其所以然，本课教学目标是要求学生理解叠加与干涉的本质.该教具可以让学生亲自动手体验（振感强烈），并将眼、手、耳、脑综合运用，激起学生的好奇心与求知欲.学生通过具体直观的现象，深刻体会波的干涉是波叠加的结果，振动加强和减弱是指振幅的加强和减弱，振动加强区（波腹）和振动减弱区（波节）具有稳定性，真正达到认识干涉现象科学本质的目的.水波荡漾在生活中很常见，其背后竟蕴含着深邃的科学原理，使学生进一步感受科学、技术、社会、环境之间的内在联系，形成探索自然的内在动力，养成严谨认真、实事求是的科学态度，并且具有保护环境的责任感.

三、由浅入深、学科融合，培养科学思维

科学思维是物理核心素养的核心内容，教学过程利用自制教具可以做到由浅入深、学科融合，培养学生的科学思维.学生探索物理规律应是一个循序渐进，从感性到理性的过程.教学中应抓住学生的认知特点，由浅入深，层层递进，适时将知识点进行横向延伸和纵向拓展，进而可跨学科迁移，以体现STEAM教育多学科融合的理念.在这一过程中，教师通过有意启发，强化学生的思维能力、建模与分析推理能力，同时鼓励学生敢于质疑和批判，并大胆追求创新，达成培养学生科学思维的意愿.

案例3   在学生实验《探究感应电流的产生条件》教学中，笔者想通过演示课本上的常规实验（图8）[4]启迪学生，学以致用，并拓宽知识的深度与广度.笔者设计了教具“高灵敏”电磁感应线圈（图9），在学生常规实验后展示，抛砖引玉.

【问题呈现】 教师一般会带学生到实验室做这个实验，并引导学生根据课本上的实验设计思路，再结合实验手册的相关要求，完成该实验的基本探究过程，最后交流讨论，得出实验结论.这样的教学并没有错，但笔者认为缺乏对知识的迁移，不利于挖掘知识的深度，不利于锻炼学生的思维能力.而新课程理念倡导要变“教教材”为“用教材教”，以此呼唤教师结合教学实际对教材知识点进行创造性的使用[5].

【案例分析与评价】 为了突破关键知识，学会灵活运用，对本实验的知识点应适当进行拓展性研究.“高灵敏”电磁感应线圈的制作可以打开学生创意的灵感和思维的源泉，让学生感受到原来这节课的知识还可以这样“玩”.该装置主要由内外两部分构成：箱体外部为线圈（约250匝）和发光二极管;箱体内部为可控制放大电路.先将红、绿二极管的正负极交叉并联（红正极接绿负极、红负极接绿正极），再将红绿二极管、线圈、放大电路串联成闭合回路.当学生用普通的条形磁铁（无须强磁）插入、拔出线圈的瞬间，产生的感应电流会使红、绿二极管分别闪亮.

本实验教具在功能和价值上有如下优点：

①无须再用导线连接电路，携带方便，操作简易，观赏性强，可兼顾后排学生的视线问题.

②利用二极管的单向导通性，再结合已知的绕向能直接看出线圈中感应电流的方向，为楞次定律的学习奠定基础.

③放大电路的设计，使线圈中产生的微弱感应电流放大效果非常明显，成功激发二极管.

④将二极管、电磁感应以及通用技术里的放大电路相结合，多点衔接，发散思维.

⑤稍加修改，该教具还可以延伸到研究电容器的充放电、小型交流发电机的电流方向等.

该教具充分调动学生的想象力，引导学生学会对比分析，进而建构物理模型，并在观察、实验的基础上，基于已有证据，加之必要的推理论证，最终形成结论，由此培养学生的科学思维，让学生切身感悟物理的魅力.

实践表明，当学生置身于具体的问题情境之中，即使思索后暂时得不出结论，也会有所领悟，而这种领悟对思维能力的提高至关重要.实验的创新设计与教具的制作，更能引起学生的浓厚兴趣，点燃他们的学习热情，从而提升课堂教学的趣味性与实效性，促进学生核心素养的全面发展.

參考文献：

[1]喻平.发展学生学科核心素养的教学目标与策略[J].课程·教材·教法，2017（1）：48-53.

[2]普通高中课程标准实验教科书物理选修3-1[M].北京：人民教育出版社，2010：2-4.

[3]普通高中课程标准实验教科书物理选修3-4[M].北京：人民教育出版社，2010：33-34.

[4]普通高中课程标准实验教科书物理选修3-2[M].北京：人民教育出版社，2010：5-7.

[5]汤金波，黄网官.学生自主创新实验是未来物理教学的最优途径[J].实验教学与仪器，2018（6）：3-6.