核心素养导向下高中物理实验探究能力的培养策略

2021-11-22夏雪芬

名师在线 2021年35期

夏雪芬

（江苏省仪征市仪征中学，江苏仪征 211400）

引言

新课程改革强调高中物理教学要从知识本位走向素养本位，提出培养学生内在素养的目标。物理实验探究能力是一项重要的核心素养，此项能力的强弱与学生在物理学科上的整体表现联系密切。在物理实验教学中，教师要有目的地创设一定的条件，引导学生基于客观事实和严密的思维过程展开探究，然后发现规律。在以往的教学实践中，教师往往侧重让学生用实验来验证课本中的知识，以深化学生对知识的理解，但对探究过程本身并不重视。在培养核心素养的导向下，教师要注重调整教学重心。下面，笔者拟结合自身的教学经验，探讨如何培养学生的实验探究能力。

一、基于问题，引导学生设计实验

（一）依据既有知识导出问题

物理实验是基于具体问题展开的，实验设计的前提是提出问题。因此，在教学中，教师不应让学生被动接受实验方案，而要基于问题定位实验目标[1]。这些问题是从既有知识中导出的，能够反映学生对知识的理解程度，以及进一步求知的意愿。

例如，在开展“探究加速度与力、质量的关系”实验时，教师可以先提出问题：“加速度与哪些物理量有关？”然后让学生从“运动状态的变化”角度来理解“加速度”概念，引导学生回顾有关牛顿第一定律和惯性的知识，进而发现“力”和“质量”两个影响因素。其次，教师引导学生提出具体问题：“加速度与力和质量存在什么样的关系？”教师在实验教学中引导学生设问，能够让学生了解实验的意义，提升学生的思维品质。

（二）立足实验目标创建模型

在物理实验中，教师要用模型来模拟实际生活中的现象，使现象处于可控制和调整的状态，满足探究的需求。在设计阶段，对实验模型的设计是关键。当正确创建模型后，整个实验活动就成功了一大半。教师可以引导学生分析实验目标，思考如何创建模型。仍以“探究加速度与力、质量的关系”实验为例，本实验要使用常见的小车模型，其中的难点在于让实验模型便于测量小车在做匀加速运动时受到的力。为了让学生理解难点并找出应对方法，教师可以提出问题：“小车从初速度为0的状态开始运动时，受到哪些力的作用？”由此明确“阻力”和“拉力”两个因素，并引出阻力难于测量的问题。然后，教师指导学生阅读课本内容，了解“阻力补偿法”，最后展示各类实验材料，引导学生使用斜面、小车、打点计时器、槽码等材料创建模型。这种方式可以让学生学会如何基于具体问题创建模型，从而提升学生的实验设计能力。

（三）针对探究过程制订计划

《普通高中物理课程标准（2017年版）》提道：“应通过实验提高学生制订计划的能力。”实验是学生的自主性行为，计划越是周密，学生的主体参与度就越高。教师要引导学生预想实验探究过程，然后制订多项计划。对模型的创设本身就是一项计划，创设模型后便形成了实验计划的基本框架[2]。在此基础上，还可形成合作分工计划和信息分析计划。合作分工计划是指学生在学习小组内分配探究任务的计划。在以上实验中，同一小组的学生可以分工完成更换槽码、滑动小车、记录等任务。信息分析计划是指关于如何对实验证据进行分析的计划。在以上案例中，对加速度的测量要通过对纸带的观察和分析来完成，这部分要加入信息分析计划中。教师可以引导学生自主设计实验探究工作表，详细列出实验计划。

二、通过探究，理解实验方法

（一）分步操作，控制变量

控制变量的方法是指在研究和解决问题的过程中，对影响事物变化规律的独立因素加以人为控制，使其中只有一个因素按特定要求发生变化，深入了解该因素与其他因素之间的关系，以利于寻找事物之间联系的方法，是实验活动中广泛运用的方法[3]。物理实验一般分多个步骤来操作，在不同的条件下多次重复同一过程，其本质是对变量的控制。教师可引导学生在分步操作中体会控制变量法的运用，而非仅让学生跟随教师的要求完成操作，具体可以使用提问法激活学生的思维。

例如，在“探究小车速度随时间变化的规律”中，要在增减槽码的情况下让小车拖着纸带运动三次。教师可提问：“为什么要重复实验三次，我们要调整哪一个变量？”学生最初可能会提出要改变拉力，但是拉力并不是本实验中直接相关的变量。通过思考，学生会意识到本实验要通过增减槽码改变速度变量，以发现在不同速度下不变的等量关系。

（二）准确记录，提取数据

开展实验操作要从模型中提取数据，根据数据探究变量之间的关系。提取数据对应着实验中记录的过程，这部分活动重在客观准确地捕捉事实，并以结构化的方式记录数据[4]。有的数据可直接观察到并记录下来，如关于槽码质量的数据；有的数据则需要经过初步的运算才能记录下来。

例如，在“探究小车速度随时间变化的规律”实验中，学生要分析纸带上的打点结果，再通过公式算出各计算点上的瞬时速度。教师可以指导学生先根据实验目标制作出记录数据的表格，然后在实验操作后，经交流和确认后进行记录，以培养学生良好的实验探究习惯，让学生熟悉实验探究的科学流程。

（三）数据处理，抽象表达

由开展实验所获得的数据本身并不是结论，结论要通过数据处理获得，再以抽象化的方式表达出来。较为简单的变量关系，如匀速直线运动中位移、时间与速度之间的关系等，可以通过直接观察和计算来处理数据。较为复杂的变量关系，则可以用图像方式来处理数据。

例如，在“探究小车速度随时间变化的规律”实验中，完成实验操作后，教师可以引导学生创建以速度v为纵轴、以时间t为横轴的直角坐标系，然后描点画出v-t图像，显示v与t之间的关系。绘图后，学生会发现代表小车速度与时间关系的点基本落在同一条直线上，这条直线表示的就是v与t之间的关系。教师还可以给学生传授用计算机完成图像处理的方法，即运用Excel软件中的图表功能自动生成图像。

另外，教师可以引导学生结合图像用公式来表达结论。在以上实验中，我们通过观察数据可以发现，无论处在哪种区间内，对应速度的变化量Δv与时间的变化量Δt的比都是相等的，因此小车的加速度不变。将结合起来，可以将v与t之间的关系表达为公式v=v0+at。抽象化的表达是对实验背后普遍规律的概括。教师在课堂上讲解公式生成过程时，可以让学生借助读图和既有知识说明推导过程，发散学生的思维，让学生体验从数据分析到得出结论并表达的全过程。