学科核心素养指引下体验式实验教学策略——以高三第二轮“测量类”实验复习教学为例

居 津

（江苏省苏州实验中学，江苏 苏州 215011）

1 问题的提出

实验题一直是高考试卷中重要题型，学生在实验活动中所经历的探究过程，所领会的思想方法，对促进学生掌握物理知识，培养物理学科核心素养有着举足轻重的作用.近几年来，江苏高考实验题的出题风格在逐步转变，新高考要求的实验考查内容也有所增加，但实验考查的要求基本吻合.［1］表1统计了从2017年至今的考查内容，笔者将其分为测量类、验证类和探究类3种.

表1 近5年江苏高考实验考查内容分类表

从统计表中不难发现，测量类的实验考查在近5年高考试卷中出现比例接近60%，分析其原因可能是.

（1）同一测量目的的实验可根据需要赋予不同的实验情境例如2018年和2020年均考查了“测量重力加速度”的实验，但2018年利用细绳跨过固定在铁架台上的轻质滑轮，两端各悬挂一只质量为M的重锤进行测量，如图1；而2020年利用自由落体拍摄频闪照片进行测量，如图2.对于同样的实验目的，采用不同的实验方法进行研究，能有效促进学生实验能力的培养.

图1 2018年江苏高考测量重力加速度实验方案

图2 2020年江苏高考测量重力加速度实验方案

（2）测量类更能考查实验操作细节.例如2021年新高考第一次适应性考试第1问考查了实验操作步骤，第2问考查了真实纸带的现场测量等，这充分引导学生积极参与到做实验中去，从而促进学生多动手，多动脑，体现了学生对科学求真态度的考查.

（3）测量类实验相比于验证类实验不知道实验结论，更能考查学生对实验数据的处理和进行误差分析.例如2018年测量重力加速度实验第3问提出如何用橡皮泥减小滑轮的摩擦力，很多学生都有无从下手的感觉，其实就是一个加速度大小相同方向不同的连接体问题.因此数据的处理及误差分析是考查学生实验能力的重要方面，［2］它能有助于学生更深刻的理解实验原理，改进实验方法，培养学生的理解能力和创新思维.

通过上述分析，不难发现高考二轮实验复习乃至整个高中物理实验教学不能仅以获得知识与技能为目标，应该是思维方法、能力提升多维目标并进的过程.要达成这样的目标，离不开学生的“亲力亲为”，只有亲自体验，才能达到物理实验教学目的，还原实验本质，体现实验的教学价值.［3］

2 核心素养指引下体验式教学策略

2.1 基于物理观念的“思维体验”

2.1.1 提出问题

师：实验室中，你有哪些方法测量重力加速度？学生思考、讨论回答问题，提出不同的测量方法.

师：如何测？这些方法对应的物理学原理是什么？相应需要哪些器材？

2.1.2 学生根据所学知识设计方案

生1：利用自由落体装置测重力加速度.

生2：利用单摆测重力加速度.

2.1.3 学生相互评价实验方案

方案1（如图3）选材简单、常规，操作简单，是最熟悉、最容易想到的方案.测量计数点间距，原理：

图3 自由落体运动+打点计时器+刻度尺

方案2（如图4）跟方案1类似，仪器更先进，利用了不同的计算公式.测量光电门间距、过光电门瞬时速度，原理：.

图4 自由落体运动+光电门

方案3（如图5）仪器简单，但对操作要求较高，利用了与方案1、2不同的原理进行测量.测量单摆周期、摆长，原理：.

图5 单摆+刻度尺

2.1.4 头脑风暴，继续设计其他方案并评价

生1：打点计时器跟频闪照片类似，可以拍小球自由落体的频闪照片，用打点机器类似的方法测量重力加速度（如图6）.但是此方案对技术要求较高，受设备限制，实验室较难实现.

图6 利用频闪照片测量g

生2：受方案1的启发可以利用连接体实验方案测量重力加速度.提出方案4（如图7）.与方案1相比原理类似，操作较难，但是不同的实验思路.

图7 利用连接体测量g

生3：可以用滴水法测量重力加速度（如图8）.此方案对操作要求较高，精确度也不如前面几个方案.

图8 利用滴水法测量g

师：大家设计了很多方案，并且很好地评价了这些方案，这些方案有没有什么共性？

生：均未涉及到物体运动过程中的受力情况，都是从运动学角度，利用运动学公式测量重力加速度.

师：能否从动力学角度设计实验方案，测量重力加速度？

生：可以对连接体实验方案再改进（如图9）.分别测出钩码和滑块（含遮光条）的质量，在金属板上适当的位置固定光电门A和B，两光电门通过数据采集器与计算机相连.将n依次取n=1，2，3，4，5，6个钩码挂在轻绳右端，其余N-n个钩码固定在滑块上.用手按住滑块，并使轻绳与金属板平行.记录遮光条通过光电门A的时间Δt1，遮光条通过光电门B的时间Δt2，遮光条的后端从离开光电门A到离开光电门B的时间Δt12.经数据处理后，可得到与n对应的加速度a并记录.

图9 利用动力学方法测量重和加速度g

点评：高考二轮实验的复习，应在注重基础的前提下进行综合提高.传统的所谓专题复习仍然以学生完成习题为主，学习路径单一、思维受到局限，很难促进学生对实验的深刻理解和全面认识.学生往往都只会就题论题，被题目牵着鼻子走，实验目的性不明确，不知道怎么研究，为什么这么研究，还有什么研究方法等一系列问题都没有得到很好的解决.基于物理观念的“思维体验”，要求学生不仅停留在一道题或一种实验方案上，而是更关注学生构建完整的物理观念，基于知识网络框架进行发散思维，在头脑中进行多种实验，并比较不同实验方案的实验原理异同、操作是否可行、误差大小等优缺点，对实验进行不断的改进创新.例如“重力加速度的测量”可以从实验原理的运动学方法和动力学方法角度进行思考，可以从测量工具的打点计时器、光电门或频闪照片进行思考，可以从测量主体是单个物体或连接体进行思考，可以从运动方式是直线运动还是曲线运动进行思考.教师在课堂上应积极引导学生，让学生在不断思考中进行聚焦和发散、创造和归纳，从而真正理解实验，完善知识框架，形成物理观念.

2.2 基于科学探究的“操作体验”

2.2.1 分组实验

根据不同学校实验条件允许，给学生创造操作机会.让学生根据自己的设计方案进行实验操作，如果条件允许，可以体验两种或三种不同方案进行实验.教师观察，拍摄学生操作场景的照片或视频.

2.2.2 点评操作（以自由落体——打点计时器方案为例）

教师展示学生操作（如图10），相互点评，提出问题并解决.

图10 自由落体法测量重力加速度

生1：操作1在重锤下落过程中，纸带与打点计时器的摩擦会比较大.

生2：操作2有第1个同样的问题，且托住重锤的手可能会发生抖动，导致重锤不是自由落体，而是有一定的初速度.

生3：操作3中不能充分利用纸带，导致实验数据过少，可能造成实验结果误差较大.

2.2.3 总结体验，给出正确操作方法

师：释放纸带操作有何具体要求？如何改进？

生4：纸带要尽量竖直，以减小摩擦，释放重锤不能有初速度，且要充分利用纸带，释放时要先打开打点计时器，再释放纸带.可以将纸带顶端用夹子固定.（如图11）

图11 改进后的装置

点评：通常进入高三以后，学生就没有再进入实验室的机会.考试时涉及到的实验操作注意事项大部分情况下均由教师课堂“黑板实验”告知，实验误差的来源学生也无法亲身体验.如果给学生操作机会，学生真的能很顺利的操作实验，处理数据，误差分析，得到结论吗？笔者亲试和与同行交流的教学现状如下：① 学生认为实验课就是走走过场的，换个地方讲题而已；② 学生到了实验室很难自控，完全没有章法的胡乱操作；③ 实验仪器不认识，不知道如何进行实验，即使几人合作也无法完成实验，遇到突发问题不知如何解决；④ 自己不愿动手操作，旁观为主.以上这些现象究其主要原因都与学生平时实验操作机会太少有关.教师首先不能有“给学生做实验就是浪费时间”的观念.其实，实验是手脑并用的学习过程，学生完成实验的过程是观察、操作、思维紧密联系的过程，动手实验反而可以使学生头脑处于积极思考的状态.学生经过亲自动手操作，就会主动思考误差来源，改进实验方案，而且印象深刻，不会出现不知如何操作，死记硬背误差分析，不会分析实验误差的学习困难.教学过程中应该让学生像“科学家”那样去思考、尝试、质疑和评价，才能有创新，批判思维才能得以提升和发展.真正的“操作体验”，不仅可以帮助学生提高科学探究能力，还能让其充分体会到科学研究的不易，有助于形成正确的科学态度和责任.［4］

2.3 基于科学思维的“深度体验”

师：对于动力学角度的连接体方案，如何得到重力加速度g？

生1：用两组数据列方程组.

生2：多组数据描点作a-n图像.

师：上述两位同学的方法，哪种更优？为什么？

生3：描点作图.利用图像解决问题是减小偶然误差的常见方法.

师：根据a-n图像如何得到重力加速度g？

生4：如图12所示，设该直线在横轴上的截距为k、纵轴上的截距为b.

图12 a-n图像

由牛顿第二定律可得nmg-μ［Mg+ （N-n）mg］=（M+Nm）a.

师：这个表达式计算起来有点繁琐，能否对实验再改进？

生：可以将长金属板换成气垫导轨，或将金属板一端抬高，平衡摩擦力.这样表达式就简洁很多.

师：能否总结一下测量重力加速度的一般方法？

生：实验原理可以大致分为两类，即运动学方法和动力学方法.运动学方法一般需要测量运动学物理量，根据运动学公式进行计算.动力学方法一般要通过受力分析，根据牛顿运动定律进行计算.无论用什么测量原理在处理实验数据时可以采用作图像，分析斜率和截距的方法求解.

点评：实验最不应拘泥于课本，应合理引导并给足学生思考的空间和时间.实验教学过程应充分挖掘一个实验隐含的价值，引导学生深入思考.这样学生才能真正将书本知识转化为自己的知识，从而学为所用.通过对比联想相似的实验情境，让学生深刻理解实验原理，进行深度学习；通过实验数据处理方式的不同体现数形结合思想，发展各个学科之间的联系，开展深度思维，实现学习的飞跃.相信这样的课堂必定能让学生爱上物理，也必定能让学生在物理课堂上有所得，有所思，有所感，有所悟！

3 对“测量类”实验教学的反思

3.1 拓宽实验广度，开阔学生视野，使之成为“设计师”

在新课程理念下，在核心素养目标的引领下，教师首先应转变自己的观念，把课堂的时间还给学生，积极改变实验复习的呈现过程，不局限于按实验要求讲一遍或做一遍.建议教师拓宽实验广度，与学生一起基于基本实验进行拓展开发，如从传统实验器材到现代化技术手段的应用，气垫导轨、光电门、手机应用软件的使用等，感受科技的进步；如连接体实验方案的拓展和优化，不同原理时对实验操作有不同的要求进行比较等等.只有让学生根据已有知识经历设计过程，打开思维广度，提高思维高度，自主设计，自我评价，主动改进，积极反思逐步优化实验方案，让学生成为“设计师”，才能真正掌握知识，构建完整的知识结构，应用知识，学习能力才能提高，物理观念才能逐步健全.

3.2 开发实验渠道，组织学生探究，使之成为“操作师”

动手时必然动脑，建议实验课两节联排，给足时间让学生真操作，让学生成为“操作师”.这样学生才能细心总结实验的操作细节，积极思考解决方案，对于实验中出现的问题才能进行改进，实现学从做中来，做到学中去.实验过程，学生可能会遇到无法预计的问题，如理论可行但实验结果误差大，实验器材受限制，安全问题等等，这就需要学生不断调整和探索解决方案.经历这样的过程，学生不仅仅是学习了一个实验规律，而是经历了一次科学探究过程，能从中体会到发现、解决、成功的乐趣.物理学科离不开实验，学生的“亲力亲为”才能体会求真务实的科学态度，领悟物理学科的魅力，感悟事物的真谛，充分体现物理实验的价值.

3.3 挖掘实验深度，发展学生思维，使之成为“分析师”

普遍的教学过程中，教师更熟悉或关注的是实验的内容目标，而对能力目标关注较少.新高考评价体系提出将设计能力、动手操作能力作为自然科学学科中实验考查的重点，而“评价”和“创造”能力也属于新的考查范畴.学生对实验方案、实验结论的评价，方案的再设计已然成为教学过程中必不可少的重要方面.因此在教学过程中，应注意实验的深度挖掘.根据学校情况、学生情况进行因材施教，对基础薄弱的学生着重培养理解应用能力，对基础相对较好的学生要注重分析创新能力的培养.如对连接体实验方案可以完成哪些实验，这些实验要求有何异同；对同一个实验目的可以设计哪些实验方案，给出具体的实验仪器、操作步骤和误差分析并加以改进，让学生成为名副其实的“分析师”，只有这样学生的实验能力才能不断提高，学科核心素养才能得到提升和发展.