基于学科核心素养的实验“新”方法探究

彭丽丹

【摘要】普通高中物理课程标准（2020版）第76页指出：“实验是物理学习的重要环节，是培养学生物理学科素养的重要途径和方式”。基于物理学科核心素养要求，本文以“研究轻重不同物体下落快慢”的实验（牛顿管实验）为例，将演示实验转为探究实验、利用数字化实验设备融合创客教育从三个方面探究了实验教学的“新”方法，进而培养学生的物理学科核心素养。

【关键词】核心素养;实验“新”方法;牛顿管管理

物理实验是物理教学的重要内容，在新高考背景下，通过有效的物理实验教学方法设计，可培养学生的思维能力和创新意识。高中物理教师帮助学生培养物理学科核心素养的关键就是教师要重视物理实验教学“新”方法的探究。

一、物理学科核心素养

新课标指出物理学科核心素养主要包括“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”四个方面。以新教材必修一第46页的牛顿管演示实验为例，从核心素养的四个维度分别指：学生通过实验从物理学视角解释生活中重物比轻物下落快的自然现象;学生亲自经历真空的建模过程，从而外推出“轻重不同的物体在真空中下落快慢一样”的结论，以强化学生科学思维素养的达成;引导学生思考如何判断玻璃管中是否为真空？如何找到铁片羽毛同时落地的强有力证据;教师要在实验中培养学生严肃认真对待实验，尊重实验现象和结果，不编造、不修改实验数据，把实事求是的作风带到社会生活中去。

二、物理实验教学

在牛顿管演示实验中，通过问卷调查及实际采访发现，大部分高中物理教师采用视频播放或封闭抽好的真空管进行演示讲解，虽然老师们都认为该实验对于自由落体概念的得出十分重要，但在实际教学中出于学校条件和教学进度的限制，很多教师只是对实验过程进行简单讲解和理论分析，最终导致学生无法从本质上理解“轻重不同物体下落一样块”的结论，忽略实验探究的过程，就不可能达到通过实验培养物理学科核心素养的目的。

三、实验“新”方法体现在以下三个方面

（一）以学生为主体，化“演示实验”为“小组合作探究实验”

新课标（2020版）第76页提出：“教师要积极利用各种器材，积极创新实验方式，尽可能多地开发出可视性强、证据性强、能引起学生浓厚兴趣的演示实验。”例如：新教材必修一“研究轻重不同物体下落快慢”的演示实验，将其转化为学生自主探究实验，具体实施方案为：将学生分成几组，提供牛顿管、小型抽气机等器材，引导学生小组合作将牛顿管中空气抽出，逐次观察铁片羽毛在牛顿管中下落快慢情况，其中组员1负责抽气机开关的控制，组员2负责铁片羽毛的释放，组员3负责记录观察现象等等，真正做到“以生为主，生生互助”的全员参与式教学。

（二）使用数字化实验教学设备，拓宽学生认识物理规律的方法与途径

随着科学技术的发展，高中的教学实验资源不断的更新，教师在实验教学过程中，要利用现代化的仪器设备融合传统实验，科学合理地设计实验方案，将教学中采用视频或者慢动画播放的实验改进设计为可操作的真实实验，帮助学生准确、有效地观察实验现象，为实验结论提供强有力的证据支撑。例如：牛顿管实验抽取管中空气时，学生就遇到了难题，如：怎么感知玻璃管中空气被抽出？此时，我们就要借助现代化的教学仪器设备（DISLAB数字化实验系统）将压强传感器与牛顿管、抽气机连接，通过数字化实验系统界面实时观察管中压强值的变化，即可感知空气被逐渐抽出（逐渐抽走空气，管中压强值逐渐变小），这样一来原本看不见的空气通过数字变化的方式呈现出来，拓宽学生认识物理现象的方式方法，使学生明白物理是基于真实实验为基础，讲究证据性的学科。

（三）将创客教育与实验教学深度融合

在牛顿管实验中，教材采用让学生观察现象，得出铁片羽毛同时落地的结论，很显然该方法已不能充分说服学生，学生被迫接受实验结论。在这里我们采用学校选修课创客教育案例中的红外激光报警器（打开开关，报警器主动发出红外线，红外线被遮挡，就会引发蜂鸣器报警），实验中铁片和羽毛下落过程中分别挡光，引发两次报警，再通过手机APP（phyphox）中的声学秒表传感器（一种用于检测两次声音事件时间间隔的传感器），检测两次报警的时间间隔，时间间隔越短，越能说明铁片羽毛接近同时落地。以此解决我们仅凭视觉感知铁片羽毛下落快慢的证据单一性。

所需实验器材有：牛顿管（带铁片、羽毛）、钕磁铁、硅胶扎带、铁架台、硅胶软管、三通管、数字化实验系统（电脑、压强传感器）、抽气机、红外激光报警器、手机，具体实验步骤为：第一步：用硅胶扎带将牛顿管固定在铁架台的竖直方向，管口开关一端通过硅胶软管和三通管分别与抽气机、压强传感器相连;第二步：将红外激光报警器安装在牛顿管两侧，使紅外线尽量从牛顿管中间穿过;第三步：打开手机软件phyphox中的声学秒表传感器，调整其阈值为0.005s，最小延时为0.05s;第四步：准备释放铁片、羽毛，同步记录此时（未抽气）牛顿管中的压强值P和声学秒表检测到的铁片、羽毛先后下落两次挡光引发的报警时间差（∆t）;第五步：利用钕磁铁将羽毛铁片吸至管顶，打开抽气机，几秒后关掉抽气机，释放铁片羽毛，同步记录此时压强值P，及声学秒表检测到的两次挡光报警时间差（∆t）;第六步：重复步骤五，直至压强缓慢变化，无法再继续抽气为止。获得的实验数据分别为：P1=87 Kp ∆t1=0.188s，P2=72Kp ∆t2=0.146s，P3=60 Kp ∆t3=0.147s，P4=55 Kp ∆t4=0.127s，P5=48 Kp ∆t5=0.108s，P6=40 Kp ∆t6=0.015s。学生亲自实验发现当牛顿管中压强数值显示为40Kp时，尽管抽气机依然抽气，但系统界面显示的压强值变化缓慢，即无法再继续抽气，学生根据真实实验数据绘制出函数图像分析可知：在无限接近真空的情况下∆t将趋近于0，那么即可合理外推出：“真空中轻重不同的物体下落快慢一样”的实验结论。

结语

本文以牛顿管实验为例，基于物理学科核心素养要求，从变演示实验为探究实验，使用现代化教学仪器设备设计实验，将创客教育与实验教学深度融合三个方面探究出了“新”的实验教学方法，实验的过程就是学生物理学科核心素养生成的过程，这样设计实验教学实现了对学生的综合能力，创新能力的培养，提高了物理实验教学的品质。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2020版）[S].北京：人民教育出版社，2020.

[2]万朝波.基于学科核心素养的中学化学实验教学方法探讨[J].新课程导学，2021（10）.

[3]商森钗.科学探究在“自由落体运动”教学中的应用[J].中学课程辅导（教学研究）