浅析中学物理教学中如何通过实验体现物理课程的实践性——以《探究液体压强与哪些因素有关》实验为例

刘宏安

物理学是自然科学领域研究物质的基本结构、相互作用和运动规律的一门基础学科。物理学通过科学观察、实验探究、推理计算等形成系统的研究方法和理论体系。从古代的自然哲学，到近代的相对论、量子论等，物理学引领着人类对自然奥秘的探索，深化着人类对自然界的认识。物理学对化学、生物学、天文学等自然科学产生了重要影响，推动了材料、能源、环境和信息等领域的科学技术进步，促进了人类生产生活方式的变革，对人类的思维方式、价值观等都产生了深远影响，为人类文明和社会进步做出了巨大贡献。义务教育物理课程是一门以实验为基础的自然科学课程，义务教育物理课程旨在促进人类科学事业的传承与社会的发展，帮助学生从物理学视角认识自然、解决相关实际问题，初步形成科学的自然观

2017年教育部颁布了《普通高中物理课程标准》，2022年4月21日《义务教育物理课程标准(2022年版)》正式颁布。新课程标准凝聚着众多课程专家、一线教师的集体智慧。北京师范大学物理系教授李春密介绍：“本次修订是以习近平新时代中国特色社会主义思想为指导，全面贯彻党的教育方针，落实立德树人的根本任务，从有理想、有本领、有担当三个方面明确了培养义务教育阶段时代新人的具体要求，是对‘培养什么人、怎么样培养人、为谁培养人’这一根本问题做出的有力回答。这次课标修订吸纳和继承了我国物理课程改革和建设的成功经验，也借鉴了国际上物理课程改革的新成果和理念，增强了物理课程的综合性和实践性，凸显了课程在育人工程中的核心地位。”福建师范大学教授余文森说：“如果用一个关键词来描述义务教育新课标的新意，那一定是‘核心素养’。核心素养是义务教育新课标的‘基因’，义务教育新课标是以核心素养为导向、为主线构建起来的新型课标，关注的是人的内在的品格和能力，它区别于之前‘三维目标’的课标，更区别于早期‘双基’的大纲。”余文森在分析为什么把“必备品格”和“关键能力”作为核心素养的内涵时说：“这是因为品格(必备品格)是一个人做人的根基，是幸福人生(道德人生)的基石；能力(关键能力)是一个人做事的根基，是成功人生(智慧人生)的基石。品格是人作为主体最富有人性的一种本质力量，内蕴着人的道德性、精神性与利他性；能力则是人作为主体最引以为傲的一种本质力量，内蕴着人的创造性、能动性与内发性。”他又说：“就实际表现而言，核心素养指的是个体在面对复杂的、不确定的现实生活情境中，能够综合运用特定学习方式所孕育出来的(跨)学科观念、思维模式和探究技能，结构化的(跨)学科知识与技能，以及世界观、人生观和价值观的动力系统，进行分析情境、提出问题、解决问题、交流结果的综合性品质。”

综合上述余文森教授的观点，所谓“核心素养”就是人活在这个世界上要成为一个好人(有道德)、有智慧的人所应该具有的品质和能力。如何才能成长为一个既好又有智慧的人呢？那就要学习，尤其是要经过学校教育中的系统性学习，但不能只学习知识，要在学习过程中形成素养(必备品格和关键能力)，一个人走出学校，经过一定的时间后，所学习的知识将会忘记，但在学习过程中形成的品格和能力将会沉淀，影响一个人的终身发展。用英国哲学家怀特海的话说就是：“当你丢掉你的课本，烧掉你的听课笔记，忘掉你为了应付考试而背诵的细节，你的学习对你来说才是有用的。”笔记本上记的是知识，剩下的东西才叫“素养”。因此，今后的学校教育要由“知识本位”向“素养本位”转变。

新课标的课程目标发生很大变化，从过去的三维目标变为现在的核心素养目标。核心素养是课程育人价值的集中体现，是学生通过课程学习逐步形成的适应个人终身发展和社会发展需要的正确价值观、必备品格和关键能力。物理学科从物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任四个方面提出了核心素养目标。

新课标非常强调实践性，强调加强实验教学对培养学生学科核心素养的重要性；进一步明确物理课程是以“实验”为基础的一门自然科学课程。新课标的一大变化是新增了“实验探究”作为一级主题，含21个学生必做实验。旨在体现物理课程实践性的特点，培养学生发现问题和提出问题的能力，动手操作和收集数据的能力，分析和处理数据的能力，解释数据的能力，表达和交流的能力，引导学生学会学习、学会合作，培养学生严谨认真、实事求是的科学态度。北京师范大学物理系教授李春密说：“探究从某种意义上讲是一种研究方式，即解决问题的方式。强调问题、证据、解释和交流四个要素。所以，老师在组织相应的探究教学时，要尽量让学生提出问题，设计方案，包括操作，要体现学生的主体性，把实验活动还给学生。探究既是过程，也是培养学生各种能力的重要手段。”文章以《探究液体压强与哪些因素有关》实验为例，探讨在核心素养目标下进行实验探究的思路和做法。

《探究液体压强与哪些因素有关》实验，是新课标在2011版课标基础上新增的一个必做实验，是液体压强这一节教学中的核心，学生在做这个实验之前已经认识了液体压强的存在性和产生原因，实验之后要进行液体压强公式的推导，所以，这个实验对突出重点、突破难点起着至关重要的作用，实验的目的是定性探究液体压强与密度、深度等的关系，实验方法体现了物理学的多种科学思维方法，如控制变量法、转换法等，对培养物理课程核心素养所包括的物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任，并在此基础上促进学科核心素养养成和发展有重要的作用。

建构主义理论认为：学习不是将知识由教师向学生传递，而是学生建构自己知识的过程，教师应关注学生原有的经验、心理结构和信念来建构知识，加强学生学习的主动性、建构性、探究性和情景性，对初中物理教学来讲，不但要重视物理知识和技能的教学，更应注重学生实践动手能力、创新能力、团队协作意识以及自主探究能力的培养和提高。教育现代化的根本任务就是为社会主义现代化建设培养新型劳动者和高素质人才。要实现这一目标，就要转变教育观念，坚持以人为本，因材施教，着眼于每一名学生的成长发展，满足学生个性化学习需求，培养学生的综合素质。所以本实验采用科学探究和合作学习的方式。在初步认识了液体压强的存在性和产生原因后，引导学生进行科学探究。强调科学探究的四个要素，即问题、证据、解释、交流，也即模型建构、科学推理、科学论证和质疑创新四个要素。

一是模型建构，考虑到初中生的年龄特点和思维发展水平，初中阶段强调的是会用所学模型分析常见的问题，不要求会建构，如让学生体会用模型解决问题的便利，且能够反映事物的本质。能通过物理实验建构物理概念，深化对物理规律的认识，领悟其内涵及相互联系；有将实验探究方法及安全操作规范等运用于解决日常问题的意识，能根据所学知识和说明书等解决现实中的简单问题。

二是科学推理，要结合课程内容进行科学思维方法的学习，如控制变量法、转换法、比较法等，对相关问题进行分析、归纳、演绎等，进行科学推理。知道科学探究会受到各种因素的影响，在实验中能关注主要因素，忽略次要因素；能根据实验数据通过归纳推理获得探究结论；有判断实验数据是否合理、有效的意识；能对实验进行反思，提出改进建议。

三是科学论证，要有证据意识，要利用证据对所研究的问题进行描述分析和解释。在实验中有发现问题、提出问题的意识；能根据实验目的设计实验方案，会正确使用已学实验器材收集数据，能遵守实验室规则，注意实验中的安全问题；能对收集的数据进行整理、归纳、总结，形成结论并做出解释；有合作交流的团队意识，能撰写简单的实验报告。

四是质疑创新，强调的是独立思考，敢于质疑，敢于表达自己的观点。能初步体会物理研究是建立在观察和实验基础上的创造性工作；能通过实验获得结论，产生成就感，有学习物理的兴趣和严谨认真、实事求是的科学态度；有节约资源、保护环境的责任感及自觉行为。

首先提出问题：液体的压强跟哪些因素有关呢？接着教师呈现一些事实，例如从学生生活中体验和感悟游泳时身体受到水产生的压强。并做几个演示：

(1)将绷着橡皮膜的正方体框架浸没在水中。发现上下、前后、左右各面都凹进去了，观察各面橡皮膜凹进去的程度有什么不同？

(2)同一容器(玻璃管底部绷上橡皮膜制成)，盛水的深度不同，观察到容器底部的橡皮膜凸出的情况怎样变化？

(3)容器(同上)中装深度相同的不同液体(水和煤油)，观察橡皮膜凸出的程度是否相同？

然后鼓励学生大胆猜想，教师引导归纳：液体产生的压强可能与液体的密度、液体的深度、容器的底面积、容器的形状、测试的方向等因素有关。接下来学生分组实验探究影响液体压强的因素，先提出问题让学生思考。第一个问题：怎样比较液体的压强？在学生思考后介绍实验器材：两个底面积和形状不同的大容器，水，浓盐水，酒精。主要是U形管压强计的作用和用法(如图)，就是把液体压强的大小转换成U形管压强计中两侧液柱的高度差。压强计中两侧液柱的高度差越大，说明橡皮膜所受的压强越大，这里运用了转换法的科学思维方法。

接着介绍组装器材时的注意事项：①实验前，应检查U形管压强计的气密性，用手按压金属盒上的橡皮膜，观察U形管两侧液柱的高度是否发生变化，若变化，说明气密性良好；若不变，说明装置漏气。②若发现U形管压强计漏气，需重新安装，保证气密性良好。

第二个问题：以上已经猜想到液体压强跟多个因素有关，怎样把它们一一探究清楚呢？大多数学生会根据已有的实验素养回答，要用到控制变量法。这又是科学思维方法的应用，应该肯定学生的回答。并请某一小组代表比较详尽地说明实验过程。至此，设计实验制定计划的环节基本完成。

新课标要求课堂教学必须使学生主动参与到学习中来，勇于实践操作，体验自己动手的快乐，在快乐中学习，更好地掌握和理解物理知识与技能。实验教学完全符合实现核心素养的要求，更是实现核心素养目标的最有效的教学方法之一，可以将原本死板生硬的物理知识变得更加生动化和形象化，充分激发学生自主学习的积极性和探究欲望。接下来就是收集证据的环节，教师将进行实验探究的步骤呈现在屏幕上，让学生开始分组探究，学生顺着教师设置的台阶进行实验，降低难度，提高实验效率，保证在有限的时间内完成实验探究。保持探究活动的兴趣和连续性，并将实验数据记录在表格中(表1)，教师做巡回指导，引导学生分工合作，随时帮助学生解决问题，使他们有序完成实验。表2对探究过程中的一些要点进行说明。

表1 实验数据表格(样例)

表2 《探究液体压强与哪些因素有关》实验要点

在得出实验数据以后，进行分析论证环节，要求各小组以讨论形式自主论证分析，总结液体压强的特点及所遵循的规律。各小组单独汇报，然后教师引导全体同学讨论完善，总结出准确表达的规律：

(1)液体内部向各个方向都有压强，同一液体同一深度处向各个方向的压强相等；

(2)液体内部的压强大小只与液体的密度和液体的深度有关；

(3)同种液体内部，深度越深，液体压强越大；

(4)在同一深度处，液体的密度越大，液体压强越大。

在得出实验结论后，还要进行交流评估与拓展的环节：请各小组交换传看实验数据表格，比较各组数据是否相同，思考出现不同的原因。然后教师提出问题，小组讨论解决：

(1)大家实验中有没有遇到了什么困难？你们组是怎样解决的？

(2)实验前要做哪些准备工作？(①先检查U型管左右两边的液面是否相平。②检查装置的气密性)

(3)实验时发现U型管内高度差没变化原因是什么？怎么解决？

(4)如果压强计U形管两侧液面高度差过大，使部分有色液体从管中流出，还能继续实验吗？应该怎么做？(需要把连接用的橡皮管取下重新连接)

(5)有两只杯子分别盛有清水和盐水，但没有标签，你能否用U形管压强计将它们区分开？

通过交流评估，分析实验设计、实验过程和实验结果，思考总结，提出改进意见和完善方案，通过探究实验，落实新课标要求，在强调知识的理解和记忆的同时，注重科学研究方法的学习，培养学生敢于质疑的思维习惯，给学生创设出类似科学研究的情景。提供给学生动手、动脑、动口的时间和空间，使他们亲自参与、探究、发现和体验，在探究过程中学会学习，掌握探究实验的基本步骤和科学方法，让学生经历科学探究的一般过程。即提出问题→猜想假设→设计实验→进行实验→分析论证→交流评估。最后要求学生完成实验报告。

文章以《探究液体压强与哪些因素有关》实验为例，说明了在实验探究中贯彻核心素养目标的思路和做法。这个过程涉及核心素养的物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任四个方面。从物理观念方面来说，这部分知识前承压强概念、二力平衡规律等知识，后启连通器、大气压强、浮力等重要概念和规律，我们通过探究实验的论证分析，认识它知识性的方面，并将其纳入学生已有的知识结构中去，达到知识内化和迁移。而对实验结果的分析论证需要分析、综合、归纳、演绎、比较、概括等思维过程，对发展学生的科学思维具有非常积极的作用。科学探究的过程体现问题、证据、解释、交流四个要素。而在实验的过程中，学生尊重事实、自主探究、合作互助、大胆质疑、积极表达的过程，无疑是对学生的科学态度与责任的锻造和提升。所以说，以物理学科核心素养目标为引领，在实验探究中用心琢磨，切实实施，效果明显，大有可为。

实验教学要关注实验原理的科学性、方案的可行性、实验器材的合理性、操作的安全性和规范性；指导学生真实、全面记录实验数据，关注与预设结果相矛盾的信息；引导学生针对实验活动中的困难或错误自主分析原因，积极思考并努力解决；引导学生对实验活动进行总结和评价，促进学生交流、评估、反思能力的提升。所有这些，可以归咎为学生科学素养和科学精神的培养，也就是新课标所倡导的核心素养的培养。

文章以《探究液体压强与哪些因素有关》实验为例，探讨如何通过实验提升学生的核心素养。在物理课程新课标的实施过程中，以实验教学为载体培养和提升学生核心素养，其实可以贯穿在每一个学生实验、演示实验，还可以包括课外探究、跨学科实践等。可以说，物理无处不探究，学习面面涉素养。让我们以物理实验为抓手，努力实现全体学生核心素养提升，为学生的终身学习和全面发展奠定坚实的基础。