基于创新实验探究的高中物理课堂模式研究

谢恒

摘 要：落实物理学科核心素养的主要途径是改革物理课堂。新课标要求中学教师从培养学生物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任四个方面开展教学。《基础教育课程改革纲要》指出，倡导学生主动参与收集信息和处理信息、分析问题和解决问题。基于创新实验探究的高中物理课堂模式五环节研究，培养高中生物理学科核心素养。

关键词：核心素养；创新实验；课堂模式研究

一、现阶段创新实验与课堂深度融合的情况分析

《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》指出：高中阶段教育是学生个性形成、自主发展的关键时期，对提高国民素养和培养创新人才具有特殊意义。在这个阶段教师应该重视对学生自主学习能力、适应能力的培养和提升，使得学生可以更加自立自强，有效避免“应试教育”思想在教学中的倾向[1]。然而由于高考压力、课时不够、实验资源不足或者已有的实验器材的实验达不到理想的效果，在调查中发现很多教师仍采用讲授式教学和强化训练为主，学生觉得物理难学，对物理学习没有兴趣，学生的自主性和内驱力没有充分激发，“老师累学生困”是常态。通过大量的优秀案例发现，有趣的实验探究能提高学生学习兴趣，培养学生的探究能力和思维力，可目前以实验探究为手段的科学探究学习还是比较薄弱。表现在创新实验与课堂深度融合的可操作性、可复制案例还十分缺乏。

二、创新实验探究的高中物理课堂模式实施的路径与方法

（一）坚定教师教学改革理念，发展学生的核心素养

《普通高中物理课程标准》（2017年版）坚持反映时代要求，着力发展学生的核心素养。高中物理学科的核心素养包含4个维度：物理观念（基础）、科学探究（路径）、科学思维（核心）、科学态度与责任（品格）。

通过实验创新，进行创新实验探究教学模式，学生主动参与学习，调动了学生学习积极情绪，提高教学效果，找到了理论依据。由美国学者、著名的学习专家爱德加·戴尔（Edgar Dale）提出的“学习金字塔理论”中，学习效果在约30%以下的几种传统方式（听讲、阅读、视听和示范），都是个人学习或被动学习方式；而学习效果在约50%以上的（学生动手做，小组讨论和马上应用教授他人）都是团队学习、主动学习和参与式学习方式。通过这个理论可以看出，主动学习、团队合作以及参与式学习方法的学习效果是比传统的个人学习和被动学习方式的学习效果更加显著。教师应坚定教学改革理念，并落实在行动中。

（二）融合创新实验，高中物理“问题—探究—思维”实验教学模式的实施

1.实验探究教学模式实施流程

立足于学生问题意识、探究能力和思维力的提升，构建了以学生为主体，教师为主导的一种新型课堂教学模式，旨在培养学生的自主创新意识和实践能力。

2.问题驱动思维引导的实验探究五环节教学模式

经过多年的摸索探究，总结出实验探究课堂模式实施的五环节以及相对应的措施策略。问题的驱动和思维引导的教学模式是以学生为中心，能够在创设的情境中提出问题，通过实验探究解决问题。皮亚杰、维果斯基等人提出的建构主义学习理论认为，学生的学习基于原有知识和经验进行构建和理解的过程。下面以“探究感应电流产生的条件”为例。环节一：情境创设，导入新课

情境创设是探究的前提。创设物理情境，激发学生学习兴趣，营造创新思维环境氛围，产生认知冲突，激起求知欲，诱发质疑猜想。情境的创设唤起强烈的问题意识，引起学生思考，是问题提出的前提条件。

情境创设的基本方法：以物理故事创设情境；以物理史实创设情境；以物理知识迁移点创设情境；用物理微实验创设情境等。

物理一般用微实验创设问题情境，这样情境的创设更生活化，而且事实胜于雄辩，更能激发学生的探索欲和解决问题的意识。

在《探究感应电流的产生条件》一课中，教师以传统讲授式的方法很难改变学生的初中定式思维：闭合电路部分导体在磁场中切割磁感线会产生感应电流。采用如下探究：

现象1：二极管发光。

学生会惊讶于二极管为什么会发光呢？带着问题进入新课的学习。

环节二：问题驱动，激发思考

问题驱动是探究的核心。情境的创设激发了学生的问题意识，是探究式学习的起点，改变了传统教学以知识为思维起点的教学理念，问题能驱动学生自主进行实验探究，思维的提升依托于在真实情境中解决一个一个的问题后螺旋式的上升。

问题的提出依赖于教学目标的设定，具体的实施如下：一是钻研教材，确定目标——深挖教材知识的思想方法，确定要培养的目标；二是分析学生，了解基礎——分析学生的兴趣、知识、能力，了解学生存在问题可能；三是结合实际，创设问题——结合学校实际，研究并总结能为课程创设问题的资源。

现象2：导体切割磁感线，电流计指针偏转——与认知相符。

现象3：导体不切割磁感线，电流计指针不偏转——与认知相符。

结论1：导体切割磁感线有感应电流产生。学生以为这就是产生感应电流的本质。

学生预想：电流计指针一定偏转。

学生观察：电流计的指针并没有偏转——与认知不相符。

学生：“导体在磁场中切割磁感线能产生感应电流”难道错了吗？

用实验创设情境轻松激发学生冲突，调动学生主动性，学生不禁会提出问题：那产生感应电流究竟需要什么条件呢？

用微小实验创设问题情境的效果在物理教学上有时候胜过教师的“千言万语”，正所谓古人所说的眼见为实的观念。

环节三：科学探究，合作学习

实验探究是解决问题的路径。科学探究的方式很多，实验探究是开展科学探究的有效方法之一，也是核心所在，物理实验的有效开展可以帮助学生进行严谨的科学态度、探究思维以及实事求是精神的培养，能够内育科学思想，外育处世风格。

实验探究的目的是解决问题，先分析问题的影响因素，猜想与假设引起问题原因，设计实验方案验证，如实记录、客观对待所获取的实验数据，进行实验分析及归纳推理。

分析问题：那感应电流的产生需要什么条件呢？引起感应电流产生的原因有哪些呢？可以根据物理建模的思想，把演示2、演示4简化成示意图，那么会发现感应电流的产生与线圈在磁场中的面积有关；又由于感应电流的产生是在磁场中发生的，感应电流的产生跟B有关。学生分组进行如下的猜想并合作探究，对实验结果进行记录。

猜想和假设1：磁感应强度B不变，线圈面积S变化，是否一定产生感应电流？

设计探究实验1：让探测线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场的转轴旋转，改变有效面积S。

猜想和假设2：线圈面积S不变，磁感应强度B变化，是否一定产生感应电流？

设计探究实验2：让实验3探测线圈所处的磁场发生变化。即探测线圈在亥姆霍兹线圈边界磁场中做切割磁感线运动。

猜想与假设3：若磁感应强度B变化，线圈面积S也变化，是否一定产生感应电流？

教师介绍自制器材探究实验4的实验装置，演示该实验，并让学生观察实验中线圈动作及观察是否有感应电流产生。

环节四：交流总结，模型建构

模型建构是内涵[2]，是课堂的教学目标之一。大道至简，通过交流总结，透过现象本质，在看似众多的现象中提炼出一个简约的规律，剥离掉问题所穿的外衣，找到解决问题的本质，这就是模型建构。模型建构是实验探究的升华，物理学有一种普遍美就是简约美，模型建构正是体现了这种简约美。

通过以上的实验探究，学生得到结论：感应电流的产生与B有关，与S也有关；在实验4中，发现当B和S都变化时却没有感应电流。那么自然就会想到物理学中与B、与S有关的物理量——磁通量，同学们幡然醒悟，从而得出结论：只要通过闭合回路中的磁通量发生变化，闭合电流中就有感应电流产生。

环节五：拓展应用，思维提升

问题的解决助力思维的提升，思维的提升可以解决更多问题。拓展应用是课堂教学的延伸，是知识的应用，是学生创新能力提升的表现。

设置课外探究活动，调查生活中的电磁现象。比如，电磁炉是怎样加热食物的，破损的铁锅能否用电磁炉加热，手机是怎样实现无线充电的活动等。

三、立足核心素养的发展，研究创新实验探究策略

（一）教学方式创新，解决实验探究教学瓶颈的出路是开展常态化的实验教学

想要有效对当前实验探究教学中存在的瓶颈进行解决，最根本的方式就是开展常态化的实验探究教学。那么，如何才能有效开展常态化的实验教学？

在物理教学中对学生的思维方式和能力的培养主要是依靠课堂教学。课堂是教学主战场，可课堂时间有限，根据具体学习内容，提炼出需要解决的核心问题，把核心问题拆分成一个个小问题，根据学生发展需要进行局部或完整的实验探究过程。可以将其中的某一个或某几个问题在课堂内进行，在问题的驱动下完成一个或者多个实验探究，这就给每堂课进行科学探究教学提供了操作上的可能。将课堂内容进行拆分，不仅在常规的规律课和概念课上可以实施，在复习课和习题课上也可以进行实验探究教学，实现真正意义上的实验探究教学常态化，在一次一次的实验探究过程中解决一个个问题，学生不断经历观察→体验→讨论→分析→归纳与总结→解决问题的实验探究模式，思维得到递进式的不断螺旋式的提升。

（二）实验内容创新，对课本上的实验内容进行深入的研究、开发和设计

要有效开展常态化实验教学，就需要许许多多个实验作为学生探究的载体，实验室器材不足以满足实验探究教学，如何开发实验课程资源？

第一，对课本实验进行实践研究。根据高中物理课程标准，对高中物理的力学、电磁学和光学板块的教材实验进行实践研究，对演示实验和分组探究实验进行完成度调查，并对能做的实验进行可行性和优缺点分析。在充分研究实践的基础上，结合网络的优质资源，对原有器材进行改进和创新。例如，对“电荷”知识的教学，在演示静电感应到现象的实验时实验器材效果不理想，于是用两个易拉罐和两个指针验电器制成感应起电演示器，使实验效果很明显。

第二，自制教具，发挥学生、教师创造性。在对课本实验实践研究的基础上，发现实验室缺少一部分进行实验探究的必需器材。发挥学生和教师的主观能动性自制实验教具。例如，在教学《力的合成》一课时，为了形象地理解力的平行四边形这一知识，我们可以利用生活中装修的废弃边角料自制平行四边形演示器。

第三，开发系列微实验，让实验情境生活化。在实验室已有器材和自制教具的基础上，结合生活经验，开发系列微实验促使实验探究具体化。开发动力学、电学、光学等多个微实验专题，部分实验拍摄成了微视频。

（三）实验过程创新，优化实验探究过程，保证其呈现多样化

多样化的实验探究过程是保证科学探究有效开展的灵魂所在。对于同样的问题，不同的学生思维方式不一样，分析问题的角度不一样，设计的实验方案就会不一样，收集数据的方式会不一样，处理数据的方式也不一样。就论证的方法而言，包括实验论证、逻辑推理、模型建立、数学归纳、反证等多种方法，这就体现出实验探究过程的多样化特征。也正是因为其存在多样化的特征，实验探究的有效开展才能有效提升学生的学科核心素养和创新实践能力。

例如，在《牛顿第二定律》一课教学中，探究加速度与力、加速度与质量的關系，通过问题的创设，引导学生分组自行设计方案，学生设计了三个方案：第一个是传统的轨道实验，第二个是用气垫导轨代替轨道，第三个方案是利用以信息技术为基础的传感器探究。

（四）建立创新性实验室，促进学生的多元化发展

学生自己动手操作，通过对实验过程的观察得出结论，这样的探究实验过程会更具有说服力，也利于学生探究能力和思维的培养和提升，同时还能够使得学生意识到实验对思维认知的影响，以便学生之后实验的开展和进行[3]。学生利用常规实验室中实验器材对自己设计出的实验方案、猜想和假设进行探究，或者利用相关的实验仪器对生活中的一些现象进行验证和探究，促使学生可以得到多元化的发展。另外，学生还可以去实验中接触、学习和认识更多科技前沿的东西，建设开放式的智创未来工作室、自动驾驶室、数字化实验室等创新型实验室，让学生利用实验室器材去进行创新型实验。例如，学生可以有效利用实验室中的DIS系统来进行向心力的研究，使得学生对科技的力量有一个有效的认知，进而促进学生科学思维的培养和提升。学校物理实验室的有效开放，鼓励学生主动走进实验室，使用实验器材进行课内外实验的自主探究，而在这个过程中，实验是否成功、结果是否正确是次要的，主要且重要的是学生在进行实验时的思考和探究过程，这对学生能力的培养和提升以及学生未来的成长和发展都有着关键的作用。

结束语

思维是实验探究的核心，新常态是实验探究教学的灵魂。对教学新常态的策略进行有效科学的思考探究，有利于学生科学素养、创新探究精神以及综合能力的培养和发展，促进创新型人才的培养。教师在实验过程、内容以及教学方法等多方面的创新和优化会对学生产生潜移默化的影响，通过对验证性实验、设计性实验、研究性实验等物理实验的有机结合，促进学生自主学习能力和创新能力的提升，对学生科学精神、态度的培养和发展都是大有裨益的。

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（2017年版2020年修订）[S].北京：人民教育出版社，2020：1.

[2]蔡铁权，梅尹.模型、建模与物理教学[J].物理教学，2013，35（8）：4-10.

[3]邝玉兰，莫黎斌.高中物理习题教学与创新实验结合的课堂模式探讨[J].广西物理，2022，43（2）：237-241.