基于学科核心素养的微实验开发与应用研究

2023-10-25杨定容

中学教学参考·理科版 2023年7期

杨定容

［摘要］文章论述了基于核心素养的微实验开发与应用，弥补了教材实验资源的不足，引起了学生强烈的认知冲突，激发了学生探究问题的欲望。在实际教学中，微实验能使抽象知识变得形象直观，从而有效突破教学重难点，为学生高阶思维的培养提供“外援”性帮助。

［关键词］微实验；核心素养；实验探究

［中图分类号］ G633.7 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-6058（2023）20-0061-04

在高中物理教学中，取材方便、现象明显且能切中教学要点的微实验深受广大师生的欢迎。教师借助微实验的开发与应用，能够为学生创新设计更多结合现实生活的情境。这些情境可以增加学生的感性认识，同时还可以调动学生学习物理的积极性。在实际教学中，教师整合微实验资源、设计微实验方案能够有效突破实验教学难点，提升学生的物理学科核心素养。

一、基于核心素养开发微实验的原则

《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称《课程标准》）的实施建议”中明确指出，要利用日常用品改进实验或开发新实验，实验课程资源不仅限于实验室现有的仪器和设备，日常用品、废旧材料也是重要的实验室资源［1］。特別指出“利用日常用品和材料作为实验材料，可使实验现象更明显、直观”。这样，可使学生拥有更多亲历实验演示和动手做实验的机会，可以培养和发展学生的实验技能和实践能力。在实际教学过程中，高中物理微实验的开发应遵循以下三个原则。

（一）实用性原则

物理微实验器材的选择应秉持简洁实用的原则，所用器材的原材料应尽量来源于日常生活或者是实验室的常见器材，这样取材容易，教师和学生随时随地都可进行实验探究。

（二）启发性原则

利用常见材料开发微实验，用于课堂教学或者学生课后探究，对提升学生的核心素养要有启发性，不要让学生只是关注表面的实验现象，应要启发学生对实验现象背后的本质原因进行深入探究。

（三）创新性原则

物理微实验的开发要具有一定的创新性，通过创新设计新的实验，以激发学生的创新意识。

二、基于核心素养开发微实验的意义

（一）开发微实验，补充现有实验资源

受原有实验室资源短缺或者环境等因素的影响，教材上的有些实验难以成功演示或者演示现象不明显，教师在工作之余，适当开发一些实用的微实验，在课堂上演示或者让学生分组实验，可增强物理教学实效。

（二）应用微实验，引发学生的认知冲突，激发学生的探究欲望

新课标重视对学生科学探究素养的培养，因此，在教学过程中教师要关注核心素养目标的落实。为此，在实际教学中教师应注意创设合适的情境，增加学生对物理现象的感性认识，提出学生感兴趣的待解决的问题，启发学生思维，提升学生学习的主动性。让学生在教师的引导下迁移所学知识方法开展探究，提升学生的抽象概括能力，帮助学生形成物理观念或总结物理规律。实践表明，学生处于适度的认知冲突中应用学习的动力最强［2］。通过微实验，学生能够亲身感受真实的问题，引发认知冲突，自发地发现问题、提出问题，进而激发学生解决问题的原始内驱力，激发学生建构物理概念和探究物理规律的欲望，培养学生的科学探究能力。

（三）应用微实验，化抽象为形象，有效突破教学难点

高中物理知识难度较大，学生不容易理解掌握，在核心素养导向下，需要培养学生的高阶思维。而学生高阶思维的培养不是一蹴而就的，需要在日常教学中螺旋上升。因此，在日常教学中教师需要开发一些微实验，为学生高阶思维的培养提供帮助，使抽象的知识更加形象，从而突破教学难点。

三、基于核心素养的微实验案例分析

案例1.“光的衍射”

在“光的衍射”一节中，根据生活经验，学生对“光沿直线传播”的观念根深蒂固，要让学生的观念转变为“光是一种波”是本节课的难点。教材是用可调单缝装置演示缝宽对衍射现象的影响。不少学校没有可调单缝装置或者可调单缝装置不足，这样会影响教师的演示实验或者学生的分组实验。

为了弥补实验资源的不足，教师可用常见的牙签和长尾夹开发如图1所示的微实验装置。

如图1所示，使两根牙签竖立形成一个从上到下、从宽到窄的狭缝，便可替代可调单缝装置。

（1）让激光通过狭缝的上部，这样可以在屏上看到一个明暗相间的条纹，中间的亮纹比较宽，旁边的亮纹比较窄一些。然后将激光往下移动，当狭缝比较窄时，可看到中间的亮纹比较宽。这样可得到：光照射上面比较宽、下面比较窄的狭缝时，就能比较直观地得到缝宽对衍射现象的影响，即缝越宽，中间亮纹越窄；缝越窄，中央亮纹越宽，衍射现象越明显。

（2）教材中只展示了红光的衍射现象，没有呈现不同颜色的光的衍射现象，这不利于学生得到光的波长可以影响衍射现象的结论。可让红色激光和绿色激光通过同一个狭缝，然后在屏上固定一把直尺，通过定量比较中间亮纹的宽度，得出不同波长的光通过衍射所得中央亮纹宽度不同。实验发现，红光通过狭缝后中央亮纹的宽为10 mm，而绿光通过同一个狭缝中央亮纹只有7 mm，学生可以直观定量比较两种颜色的光中央亮纹的宽度：红光的中央亮纹比绿光的宽。通过实验可得：波长越长，中央亮纹越宽，衍射现象越明显。

利用身边常见的物品制作微实验装置，不仅解决了实验资源不足的问题，还让学生感到物理实验不是只能用精密的仪器才能完成，利用身边的物品也可进行实验探究。有的微实验取材方便易得，实验现象明显，拉近了物理学习与生活的距离，激发了学生的探究欲望。

案例2.“静电现象的应用”

学生对看不见摸不着的抽象的“场”认知比较模糊，对静电现象的相关应用了解较少。在传统的物理课堂教学中，一般通过播放高压电击装有人的铁笼，而人却安然无恙的视频引入课堂教学，虽然该视频十分震撼，但学生依然认为该实验像是魔术，是假实验，学生又不能现场体验，因此，内心不能完全接受，这样教学效果不理想。

在实际教学中，教师可以利用收音机、玻璃罩、金属笼等实验室中常见的器材制作微实验，通过对比引入新课。

提出问题：分别将玻璃罩与金属笼放置在收音机上，哪种方式对收音机接收信号的影响较大？

教师演示：调节收音机，使其发出清晰的声音，先放上密不透风的玻璃罩。

现象：发现收音机的音量虽有减小但声音仍然清晰。

教师演示：换用带有孔洞的金属笼罩，将金属笼罩在收音机上。

现象：金属笼罩放上的一瞬间，收音机发出的声音立即由清晰的声音变为杂乱的电流声。

通过该实验发现：带有孔洞的金属笼罩比密不透风的玻璃罩对收音机接收信号的影响更大，有别于一般课堂中利用视频引入教学，该引入实验与常规认知冲突的实验现象，让学生更加真实地感受实验现象，从而激发学生的求知欲。

通过上面的对比实验，有效引发了学生的认知冲突，激发了学生的探究欲望。本节课需要学生掌握以下两个知识点：一是处于静电平衡状态的导体内部电场处处为零；二是处于静电平衡的导体是个等势体，其表面是一个等势面。针对这部分内容，教材利用了不规则导体的电场分布图进行说明，理论分析具体，但缺少一定的实验佐证。教材所涉及的相关实验也仅仅对静电平衡状态下导体内部电场处处为零进行验证，为下一步提出静电屏蔽做铺垫，但在该实验的实际演示中我们发现其实验现象极易受天气影响，演示效果大打折扣，学生对该部分内容也感到十分困惑。为此，可利用自制的微实验进行实验探究，将抽象的理论知识转化为形象的演示现象。

将电子起电机与正对的两片金属铝板连接，两板之间产生近似的匀强电场，利用自制的验电羽代替验电器，这样更有利于学生观察实验现象。

首先打开电子起电机的开关使两板带电，发现验电羽张开，说明两板之间存在电场，接下来放上金属笼罩，发现金属笼罩放上的一瞬间验电羽立即闭合，说明金属笼罩内不存在电场。可以定性地得出该实验结论：导体内部电场处处为零。

利用该实验进行深入探究。由于学生已经学过两平行金属板之间可以产生近似的匀强电场，也知道沿电场线方向电势不断降低，因此教师可以引导学生利用电场和电势之间的关系设计实验，证明处于静电平衡的导体内部电场处处为零。通过沿空间某一方向移动探针的过程中电势是否发生变化判断空间中该方向是否存在电场，因此测电势成为该实验中非常重要的一环，但由于电势具有相对性，测量起来仍存在一定的困难，对此教师可引导学生转换测量对象。将测电势转化为测电势差，那么就需要一个测量电势差的工具——静电计。可将静电计的外壳接地并连接负板，与内部指针相连的金属球连接带探针的导线，观察探针在金属板间移动的过程中静电计指针的偏转情况。具体可进行如下实验探究。

［微实验一］探究静电平衡导体内部电场处处为零。

实验：探针靠近金属板正极板处，接通电子起电机电源，待静电计指针偏转角稳定后，沿电场线方向水平移动探针。

现象：在移动探针的过程中，静电计指针的偏转角不断减小。

结论：探针在移动过程中两板之间的电势差在不断减小，沿着水平方向电势在不断降低，说明两板间确实存在水平方向的电场。

实验：在电场里放上金属笼，将探针放置在金属笼内部，待静电计指针偏转角稳定之后，重复刚才水平路径移动探针。

现象：在移动探针的过程中，静电计指针偏转角几乎不发生变化。

结论：探针在移动过程中两板之间的电势差不变，沿水平方向电势不变，说明处于静电平衡状态的导体内部电场处处为零。

评析：通过微实验探究，可将教材中的定性实验变为半定量探究实验，这样更符合学生的认知规律，从而有效提升学生的物理学科核心素养。

［微实验二］探究静电平衡导体是等势体，导体表面是一个等势面。

实验：探针放置在金属笼内任意位置处，待静电计指针偏转稳定后，将探针在金属笼内各处移动，观察静电计指针的偏转情况。

现象：静电计指针偏转角几乎不变。

实验：探针放置在金属笼上沿任意路径移动，观察静电计指针的偏转情况。

现象：整个移动过程中，静电计指针偏转角几乎不动。

结论：处于静电平衡的导体是一个等势体，表面是一个等势面。

评析：通过微实验探究，可将教材中的定性实验变为半定量探究实验，将抽象的理论分析转化为形象的实验演示，从而引导学生从感性与理性的不同角度得到物理规律，这样更符合学生的认知规律，从而有效落实课堂教学对学生物理学科核心素养的培养。

有效整合实验室已有的仪器，设计新的微实验装置，以及对资源的再开发与应用，充分发挥了教师和学生的创造性，培养了学生的学科核心素养。

案例3.“探究感应电流产生条件”

本节课需要让学生探究得到感应电流产生的条件：只要穿过闭合回路的磁通量发生变化，閉合电路中就会产生感应电流。

本节课的难点是如何让学生从初中已有“切割”思想转变为磁通量的变化。

教材通过以下两个实验探究感应电流产生的条件。首先，当条形磁体插入、拨出线圈时，观察线圈中是否产生感应电流。其次，通过闭合、断开引起感应电流电路的开关或者改变电路中滑动变阻器的电阻，观察线圈中是否产生感应电流。教材实验，无论是磁铁的插拔，还是电流的调节，都归结到磁感应强度的变化上，分析情景单一，而且实验连线耗时、电路复杂，连接电路就给学生带来很大的困难，学生的关注点不容易放在对实验现象的分析上，难以突破教学难点。

在此基础上，使用两板间可视为匀强磁场的电磁感应演示器，通过设计系列微实验探究线圈中是否有感应电流产生。

［微实验一］切割磁感线运动没有感应电流。

实验：让线圈在磁场中水平运动。

现象：没有感应电流产生。

结论：说明切割磁感线不是产生感应电流的条件。

评析：通过该微实验学生发现：闭合回路导体切割磁感线并不是产生感应电流的充要条件。颠覆了学生的初中认识，形成了强烈的认知冲突，有利于思维进阶。那么是否初中所学的知识就是错误的呢？提出问题：什么才是产生感应电流的条件呢？为后续的探究做好铺垫。

［微实验二］面积S不变，B改变，有感应电流。

实验：让线圈垂直放置在磁场中，通过改变电磁感应演示器电流的大小，从而改变磁感应强度B的大小。

现象：有感应电流产生。

评析：打破切割与产生感应电流之间的联系，并让学生初步了解感应电流的产生与磁场变化有关。

［微实验三］B不变，面积S变化，有感应电流。

实验：利用自制的折扇线圈垂直放置在磁场中，保持磁感应强度B不变，通过开关扇子改变线圈的面积。