指向核心素养的物理实验教学策略研究

【专家介绍】

王艳芳，教育部课程教材研究所课程改革实验研究中心、国家教材委员会学科秘书，从事科学教育研究，组织参与落实物理课程标准实验研究、中小学人工智能教育实践研究等重大项目，参与“义务教育科学类教材跨学科实践活动设计研究”“中小学工程教育课程体系的建构研究”等重点课题，在《天津师范大学学报（基础教育版）》《物理教师》等期刊发表多篇论文，参与编写《做好科学教育加法》系列丛书等。

摘 要：物理是一门以实验为基础的自然科学课程。物理实验教学具有重要的教育价值，但也存在一些问题与挑战。物理实验教学要坚持以核心素养为导向，在实验教学设计中明确将核心素养作为重要教学目标，在实验教学实施中将核心素养作为重要学习内容，在实验教学评价中将核心素养作为重要维度，推进“教－学－评”相一致的实验教学，切实提高实验教学培养核心素养的效果。

关键词：核心素养；实验教学；教育价值；实施策略

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2024）9-0001-5

党的二十大报告指出，教育、科技、人才是全面建设社会主义现代化国家的基础性、战略性支撑，要全面提高人才自主培养质量，着力造就拔尖创新人才［１］。实验教学是培养人才的重要方式，围绕核心素养探讨实验教学有效实施的策略，有助于提升实验教学质量，切实发挥实验教学核心素养培养功能，对深化课程教学改革、促进学生全面发展具有重要意义。

１ 充分认识实验教学的意义与价值

实验教学是落实课程标准的重o9JaDplO91VGuJ1SJaF2MxbmNSt+zNrPH5Lh3YAzZn8=要方式。物理是一门以实验为基础的自然科学课程，《义务教育物理课程标准（２０２２年版）》（以下简称“课程标准”）将“实验探究”作为核心内容纳入物理课程内容的一级主题，进一步凸显了实验在物理课程中的重要地位及其特有的育人功能［２］。学习物理离不开做实验，通过创设有效的学习情境，学生亲身体验实验探究过程，有助于学生形成系统的科学知识和方法体系，培养科学思维，提升动手实践和创新能力，促进全面发展。

实验教学是育人方式变革的着力点。《义务教育课程方案（２０２２年版）》倡导“做中学”“用中学”“创中学”，强调变革育人方式，突出实践。《教育部关于加强和改进中小学实验教学的意见》《中小学实验教学基本目录（２０２３年版）》等的发布，充分彰显了我国对实验教学推动立德树人根本任务落实的高度重视。以基础性、探究性、综合性、创新性等实验为重要抓手，促使学生在动手实践中主动思考、探索问题解决方案，实现从被动接受向主动探索的认知和行为转变。

实验教学是培养科技创新人才的重要举措。以科技创新人才驱动现代化强国建设是新时代强国战略的核心内容。作为教育部《基础教育课程教学改革深化行动方案》中的重点任务之一，科学素养提升行动针对理论讲解多而实际操作少等问题，对实验教学提出明确要求。这就要求中学在物理课程实施中强化学生动手操作实验，结合物理课程标准，让学生在实践探究中学习，发展学生科学素养。

２ 物理实验教学面临的问题与挑战

物理课程强调利用各种方式方法培养和发展学生的科学思维水平、科学探究能力及创新能力。然而，中学物理实验教学的开展仍面临着许多问题和挑战。从学校层面来讲，部分学校物理实验器材和耗材配备不到位，实验教学资源使用效率不高，没有配备专门的实验管理员，甚至也没有兼职实验员，实验室管理不规范。从教师层面来讲，部分教师对课程标准的理解和领会还不到位，对实验教学的新目标、新任务、新方式了解不够，尚未形成适应核心素养培养的实验教学观念。教学中，讲解观察多，自主探究少。在演示实验教学中，教师对猜想、质疑、提问、讨论等学习活动关注不够；在学生分组实验中，更多关注学生按照步骤动手操作，记录实验原理、实验步骤、误差分析，学生对实验背后的原理探究和思维方法缺少深入实践和系统探究。

这些问题的存在严重影响了实验教学的有效开展。从学生层面来讲，物理概念多且比较抽象，学生不易理解，没有合适的引导，学生难以建立物理概念与现实世界的关联，持续下去不仅不能有效提升学生的问题解决能力，还影响了学生自主学习的积极性［３］。特别是随着信息技术的迅猛发展及其在各领域的深度融合，若不主动改进实验教学方法，利用新技术赋能，探索新型教学方式，将会影响实验教学的时代性育人价值的充分展现与发挥。

３ 指向核心素养的物理实验教学策略

３．１ 聚焦核心素养，升华实验教学目标

物理实验教学具有独特的育人功能，它不仅可以帮助学生获取和巩固物理学知识、解决问题，更能让学生在实验探究中领悟科学、严谨的思维逻辑，掌握科学探究方法，激发探索和求知欲。不同类型的实验，不同的实验环节，对培养学生素养的侧重点也不尽相同。比如，测量类实验教学注重测量原理的了解及基本仪器和测量工具的使用；探究类实验教学注重通过交流合作、实践探究，以培养学生解决复杂问题的能力和创新素养［４］。教师要以核心素养为导向，根据课程标准的内容要求、学业要求及教材内容，深入分析某类实验内容及特点，挖掘实验的育人价值。要通过具体的真实问题情境实验活动让学生理解核心知识，更重要的是让学生在探究过程中掌握其中的科学探究思路与方法，培养学生的关键能力。结合学生已有经验和认知水平，明确学生发展点，制订具体的教学目标。

例如，在人教版八年级下册第一节“浮力”教学中，教师制订如下教学目标：１．通过观察放入水中的乒乓球等演示实验，结合生活中物体受浮力的实例，归纳得出浸在液体或气体中的物体会受到浮力作用，培养多观察、多思考的意识；２．通过小组探究，体会并认识在液体中下沉的物体也受浮力，并得出浮力的方向以及使用弹簧测力计测浮力的方法，养成从物理学角度认识自然现象、思考问题的习惯；３．通过观察演示实验，小组内讨论交流，了解浮力产生的原因，养成使用科学证据进行推理论证的意识；４．通过小组探究，得出物体所受浮力的大小只与它浸入液体中的体积和液体密度有关，与其他因素无关，掌握控制变量法这一科学探究方法，并进行类比迁移，提升科学探究能力，同时养成与他人合作解决问题的意识。

其中，如何通过实验认识浮力并得出浮力的方向，如何测量浮力，如何探究影响浮力大小的因素，是学习的核心内容。学生对浮力现象比较熟悉，但生活中的不少经验会对学生正确认知的形成产生干扰，学生还不能准确理解影响浮力大小的因素。运用控制变量法探究影响浮力大小的因素，对学生来说是一个难点，也是一个重要发展点。

３．２ 凸显核心素养要点，优化实验设计

思维是科学探究的核心［５］，学生要真正理解科学本质，解决真实复杂问题，必须具备问题解决的思路方法。思路方法不等于实验操作流程或步骤，不是“发现问题—提出问题—设计方案—收集证据—分析解释—交流反思”这样的一般过程，是解决某一类问题的思维路径的外显化表述和归纳。例如，探究影响浮力大小的因素，思路方法如图１所示。首先，要预测哪些因素有可能影响浮力的大小，确定自变量。然后，调控某一自变量大小，保持其他自变量不变，测定因变量即浮力的大小，从而确定该因素是否是影响因素。接着，将其他影响因素按照同样的方式处理，最终确定影响浮力大小的因素。实验的关键在于自变量的确定及调控，以及因变量的监测。真正有效的教学活动不能脱离思维发展，教师只有根据问题解决思路方法来设计实验探究活动，让学生动手操作，亲身经历和感受这样的思维过程，学生才能够建立问题解决思路方法与真实问题、知识与能力之间的关联，在遇到同类问题时，调用学过的方法解决问题。

３．３ 聚焦关键环节，深入开展实验探究

培养学生的科学思维，要让学生经历和科学家进行科学探究一样的活动，像科学家一样思考和行动。开展实验探究活动是实验教学的关键环节。活动中，教师不仅要确保学生顺利完成实验，更要凸显科学探究的核心要素，通过实验培养学生的关键能力，达到更好的学习效果。课程标准指出科学探究的四个要素：问题、证据、解释和交流。教师要以问题要素引导学生主动思考，结合生活经验和实验现象分析，形成猜想和假设；以证据要素促进学生科学设计实验方案，通过实验探究科学记录实验数据，从而获取证据；以解释要素引导学生对收集的证据信息进行分析、处理，解释实验现象，验证猜想和假设，得出正确的结论；以交流要素促进学生与同伴交流，进行认知建构和社会建构，丰富自己对科学本质的理解。问题、证据、解释、交流四个要素环环相扣，建构起承载问题解决思路的整个探究活动。例如，在探究浮力的大小与哪些因素有关时，教师以四个要素为牵引，逐步引导学生深入开展科学探究。

问题要素：

１．让金属块慢慢浸入直到浸没在水中的实验中，我们发现，随着金属块浸在液体中的体积变大，液面在逐渐上升，弹簧测力计的示数在逐渐变小。

２．把同一个金属块分别浸没在水中和酒精中，发现两次弹簧测力计的读数不一致。

３．人在水中越往深处走就越觉得所受的浮力大。

４．在水中，木头是漂浮的，但是铁块会下沉。

教师：根据我们发现的实验现象，结合生活经验，请同学们进行猜想并作出假设，浮力的大小与哪些因素有关呢？

学生小组讨论交流得出猜想：（1）浮力的大小与物体浸在液体中的体积有关；（2）浮力的大小与液体的密度有关；（3）浮力的大小跟物体浸入水中的深度有关；（4）浮力的大小跟浸在液体中固体的密度有关。

证据要素：

１．探究浮力的大小是否与液体密度有关？

（１）设计实验与制订方案（教师提供了数据记录表，如表1所示）。

（２）进行实验：各组根据实验方案，完成实验。

解释要素：

（３）各组根据实验数据，归纳总结，得出结论，并作出解释。

结论１：浮力的大小与液体密度有关。液体的密度越大，浮力越大。

２．探究浮力大小与 ______________的关系。

根据前面的猜想，１～４组探究“浮力的大小是否与物体浸在液体中的体积有关”，５～８组探究“浮力的大小是否与物体浸入液体的深度有关”，９～１２组探究“浮力的大小是否与浸在液体中固体的密度有关”。请各组学生设计实验方案，并利用所提供的实验器材开展探究，分析实验数据，得出结论。

实验器材：____________________________。

记录实验数据。

结论２：浮力的大小与_________________________。

交流要素：

１．请各小组对实验方案、实验数据以及分析得出的结论等进行展示交流。

２．综合上述各个实验探究的结果，学生得出综合结论：物体在液体中所受浮力的大小，与物体浸在液体中的体积有关，与液体的密度有关。物体浸在液体中的体积越大，液体的密度越大，浮力就越大。

３．４ “教－学－评”有机衔接，促进核心素养融合发展

评价既是对学生学习的检验，是发展学生核心素养的关键，也是教师改进教学的重要依据。实验教学要注重学习评价，坚持以核心素养为导向，教师依据教学目标制订评价方案，将评价贯穿整个实验活动中，体现评价与课程标准、教学目标及学生活动的一致性。关注学生主体，注重学生在实验中的实验设计能力、动手操作能力、观察能力、数据分析能力、解释交流能力等，加强评价的全面性。关注学生思维发展过程，预估学生活动表现，细化评价标准，收集学生问题解决过程中的表现证据，加强评价的科学性。除学科知识外，综合考虑学生的自主参与度、交流合作、创新意识等，结合定性与定量分析，实施学生自评、同伴互评和教师评价等多元化评价，确保评价的全面性和客观性。设计拓展性作业，强化学生在不同真实情境下知识方法的应用和迁移，引导学生对学习过程进行反思，持续跟踪学生的素养发展变化，建立学生成长档案，加强评价的深入性。

例如，在探究浮力的大小与哪些因素有关时，教师可设计如表2所示的评价方案。

拓展作业：

１．航母在水中受到的浮力大小，能否用弹簧测力计测量出来？

２．请设计一个实验，验证“浸没在液体中的固体所受的浮力可能跟固体的形状有关”猜想是否正确，并写出实验器材和步骤。

３．动手做实验：将一个鸡蛋放入盛有水的碗中，观察鸡蛋的浮沉情况；再利用生活中的物品（如食盐、可乐等），改变其浮沉状态。尝试解释鸡蛋浮沉状态改变的原因。

４ 小 结

实验教学是国家课程方案和课程标准规定的重要教学内容，是创新人才培养的重要途径［６］。指向核心素养的实验教学面临新的要求和任务，不仅需要我们更加深入地认识物理实验教学的价值和功能，也需要我们认真探讨培养核心素养的实验教学的有效策略和方式方法。同时，实验教学发生在课堂，但开好实验课却涉及实验教学管理、实验设备仪器配置、实验室建设、实验资源开发等诸多工作。因此，改进实验教学必须坚持系统观念，推进适应核心素养培养的实验教学体系建构，唯有如此才能促进实验教学质量整体提升，切实发挥实验育人功能。

参考文献：

［１］习近平．高举中国特色社会主义伟大旗帜 为全面建设社会主义现代化国家而团结奋斗——在中国共产党第二十次全国代表大会上的报告［Ｊ］．中华人民共和国国务院公报，２０２２（３０）：４－２７．

［２］廖伯琴． 继承与发展：物理课程标准修订的主旋律——以义务教育物理课程标准（从２００１版到２０２２版）为例［Ｊ］． 物理教学探讨，２０２２，４０（１１）：１－５．

［３］刘林．对物理概念开展情境化教学改进的策略研究——以“加速度”教学为例［Ｊ］．物理教学探讨，２０２４，４２（６）：１－４，１９．

［４］中华人民共和国教育部．义务教育物理课程标准（２０２２年版）［Ｓ］．北京：北京师范大学出版社，２０２２．

［５］胡卫平，郭习佩，季鑫，等．思维型科学探究教学的理论建构［Ｊ］．课程·教材·教法，２０２１，４１（６）：１２３－１２９．

［６］中华人民共和国教育部． 教育部关于加强和改进中小学实验教学的意见［ＥＢ／ＯＬ］．（２０１９－１１－２２）［２０２３－0２－0７］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｍｏｅ．ｇｏｖ．ｃｎ／ｓｒｃｓｉｔｅ／Ａ０６／ｓ３３２１／２０１９１１／ｔ２０１９

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（栏目编辑 廖伯琴）