基于学生核心素养培养的初中物理实验教学

摘 要 物理是以实验为基础的自然学科，物理实验教学对培养学生物理核心素养具有非常重要的作用。以“声音的产生与传播”为例，探究如何在实验课中培养学生的核心素养。

关键词 物理；实验教学；声音的产生与传播；科学思维；核心素养

中图分类号：G633.7 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2024）17-0-04

0 引言

《义务教育物理课程标准（2022年版）》指出，物理学科核心素养是科学育人价值的集中体现，是学生通过学科学习逐步形成的正确价值观、必备品格和关键能力[1]2。物理学科核心素养的提出体现了国家对创新型人才的要求。教育作为培养人才的主阵地，在提升学生的创新思维与创造能力方面具有非常重要的作用。初中物理作为一门基础自然学科，是培养学生物理学科核心素养的载体，因此，要重视每节课堂教学。初中生已具有初步逻辑思维能力，但抽象思维能力水平不高，正处于由经验型向理论型过渡的时期，是培养核心素养的最佳时期。物理是以实验为基础的自然学科，物理实验教学对培养学生物理核心素养具有非常重要的作用。本文以“声音的产生与传播”教学设计为例，探究如何在实验课中培养学生的核心素养。

1 教材分析

“声音的产生与传播”是整个声学知识的基础，对后续学习声音的特性、声音的利用和防止等知识具有重要的作用。高青县第五中学使用的是山东科学技术出版社出版的教材，“声音的产生与传播”一节包括三块内容：声音的产生、声音的传播、声速。本节内容是学生初步运用观察、分析、归纳总结等物理方法进行实验探究，亲自体验科学探究过程，对培养学生良好的思考、探究习惯和态度具有非常重要的作用。

2 教学目标

《义务教育物理课程标准（2022年版）》对本节课的内容要求是通过实验认识声的产生和传播条件；学业要求则从物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任四个方面进行详细规定[1]16，19。结合新课标要求、教材内容和学情，设定如下教学目标[2]。

2.1 物理观念

1）知道声音是由物体的振动产生的；

2）知道声音的传播需要介质；

3）了解声音是以波的形式传播的；

4）知道空气中声音的传播速度。

2.2 科学思维

1）培养学生进行观察、分析、归纳、科学探究的思维；

2）引导学生完成探究声音的产生与传播的实验要求。

2.3 科学探究

1）设计实验探究声音的产生与传播；

2）通过观察，能描述现象、总结实验结论；

3）通过实验，体验科学探究的过程，掌握科学探究的方法，并能用其解决以后遇到的一些问题。

2.4 科学态度与责任

1）通过一系列的探究实验，培养学生严谨的科学态度，培养学生的合作意识和主动交流并发表自己观点的意识；

2）培养善于利用日常物品进行科学探究、热爱科学的思维意识。

3 设计思路

根据上述教学目标，本节课内容分为四个教学活动。1）实验体验：发声的物体正在振动。2）小组探究活动：真空不能传声。3）感知与模拟：声音的传播形式。4）手机辅助实验：声音在空气中的速度。课本上传统的探究真空不能传声实验存在不足，如实验器材笨重、易老化漏气、底座传声等，导致实验效果不够明显。针对上述不足，对该实验进行改进，设计成学生自主探究活动。另外，对声音在空气中的传播速度这部分内容，设计一个手机辅助实验，学生可以直观地观察声速。这节课的实验方法设计采用结构化内容设计，融合现代信息技术（如电子技术、手机软件等），遵循初中生的认知特点，“直观感知—引导发现—科学探究—得出结论”。

4 教学过程

4.1 新课引入

播放动画，让学生倾听大自然的声音，引出声源的概念。

【问题设置】这些声音是怎样产生、传播的？

【设计意图】学生对自然界中的一些声音比较熟悉，但对声音的产生及传播过程等知识并不了解。通过物理问题的引导，激发学生探究的兴趣，让学生对自然界、生活中的一些现象进行理性思考，建立物理知识与生活的密切联系，感受物理知识就在身边。

4.2 探究声音的产生

【问题设置】物体发声与不发声时有何不同？发声体发声时有何特征？

【实验器材】钢尺、齿轮、一杯水、音叉、简易琴弦、学生课桌上的学习用品等。

【学生活动】小组合作，体验让上述物品发声，观察物体发声时的特点，展示发声过程并回答上述问题。

【设计意图】让学生成为探究的主体，通过亲身体验、观察实验现象，自主分析现象，合作交流总结实验结论。在探究过程中，有学生发现有些物品（如音叉等）的发声现象不易观察，质疑该类物体的发声是否由振动产生。针对学生的质疑，教师可以引导学生思考解决方案，让学生通过自主思考、合作交流加上教师点拨，提出解决方案：可以借助其他物体（如乒乓球等）将微小的、不易观察的振动放大。在这个过程中渗透重要的物理学方法——转换法。通过上述探究活动促进学生科学思维发展，培养学生的学科核心素养。

4.3 探究声音的传播

【问题设置】声音产生后是如何传播到人耳的？

【教师点拨】我们生活环境中的物质有三种存在形式——气态、液态、固态，这三种形式的物质是否都能传声呢？

4.3.1 探究声音在气体中的传播

【学生活动1】小组合作验证声音可以在气体中传播，并派代表展示验证成果。

【教师点评1】大部分学生通过生活中的现象（如我们在教室里可以听到彼此的声音等）证明声音可以在气体中传播。如果没有空气，我们还能听到彼此的声音吗？

【学生活动2】小组讨论交流，部分学生想到去太空中验证一下。

【教师点评2】这个提议难度很大，我们能不能设计实验，在教室里验证该问题呢？

【学生活动3】小组继续讨论交流，部分学生想到把发声体放到一个密封装置中，将里面的气体抽走，对比声音前后的变化。

此时，基本设计思路已经形成，教师可以简要介绍提供的实验器材用法，让学生小组合作完成探究实验。

【实验器材】简易的拔罐装置、蜂鸣器、纽扣电池等。

【具体操作】学生把蜂鸣器和纽扣电池组装好，让其发声，接着放到手掌中，用拔罐罩盖住，可以听到声音比在空气中有所减小；接着用抽气装置把罐体中的空气慢慢抽出，在这个过程中倾听声音的变化；最后，把罐体上端的活塞打开，进入空气，倾听声音的变化。

根据上述实验，让学生描述实验现象并引导学生推理总结：真空不能传声。

【设计意图】学生通过列举日常生活中的一些现象，得出声音可以在气体中传播。教师通过反证法引导学生设计实验，验证真空不能传声，有利于学生辩证思维的培养。另外，在这个实验中，教师对课本中传统的实验进行了改进，利用生活化的材料，结合电子技术，进行小组探究活动，取得很好的实验效果。

4.3.2 探究声音在液体中的传播

【学生活动1】小组合作，验证声音可以在液体中传播，并派代表展示验证成果。

【教师点评1】大部分学生结合生活经验（如脚步声吓跑岸边的鱼等）证明液体可以传声。大家能否利用教室现有器材或物品设计实验进行验证呢？

【学生活动2】小组讨论交流，大部分学生想到在水中放一个发声体，检验能否听到声音。

【教师点评2】方案很棒，但存在一定的不足之处，如我们需要用容器盛水，发声体一般会跟容器接触，这样就不能排除固体传声的问题，有没有更好的方案呢？

【学生活动3】小组讨论交流后，部分学生想到让发声体浸没在水中浮着（悬浮）。

此时，教师可以展示实验器材——浮沉子，介绍其使用方法，并演示。

【实验设计】将发声体——蜂鸣器密封，并与小玻璃瓶结合在一起作为浮沉子放入装水的塑料瓶中，捏塑料瓶，浮沉子会在水中悬浮，此过程中会一直听到蜂鸣器发出的声音，由此验证液体传声。此实验设计可以排除传统实验中固体传声的影响。

最后，拓展液体传声在生活中的应用——水下芭蕾舞。

【设计意图】学生通过列举日常生活中的一些现象，得出声音可以在液体中传播。在设计实验环节，通过教师引导，培养学生严谨的科学探究态度。生活中的应用——水下芭蕾舞，体现了物理来源于生活又服务于生活的理念。

4.3.3 探究声音在固体中的传播

【学生活动1】小组合作，验证声音可以在固体中传播，并派代表展示验证成果。

【教师点评1】大部分学生通过生活中的现象（如隔墙有耳、医生用听诊器等）证明声音可以在固体中传播。大家能否利用教室现有器材或物品设计实验验证呢？

【学生活动2】小组讨论交流，部分学生想到伏桌，轻敲桌子听声等。

此时，教师出示“土电话”实验器材，让学生实践“土电话”验证固体传声。最后，拓展到固体传声在生活中的应用——贝多芬用牙齿听声。

【设计意图】利用周围简单易得的物品带领学生进行低成本的探究实验，让物理实验走进课堂、融入教学，在这个过程中培养学生的动手能力和合作探究意识，有利于培养核心素养中倡导的科学态度与责任。生活中的应用——贝多芬用牙齿听声，体现了物理来源于生活又服务于生活的理念。

4.4 探究声音的传播形式

声音以波的形式在介质中传播是本节课的教学难点，这是因为波动是一个抽象且复杂的概念，对学生来说较难理解[3]。因此，设计以下教学活动：

1）结合现代信息技术，让学生自己或借助物品发出各种声音，利用手机软件Oscilloscope展示这些声音的波形，结合希沃投屏让所有学生直观感知声波；

2）让学生利用玩具彩虹圈模拟声波；

3）通过视频从微观角度展示声波，加深学生认识。

【设计意图】利用手机软件直观展示波形，有利于学生直观感知声波；通过彩虹圈玩具模拟声波，让学生亲自动手操作体验、观察，对声波加深理解；微观视频展示，进一步加深理解。

4.5 探究声音在空气中的传播速度

本部分内容课本给学生提供的是一些图片、资料，思考问题，学生缺少直观的体验。如果能在课堂上呈现测量声音速度的过程，那么必然会给学生带来终生难忘的印象。鉴于此，通过查阅各种资料，利用手机软件Phyphox自带的“声呐”程序测量声音在空气中的传播速度，具体操作：取一根长度约为56.3 cm的PVC管子（图1），一端封闭，另一端放智能手机，打开测量程序（图2）。图3是测量的声音在空气中传播的速度，受环境、PVC管子长度等因素的影响，测量结果存在一定的误差。

【设计意图】利用手机软件设计实验，在课堂中实时展示声速，学生可以直观感知声速，一方面有利于学生加深印象，另一方面，有利于学生加强探究意识，发展科学思维，培养核心素养。

5 结束语

本节课以实验贯穿始终，采用问题引导、学生自主探究的方法，加强学生在课堂中的主体地位，一系列的实验探究让学生对声音的产生、传播、声速等知识有了系统的认识。本节实验课体现了生活化（如体验声音的产生——振动，采用简易琴弦、齿轮、一杯水等器材）、简易化（探究真空不能传声，采用生活中的简易器材，结合电子技术）、可视化（探究声音的传播形式——声波、在空气中的传播速度——声速，结合手机软件，让学生直观感知）的特点，让学生在感知和发现过程中学会科学探究，提升物理学科核心素养。

本节课的反思之处在于利用浮沉子验证液体能够传声实验，声音较小，可以寻找功率更大的蜂鸣器对该实验进行改进。

6 参考文献

[1] 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.

[2] 丁玉玲，赵振宇.基于物理核心素养的教学设计：以“声音的产生与传播”为例[J].中学物理，2019，37（8）：56-59.

[3] 刘勇.发展学生的物理学科核心素养在初中物理教学中的实践：以“声音的产生和传播”为例[J].中学物理，2018，36（20）：50-51.

*项目来源：高青县教育科学规划课题“核心素养视域下初中物理科学思维的培养研究”（课题批准号：2021GQKT11）。

作者简介：秦娜娜，中学二级教师。