基于核心素養(yǎng)的高中物理實驗教學(xué)的創(chuàng)新與實踐

金加團　楊雪明

物理學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，物理實驗是物理教學(xué)的一個重要部分.《物理課程標(biāo)準(zhǔn)》明確把“物理課程應(yīng)致力于學(xué)生物理素養(yǎng)的形成與發(fā)展”放到了物理實驗教學(xué)的重要位置.只有通過實驗驗證所學(xué)的理論知識.才能夠讓學(xué)生真正理解所學(xué)知識的實際意義，能夠幫助學(xué)生對基礎(chǔ)知識有更透徹的理解，從而更有效地提高成績.但是，部分高中物理教育工作者應(yīng)試教育思維根深蒂固，高中物理實驗教學(xué)被嚴重忽視，成為高中物理教學(xué)的薄弱環(huán)節(jié).由于實驗教學(xué)被忽視，導(dǎo)致了理論與實踐脫節(jié)嚴重，學(xué)生不能夠?qū)⒗碚撝R與實踐經(jīng)驗相結(jié)合，對成績的提高與學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)帶來負面影響.

高中物理學(xué)科的核心素養(yǎng)包括：物理觀念、科學(xué)思維、實驗探究和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任，加強和改革高中物理實驗教學(xué)，既符合物理作為一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科特征，又是高中學(xué)生物理核心素養(yǎng)形成的主要途徑.本文針對目前高中物理實驗教學(xué)的現(xiàn)狀，闡述了高中物理實驗教學(xué)的重要性與意義，分析了目前高中物理實驗教學(xué)的問題，并給出了實驗內(nèi)容要突出時代性與先進性，以學(xué)生為主體的實驗教學(xué)理念，以及如何培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的實驗教學(xué)方法的改革建議.經(jīng)過幾年實驗教學(xué)的創(chuàng)新與實踐，總結(jié)了所取得的主要經(jīng)驗和實踐成效，供同行交流、指正！

1主要經(jīng)驗

1.1培養(yǎng)學(xué)生對物理創(chuàng)新實驗設(shè)計的興趣

物理的教學(xué)始終離不開物理實驗的教學(xué)，有趣的實驗現(xiàn)象是激發(fā)學(xué)生探索自然、理解自然的興趣與熱情的催化劑，親手操作是培養(yǎng)學(xué)生物理技能和實踐能力的最佳途徑；此外親身的實驗經(jīng)歷能讓學(xué)生體驗科學(xué)探究的過程、了解科學(xué)研究的方法，有助于提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng).

1.1.1在自主課堂上設(shè)計相關(guān)的創(chuàng)新實驗引入課題

在引入新課時，我們教師會選擇一些有趣、新奇和使學(xué)生感到意外的創(chuàng)新演示實驗，由創(chuàng)新實驗引入課題，激發(fā)學(xué)生探究欲望.比如：抓百元大鈔引入自由落體，將一百元的人民幣折成紙團從一定高度自由下落，讓一位學(xué)生在下面用兩只手指來抓住，提高課堂趣味性；“巧勁拉書”突破超重失重規(guī)律教學(xué)，首先將兩本的物理書一頁一頁的疊在一起，叫兩個力氣大的男生將用力把書拉開，他們不管怎樣使勁都無法將兩本書分開.再叫一個女生，偷偷告訴她秘籍，要求她把書從較低的地方輕輕上拋，等書到最高點時，兩只手分別抓住兩本書的邊緣將他們分開了，這就是利用了完全失重的原理.這些創(chuàng)新實驗具有真實、形象、生動的特點，對中學(xué)生有很強的吸引力，極易喚起他們的興趣，創(chuàng)造愉悅的物理學(xué)習(xí)環(huán)境，以激發(fā)學(xué)生的求知欲望.

1.1.2在自主課堂上，注重學(xué)生徒手做分組“小”實驗

這些實驗基本不需其他實驗器材，主要利用雙手進行實驗，如將雙手的食指肚正對接觸并用力擠壓來說明“作用力與反作用力大小相等，方向相反、作用在一條直線上”；或用五指并攏來觀察遠處日光燈光線的衍射現(xiàn)象.通過這些簡單的“小”實驗，讓學(xué)生即加深了對物理知識的理解，又體會了做實驗探究的樂趣.

1.1.3開設(shè)《玩具中的物理》選修課，拓展學(xué)生視野

這門選修課從物理學(xué)角度介紹了從傳統(tǒng)玩具與現(xiàn)代玩具的設(shè)計原理，涵蓋高中物理的力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)、原子物理學(xué)的各個部分.比如不倒翁的原理，從力矩角度解釋不倒本質(zhì)；飛機和風(fēng)箏的原理，從流體力學(xué)角度闡明了尾翼設(shè)計的重要性.使用玩具進行物理實驗教學(xué)，充分挖掘玩具的物理特點及刺激功能，對激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)的主動性和學(xué)生探索、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)可產(chǎn)生獨特的教育功能，可起到使用現(xiàn)成實驗儀器所起不到的獨特作用.

1.1.4定期舉行趣味性創(chuàng)新實驗大賽

大賽讓學(xué)生經(jīng)歷“提出問題——猜想假設(shè)——設(shè)計實驗——實踐實驗——分析評估——交流總結(jié)”的探究過程，如“水火箭的制作與發(fā)射比賽”“雞蛋撞地球比賽”“紙橋承重比賽”等.進一步培養(yǎng)了動手、歸納、交流的能力和團隊合作精神，同時也體驗到科學(xué)探究的喜悅，加深了對物理規(guī)律的理解和信任，領(lǐng)悟到一定的科學(xué)思想和精神，促進學(xué)科核心素養(yǎng)的全面養(yǎng)成.

1.2提高自身修養(yǎng)，提高實驗創(chuàng)新能力，傳播實驗教學(xué)理念

作為教學(xué)活動的主導(dǎo)者，教師首先要對實驗在物理教學(xué)中的重要性有足夠的認識，其次要充分利用教材中已有的實驗資源，并能夠根據(jù)教學(xué)實際設(shè)計一些創(chuàng)新性的實驗，同時引導(dǎo)學(xué)生進行實驗創(chuàng)新設(shè)計.物理實驗的創(chuàng)新設(shè)計，是教師秉承新課程標(biāo)準(zhǔn)的開放性理念，由課程的復(fù)制者走向課程的創(chuàng)造者的有效嘗試.它可以有效促進學(xué)生自主、富有個性地學(xué)習(xí)，對學(xué)生的科學(xué)探究能力、實踐能力和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)大有裨益.

1.3創(chuàng)設(shè)創(chuàng)新性實驗大廳、操作性實驗室和開放性實驗室

1.3.1大廳實驗

在學(xué)校大廳走道制作一系列展板，向?qū)W生介紹物理學(xué)最為經(jīng)典的、最為前沿的實驗，在大廳里擺放能讓學(xué)生直接動手操作的儀器.實驗裝置可以激發(fā)學(xué)生的興趣，讓學(xué)生通過動手操作理解實驗的方法和原理，引領(lǐng)他們走進物理世界.

1.3.2操作性實驗

操作性實驗設(shè)立于創(chuàng)新實驗室內(nèi).設(shè)立這些實驗的目的，主要是進一步激發(fā)學(xué)生的興趣，引發(fā)學(xué)生的思考，培養(yǎng)學(xué)生的物理思想，初步形成一定的科學(xué)意識和素養(yǎng).

有些實驗，學(xué)生無法通過自己的思考和簡單的閱讀或自學(xué)去理解其原理和內(nèi)在的物理概念，而學(xué)生觀察到了某種實驗現(xiàn)象后又有迫切需要解開這些謎團的意愿，我們就轉(zhuǎn)移到實驗室中，在老師的帶領(lǐng)幫助下解開這些謎團.有些演示實驗無法在大廳放置，我們將這些實驗放在實驗室內(nèi)進行，一方面老師可以現(xiàn)場指導(dǎo)，另一方面對實驗器材的保護也比較好.還有一部分針對參加物理競賽的學(xué)生開設(shè)的實驗，我們也將它設(shè)立在操作實驗室內(nèi).

1.3.3開放性實驗

這是創(chuàng)新實驗室創(chuàng)建的重點，真正能夠鍛煉學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力的方式，只有通過自己的動手體驗和感悟才能做到.

我們創(chuàng)建創(chuàng)新實驗室的目的主要是要培養(yǎng)學(xué)生的問題質(zhì)疑能力、發(fā)散想象能力和遷移獨創(chuàng)能力.因此在設(shè)置實驗內(nèi)容和方式的時候改變了以往僅僅服從于教材和教學(xué)需要的模式，而是以滿足學(xué)生的需求和促進學(xué)生的發(fā)展為宗旨的模式.傳統(tǒng)實驗更注重的是對實驗原理和實驗步驟的要求，而對實驗的創(chuàng)新、改造和再開發(fā)支持不夠.傳統(tǒng)的實驗盡管有其成熟、經(jīng)典、嚴謹?shù)膬?yōu)勢，但是對于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識，顯得有些力不從心.

學(xué)生的開放性實驗主要依托學(xué)習(xí)包展開.在高中階段，主要有以下四個學(xué)習(xí)包：自由落體、太陽能的利用、自動控制和模塊機器人以及電磁波.除了要充分利用教材上的材料和內(nèi)容外，還要適當(dāng)?shù)募尤胝n外拓展部分.

2實踐成效

2.1一年一次的物理創(chuàng)新實驗設(shè)計大賽成為了學(xué)?？萍脊?jié)傳統(tǒng)的比賽項目

學(xué)生參與積極性高，探索科學(xué)知識的愿望強烈，在校園內(nèi)形成了良好的科技創(chuàng)作氛圍.

2.2創(chuàng)設(shè)了校園科技長廊

向?qū)W生介紹物理最為經(jīng)典的、最為前沿的實驗.拓展學(xué)生的思維，激發(fā)學(xué)生探索科技的欲望，提升了學(xué)校的影響力.

2.3建立了多個實驗室

交通事故研究、拋體運動研究（豎直上拋、平拋、斜拋）、超重與失重、水波干涉、聲速的測量、逆風(fēng)行舟、翻身陀螺、飛機升力演示儀、傅科擺、陀螺儀、啄木鳥、凱爾特魔石、昆特管、比利時咖啡壺、多米諾骨牌、不會掉下來的圓環(huán)、耦合單擺、圓偏振駐波、動量守恒演示儀、超聲霧化器、迷你鍋爐、太陽能發(fā)電、卡文迪許扭秤等.

電磁學(xué)實驗室：安培力演示儀、電磁炮、赫茲諧振器、避雷針原理、光電效應(yīng)、雅各布天梯、靜電擺球、富蘭克林輪、磁懸浮演示儀、磁阻尼擺、磁阻尼管、溫差發(fā)電演示儀、自感現(xiàn)象演示儀、互感現(xiàn)象演示儀、電流秤、高壓輸電模型、光的偏振現(xiàn)象、全息照片、輝光放電、自動控制電路、腳踏發(fā)電機、法拉第圓盤發(fā)電機、地磁場產(chǎn)生感應(yīng)電流、沖擊電流計.

2.4確立了開放性實驗的四個主要學(xué)習(xí)包

2.4.1自由落體

自由落體學(xué)習(xí)包的課內(nèi)任務(wù)主要是探究自由落體的運動規(guī)律.而在此之外，我們還建立若干子課題，這些子課題包括驗證型的和探究型的.驗證型的例如：重力加速度的精確測量，重力加速度和緯度的關(guān)系等；探究型的例如：測人體反應(yīng)速度，對雨滴的下落的研究，重力加速度的測定方法等.

2.4.2太陽能的利用與新能源的開發(fā)

太陽能的利用除了完成課內(nèi)任務(wù)以外，還聯(lián)系能量的轉(zhuǎn)化、新能源的開發(fā)和利用等相關(guān)內(nèi)容進行展開.

有關(guān)太陽能的子課題有：建造太陽能發(fā)電塔、提高太陽能發(fā)電效率的方法、太陽能發(fā)電技術(shù)及其發(fā)電效率等；有關(guān)新能源的子課題有：太陽能驅(qū)動斯特林熱機的研究、制作風(fēng)力發(fā)電機、太陽能照明、LED照明技術(shù)、聲音制冷等.

2.4.3自動控制和模塊機器人

自動控制在課內(nèi)部分比較簡單，因此我們要求學(xué)生和創(chuàng)造發(fā)明課結(jié)合起來，進行一些較為復(fù)雜的邏輯電路的設(shè)計和制作，并且應(yīng)用這些邏輯電路實現(xiàn)簡單的自動控制功能，能夠做出成品，應(yīng)用到教室或是家庭中.如防盜系統(tǒng)的設(shè)計、自動感應(yīng)燈光系統(tǒng)、交通信號燈的自動控制等.

模塊機器人即可利用樂高機器人參加機器人比賽，也可以獨立設(shè)計機器人，還可以把一個機器人進行模塊化，每個小組設(shè)計一個模塊，最后組裝成為一個可以運行的機器人，作為一個完整的項目來進行.這個項目的重點是小組統(tǒng)籌協(xié)作和通過設(shè)計來實現(xiàn)不同的功能.

2.4.4電磁波

電磁波的常識和種類是課內(nèi)所要求的，除此之外我們還可以進行電磁波的測量、電磁波對生物的影響、無線通信技術(shù)（信號的調(diào)制與解調(diào)）、天線的設(shè)計等課題的研究.還可以進行輻射的研究，比如核輻射的測量、核輻射和電磁輻射的區(qū)別等等.

2.5形成了一套基于自主課堂的物理實驗創(chuàng)新性設(shè)計的方法

如“找不足”列舉法、“談理想”列舉法和“知識交集法”來引導(dǎo)學(xué)生進行實驗創(chuàng)新.“找不足”列舉法，顧名思義，就是列舉事物的缺點或不足之外，再針對性地提出解決方法和措施.其中，找到事物的缺點或不足之處是本方法應(yīng)用的重點；“談理想”列舉法，這是一種通過提出對事物的希望或理想，進而探究解決方法和措施的創(chuàng)新技法，其應(yīng)用要點在于如何提出合理的希望或理想；“知識交集法”則是對相關(guān)聯(lián)的知識原理、實驗器材進行不同的實驗創(chuàng)新設(shè)計.

2.6促使科學(xué)素養(yǎng)的養(yǎng)成向基本核心素養(yǎng)的轉(zhuǎn)化

主要表現(xiàn)在我們的學(xué)生創(chuàng)新和實踐能力提高了，與他人的團結(jié)協(xié)作、溝通討論能力加強了，學(xué)習(xí)態(tài)度更加端正了，思考問題更加嚴謹了，做事的責(zé)任心也更強了.

3問題思考

只有通過訓(xùn)練有素的實驗教學(xué)，才能使學(xué)生在獲取物理知識的同時，潛移默化地形成良好的科學(xué)素養(yǎng)，如：嚴謹?shù)目茖W(xué)態(tài)度，實事求是的科學(xué)作風(fēng). 同樣，只有加強實驗教學(xué)，才能培養(yǎng)出具有較強動手能力的學(xué)生，而這種能力正是日后成為合格勞動者所必需的勞動技能素質(zhì)的基礎(chǔ).中學(xué)物理實驗教學(xué)要注重方法滲透，要注意階段性和層次性，由低到高有觀察法、實驗法、控制變量法、推理法、類比法、數(shù)學(xué)法、等效法、近似法、假設(shè)法、模型法等.教師要明白學(xué)生對思想方法的領(lǐng)悟是一種潛移默化的滲透過程，而不可把方法當(dāng)作知識向?qū)W生灌輸，其滲透過程是循序漸進的、潛意識的，不同年級對同一方法的滲透是螺旋遞進的不能一步到位.我國物理創(chuàng)新實驗教學(xué)研究起步較晚， 開放式教學(xué)方法的實施更無從談起， 目前， 多數(shù)高中物理實驗還是普遍采用傳統(tǒng)式、灌輸式的教學(xué)方法， 尤其在實驗教學(xué)中采用啟發(fā)式、引導(dǎo)式等教學(xué)方法相對較少.正因為如此， 學(xué)生利用物理實驗室進行研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)客工作的人很少；在實驗完畢后， 由學(xué)生自己利用計算機處理數(shù)據(jù)的學(xué)生更是寥寥無幾.進一步來講， 利用數(shù)字物理實驗室， 解決生產(chǎn)和生活中實際問題的學(xué)生， 以及橫向拓寬實驗設(shè)計的學(xué)生就更少了.這一切都充分地說明了學(xué)生的實際操作能力是非常有限的， 也暗示著目前物理實驗教學(xué)還存在著許多方法上的問題.

3.1物理實驗創(chuàng)新與實踐是一門可以通過學(xué)科素養(yǎng)的落實轉(zhuǎn)為學(xué)生素質(zhì)的課程

雖然我們在這門課程的教學(xué)上已經(jīng)取得一定的成果，但這是一門持續(xù)性的課程，我們依然要思考“物理能留給學(xué)生終身受用的東西是什么？”這個問題，我們希望通過我們的努力，能培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的形成，讓學(xué)生成為全面發(fā)展的人，促進核心素養(yǎng)教育的發(fā)展.

3.2在創(chuàng)新實驗室的創(chuàng)建伊始，還有許多不足和疏漏之處，很多問題在創(chuàng)建的過程中逐步去發(fā)現(xiàn)和解決

學(xué)生探究開放實驗的過程，也是對我們創(chuàng)新實驗室的完善起到十分重要的作用.只有做好積累工作，逐步地將學(xué)習(xí)包擴大，形成學(xué)生自己的學(xué)習(xí)包，這樣的創(chuàng)新實驗室才能不斷地自我完善和不斷地推陳出新，這才是名副其實的創(chuàng)新實驗室.這些并不是完全由老師來完成，而是主要由學(xué)生來參與完在.也正是這樣，才能突出創(chuàng)新教學(xué)的思想，突出學(xué)生的主體作用.讓學(xué)生在物理實驗的創(chuàng)新與實踐中形成學(xué)科核心素養(yǎng)，成為全面發(fā)展的社會需要的人才.