提升學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的物理實(shí)驗教學(xué)

張濱　阮偉文

摘 要：物理學(xué)科是一門以實(shí)驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗素養(yǎng)和實(shí)驗設(shè)計創(chuàng)新能力是中學(xué)物理教學(xué)的主要目標(biāo)之一。改進(jìn)和創(chuàng)新高中物理實(shí)驗教學(xué)，使物理課堂有趣味、有思想、有創(chuàng)新是高中物理教師的主要工作之一，通過設(shè)計出有效的實(shí)驗教學(xué)方案可以幫助高中學(xué)生物理核心素養(yǎng)的形成和提高。

關(guān)鍵詞：高中物理；實(shí)驗教學(xué)；科學(xué)思維

物理學(xué)是一門以實(shí)驗為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，物理學(xué)的教學(xué)需要培養(yǎng)學(xué)生具備實(shí)驗探究素養(yǎng)這一核心素養(yǎng).該核心素養(yǎng)包含：學(xué)生經(jīng)歷真實(shí)的實(shí)驗探究過程，能使用常見的物理實(shí)驗儀器，獨(dú)立完成物理實(shí)驗的能力；能運(yùn)用所學(xué)知識設(shè)計相關(guān)實(shí)驗；能主動將自己的想法與同伴交流，堅持正確的觀點(diǎn)，積極修正錯誤想法，擁有團(tuán)隊精神；積極關(guān)注國內(nèi)外科技發(fā)展，有創(chuàng)新思想，能結(jié)合數(shù)字實(shí)驗，物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計；具有創(chuàng)造性思維和嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)態(tài)度等[1]。

提升高中生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)，就是要讓學(xué)生通過物理學(xué)習(xí)，掌握研究物理最主要的方法和思維，并形成帶有物理學(xué)科特點(diǎn)的品質(zhì)和關(guān)鍵的能力，中學(xué)物理實(shí)驗教學(xué)可以培養(yǎng)學(xué)生對周圍事物的觀察力、實(shí)驗儀器的操作能力和實(shí)驗數(shù)據(jù)的分析處理能力等。基于學(xué)生物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，筆者從以下幾個方面對高中物理實(shí)驗課程進(jìn)行拓展，提升學(xué)生的實(shí)驗研究能力。

1 設(shè)計趣味實(shí)驗， 體驗科學(xué)思維

興趣是最好的老師。實(shí)驗趣味性不僅僅只是為了吸引學(xué)生的眼球，更重要的是要能引發(fā)學(xué)生的深刻思考和激發(fā)學(xué)生的求知欲望，喚起學(xué)生的創(chuàng)新意識。只有在學(xué)生對實(shí)驗充滿熱情和探求欲時，實(shí)驗教學(xué)才能達(dá)到理想的效果，才能通過實(shí)驗達(dá)成對學(xué)生物理核心素養(yǎng)培養(yǎng)。所以教師在教學(xué)中要能根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和要求，根據(jù)學(xué)生已有的知識和體驗，巧妙設(shè)計出有親切感的有趣實(shí)驗。設(shè)計出的趣味性實(shí)驗不能僅停留有新奇感，更應(yīng)該要能與教學(xué)內(nèi)容相結(jié)合，能夠讓學(xué)生體驗科學(xué)思維素養(yǎng)，激發(fā)學(xué)生的探究激情。在上《牛頓第三定律》這節(jié)課時，可以用圖1所示的趣味實(shí)驗，讓學(xué)生動手體驗氣球直升機(jī)，并觀察氣球直升機(jī)的構(gòu)造，分析其飛行原理，尋找該氣球直升機(jī)中有幾處用到作用力和反作用力的關(guān)系。這樣不僅提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理興趣，而且能更好掌握作用力和反作用力的關(guān)系。有趣的物理現(xiàn)象有助于學(xué)生通過具體現(xiàn)象建立初步物理概念，促進(jìn)他們盡快的建立起準(zhǔn)確的概念和認(rèn)識規(guī)律，完成從感性認(rèn)識到理性認(rèn)識的飛躍。通過對物理現(xiàn)象剖析和本質(zhì)的探求，向?qū)W生展示其中所含科學(xué)思想和科學(xué)方法，提高學(xué)生對物理本質(zhì)及研究方法的認(rèn)識，培養(yǎng)了學(xué)生研究物理問題的能力，提高了他們的科學(xué)素養(yǎng)。

2 巧用物理實(shí)驗構(gòu)建中學(xué)物理觀念

物理觀念是從物理學(xué)視角出發(fā)對物質(zhì)、運(yùn)動與相互作用、能量等客觀物理現(xiàn)象和過程形成的基本認(rèn)識，是物理概念和規(guī)律等在頭腦中的提煉和升華，包括物質(zhì)觀念、運(yùn)動觀念、相互作用觀念、能量觀念及其應(yīng)用等要素[2]。新的課程標(biāo)準(zhǔn)要求教師要有新的教學(xué)理念，轉(zhuǎn)變原有教學(xué)觀念，教師的角色應(yīng)定位在學(xué)生知識體系構(gòu)建的促進(jìn)者和引導(dǎo)者，教師的教學(xué)核心應(yīng)該是通過巧妙的教學(xué)設(shè)計，能夠最大限度地發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性。所以在中學(xué)物理教學(xué)中，教師對實(shí)驗設(shè)計的立足點(diǎn)應(yīng)該是讓學(xué)生通過實(shí)驗探究能構(gòu)建起物理的核心概念，幫助學(xué)生將抽象的物理概念變成具體形象實(shí)驗或模型?！痘瑒幽Σ亮Α愤@節(jié)課，在構(gòu)建對滑動摩擦力概念的完整認(rèn)識時，學(xué)生最難理解的就是滑動摩擦力的方向。在探究滑動摩擦力方向和物體的相對運(yùn)動方向相反時，我們設(shè)計了這樣分組實(shí)驗。讓每個學(xué)生拿著一把毛刷，讓它在毛巾墊上運(yùn)動。由于跟毛巾接觸的刷毛末端受到的滑動摩擦力，刷毛發(fā)生彎曲。因此可以根據(jù)刷毛的彎曲方向，來探究判斷滑動摩擦力的方向。我們可以設(shè)計一個表格（見表1）：

可以看到，刷子相對于毛巾墊向左運(yùn)動受到的滑動摩擦力向右，相對于毛巾墊向右運(yùn)動，受到的滑動摩擦力向左，因而探究出滑動摩擦力方向和物體的相對運(yùn)動方向相反。

物理概念和物理規(guī)律是建立物理學(xué)大廈的基石。中學(xué)物理教師應(yīng)該清醒地認(rèn)識這一點(diǎn)，要善于利用物理實(shí)驗夯實(shí)核心概念，掌握物理的分析方法，提高學(xué)生的思辨能力，讓學(xué)生在對物理核心概念進(jìn)行理解和升華中，體驗物理學(xué)特有的研究思想，培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生物理學(xué)科的核心素養(yǎng)。在物理教與學(xué)的過程中，物理概念的學(xué)習(xí)相對比較枯燥乏味，而適當(dāng)?shù)膶?shí)驗可以讓學(xué)生在探究中找到樂趣，更好的理解物理概念。教師如果能夠利用能引發(fā)學(xué)生思考的物理實(shí)驗，采取有效的措施強(qiáng)化學(xué)生對物理基礎(chǔ)概念的學(xué)習(xí)，就能糾正學(xué)生在物理學(xué)習(xí)中的偏差，促使學(xué)生深入理解物理基礎(chǔ)概念。

3 利用探究性物理實(shí)驗，提高學(xué)生的科學(xué)思維

新課程物理學(xué)科提出的培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)包含有“科學(xué)思維”，其具體內(nèi)容包含有“模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新”[3]。在探究性物理實(shí)驗中，我們能讓學(xué)生比較全面的經(jīng)歷和體會這些過程。探究性實(shí)驗本身就要針對觀察到的現(xiàn)象提出問題，形成猜想和假設(shè)，通過建立模型和設(shè)計并操作實(shí)驗，獲得數(shù)據(jù)并結(jié)合適當(dāng)?shù)睦碚摲治龅贸龌谧C據(jù)的結(jié)論。在這一過程中學(xué)生也要經(jīng)歷交流、反思的過程，來進(jìn)一步提高實(shí)驗和理論水平。這對培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)有極大的作用。

在上《向心力》這節(jié)課時，探究向心力的大小跟哪些因素有關(guān)時，可以設(shè)計了三個實(shí)驗：

實(shí)驗1： 在一根細(xì)繩的一端拴一個橡皮塞或其他小物體，掄動細(xì)繩，使小物體做圓周運(yùn)動（如圖2）。引導(dǎo)學(xué)生的猜想：向心力跟物體質(zhì)量m、半徑r、角速度ω有關(guān)。

實(shí)驗2：進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生猜想向心力與m、r、ω的定性關(guān)系。學(xué)生根據(jù)感受可能猜想向心力與質(zhì)量m成正比，與半徑r成正比，與角速度ω成正比。

（1）介紹圖3向心力演示器實(shí)驗構(gòu)造

（2）實(shí)驗方法：控制變量法

（3）實(shí)驗過程

①質(zhì)量不同的鋼球和鋁球，控制它們運(yùn)動的半徑r和角速度ω相同，比較向心力的大小

②兩個質(zhì)量相同的小球，保持運(yùn)動半徑相同，探究出向心力與角速度之間的關(guān)系

③兩個質(zhì)量相同的小球，保持小球運(yùn)動的角速度相同，選擇不同的半徑r，比較向心力的大小。

綜合上述實(shí)驗結(jié)果可知：物體做勻速圓周運(yùn)動需要的向心力與物體的質(zhì)量成正比，與半徑成正比，與角速度的二次方成正比[4]。

實(shí)驗3： 借助DIS數(shù)字化傳感器向心力演示器進(jìn)行實(shí)驗，將光電門傳感器和力傳感器分別接入數(shù)據(jù)采集器，按實(shí)驗裝置圖4把兩個傳感器固定在向心力實(shí)驗器上，在電腦上記錄F與ω數(shù)據(jù)如圖5，借助電腦軟件描繪F 與ω2關(guān)系的圖像，選取X軸為“ω2”，Y軸為“F ”，發(fā)現(xiàn)是線性關(guān)系如圖6，通過實(shí)驗的圖像逐一探索改變向心力的因素，從而驗證向心力公式，更有力地說明實(shí)驗的科學(xué)性和重要性。

利用DIS實(shí)驗進(jìn)行的探究性實(shí)驗教學(xué)，是目前及未來一定時間內(nèi)發(fā)展的趨勢。它有利于學(xué)生提高探究的效率，解決一些傳統(tǒng)方法無法解決的問題，并將學(xué)生的注意力集中在知識的建構(gòu)上，有利于學(xué)生鞏固和利用所學(xué)的物理知識解決新問題，有利于學(xué)生進(jìn)行探究和創(chuàng)新.

當(dāng)前還有一些物理教師在教學(xué)還是采用傳統(tǒng)的灌輸式的教學(xué)方法，只是將實(shí)驗設(shè)計、原理和方法直接灌輸給學(xué)生，而不是采用啟發(fā)式、引導(dǎo)式和探究式等教學(xué)方法.不少學(xué)校購買了數(shù)字化實(shí)驗設(shè)備，但利用這些設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗的不多.要善于利用數(shù)字物理實(shí)驗室，提高學(xué)生的興趣和體驗精確的實(shí)驗和數(shù)據(jù)處理對物理的重要性，在條件允許時更應(yīng)該讓學(xué)生接觸探究型的實(shí)驗設(shè)計。要讓學(xué)生的不斷的接觸實(shí)際操作機(jī)會，只有讓經(jīng)歷過實(shí)際的實(shí)驗操作，學(xué)生的實(shí)驗?zāi)芰Σ拍艿玫秸鎸?shí)的提高，學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)才能得到提高。隨著新課程改革更多的實(shí)驗物理的成果不斷推出，學(xué)生的學(xué)習(xí)方式也會不斷改善。新一輪課程改革是圍繞著提高學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)展開的，我們應(yīng)該轉(zhuǎn)變觀念，適應(yīng)新課程的需要，發(fā)揮物理的實(shí)驗教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維不可替代的作用，讓物理實(shí)驗 可有趣、有用，促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展。只要我們深入研究，不斷探索物理實(shí)驗教學(xué)方法，做到因內(nèi)容制宜、因?qū)W生制宜，就能為提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)做出貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]張平昭.基于物理核心素養(yǎng)拓展物理實(shí)驗課程[J].物理教師，2016（11）：35-37.

[2]陳小平.創(chuàng)新實(shí)驗設(shè)計，培養(yǎng)高中生的物理核心素養(yǎng)[J].課程教學(xué)研究，2016（10）：69-73.

[3]中華人民共和國教育部.高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)[M].北京：人民教育出版社，2017.

[4]司南中學(xué)物理教材編寫組.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗教科書物理（必修2）[M].濟(jì)南：山東科學(xué)技術(shù)出版社，2005.