基于核心素養(yǎng)的高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)

北京市育英中學(xué) 張 宇

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》指出：物理學(xué)基于觀察與實(shí)驗(yàn)，建構(gòu)物理模型，應(yīng)用數(shù)學(xué)等工具，通過科學(xué)推理和論證，形成系統(tǒng)的研究方法和理論體系。從體現(xiàn)和落實(shí)培養(yǎng)學(xué)科核心素養(yǎng)這一物理課程基本理念和課程目標(biāo)來看，對(duì)物理實(shí)驗(yàn)的教育教學(xué)功能進(jìn)行重新審視是非常必要的，從提升學(xué)生物理核心素養(yǎng)的角度重新認(rèn)識(shí)物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)價(jià)值是擺在每一位物理教師面前的問題。

物理學(xué)科核心素養(yǎng)主要包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四個(gè)方面。物理教學(xué)如果僅以知識(shí)為線索展開，容易導(dǎo)致教學(xué)設(shè)計(jì)聚焦于知識(shí)，僅僅專注于學(xué)生獲得知識(shí)，而忽視物理課程對(duì)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的全面培養(yǎng)。為此，必須把物理學(xué)科核心素養(yǎng)作為物理教學(xué)的重要目標(biāo)，將物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)落實(shí)于教學(xué)活動(dòng)中。從實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展趨勢來看，實(shí)驗(yàn)的功能已經(jīng)不僅僅是為了引出概念、驗(yàn)證規(guī)律以及提高學(xué)生的動(dòng)手能力。通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)，更重要的是讓學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)探究過程，學(xué)習(xí)科學(xué)研究方法，培養(yǎng)科學(xué)精神，增強(qiáng)創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力。

一、物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與物理觀念

物理觀念是從物理學(xué)視角形成的關(guān)于物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)與相互作用、能量等問題的基本認(rèn)識(shí)；是物理概念和規(guī)律等在頭腦中的提煉和升華；是從物理學(xué)視角解釋自然現(xiàn)象和解決實(shí)際問題的基礎(chǔ)。通過實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)情境，有助于學(xué)生形成基本的物理觀念，并用這些觀念解釋自然現(xiàn)象、解決實(shí)際問題。

例如，學(xué)習(xí)彈性碰撞，我們可以通過以下實(shí)驗(yàn)有目的地幫助學(xué)生建立“運(yùn)動(dòng)與相互作用”“能量”等基本物理觀念。

如圖1所示，有2個(gè)完全相同的小鋼球A和B，鋼球A從高度為h處由靜止釋放，在有限的幾次碰撞中，A、B兩球上升的最大高度幾乎不變，實(shí)驗(yàn)效果非常明顯。這就為學(xué)生形成機(jī)械能守恒、動(dòng)量守恒的觀點(diǎn)提供了非常直觀的感性材料，把抽象的物理觀念具體化了。

圖1

之后再讓它們繼續(xù)進(jìn)行多次碰撞，A、B兩球上升的最大高度明顯減小，讓學(xué)生思考其原因。學(xué)生思考或討論后得出：小球運(yùn)動(dòng)過程中受空氣阻力會(huì)把部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化成內(nèi)能，碰撞過程中也會(huì)有一部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。這樣學(xué)生對(duì)能量的認(rèn)識(shí)就更深刻了。

物質(zhì)可以分為實(shí)物和場，場看不見、摸不著，對(duì)學(xué)生來說非常抽象。磁現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，形象直觀，對(duì)學(xué)生形成場的概念有非常重要的作用。我們可以用下列實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生建立磁場的概念。

通過圖2所示的實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到磁體周圍存在磁場，而且空間不同位置的磁場方向不同。通過圖3所示的實(shí)驗(yàn)（奧斯特實(shí)驗(yàn)），讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到電流周圍也存在磁場。學(xué)生可以歸納出磁體和電流都可以產(chǎn)生磁場。

在此基礎(chǔ)上，可以引導(dǎo)學(xué)生從哲學(xué)的高度去認(rèn)識(shí)物質(zhì)，我們周圍所有的客觀存在都是物質(zhì)，包括像空氣、水這些實(shí)物，也包括像電場和磁場等“場”類物質(zhì)。

圖2

圖3

對(duì)于相互作用觀念，學(xué)生對(duì)相互接觸的物體間的彈力和摩擦力有充分的感性認(rèn)識(shí)，但是對(duì)沒有直接接觸的物體間的相互作用感性認(rèn)識(shí)比較少。通過磁場的學(xué)習(xí)還有助于相互作用觀念的形成與發(fā)展。

首先，讓學(xué)生再次體驗(yàn)磁極間的相互作用，如圖4所示，然后用磁場概念來解釋磁體間的作用力。對(duì)圖3所示的實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步分析：電流對(duì)磁體有力的作用，那么磁體對(duì)電流是否也有力的作用呢？可以用圖5所示的實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證我們的猜想。進(jìn)一步推理：電流是電荷定向移動(dòng)形成的，磁體對(duì)電流有力的作用，那么磁體是否對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷也有力的作用呢？為此可用圖6所示的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。綜上所述，磁場對(duì)置于其中的磁體、通電導(dǎo)線和運(yùn)動(dòng)電荷都可以產(chǎn)生力的作用。

圖4

圖5

圖6

由上述實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步分析可知，通過磁場發(fā)生的作用力可能有以下9種：磁體對(duì)磁體、磁體對(duì)電流、磁體對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷、電流對(duì)磁體、電流對(duì)電流、電流對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷、運(yùn)動(dòng)電荷對(duì)磁體、運(yùn)動(dòng)電荷對(duì)電流、運(yùn)動(dòng)電荷對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷。我們可以用圖7所示的裝置來研究平行通電直導(dǎo)線之間的相互作用，用圖8所示的實(shí)驗(yàn)裝置來研究電流產(chǎn)生的磁場對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用，等等。

圖7

圖8

二、物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與科學(xué)思維

科學(xué)思維是從物理學(xué)視角對(duì)客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識(shí)方式，主要包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素。

物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅僅是給學(xué)生提供豐富的物理事實(shí)材料，使學(xué)生更好地理解物理概念和規(guī)律，它更大的作用是通過物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)激活學(xué)生的思維，培養(yǎng)他們的創(chuàng)造能力。學(xué)生的思維品質(zhì)的飛躍往往體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，利用物理實(shí)驗(yàn)有助于學(xué)生加深對(duì)知識(shí)的理解，有利于提高學(xué)生探索問題和解決問題的能力，從而發(fā)展學(xué)生的思維。

培養(yǎng)思維能力總是從問題產(chǎn)生開始的。因此，在物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)的設(shè)疑作用，激發(fā)學(xué)生強(qiáng)烈的求知欲，調(diào)動(dòng)學(xué)生動(dòng)手、動(dòng)腦的積極性，使學(xué)生始終處于積極有效的思維狀態(tài)。例如在學(xué)生學(xué)習(xí)了靜電的基礎(chǔ)知識(shí)后，可以進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)：把金屬“易拉罐”平臥放在絕緣的水平面上，用毛皮摩擦過的橡膠棒靠近“易拉罐”，請(qǐng)學(xué)生觀察并描述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，然后用所學(xué)知識(shí)解釋現(xiàn)象。學(xué)生發(fā)現(xiàn)起初“易拉罐”朝橡膠棒滾動(dòng)，與橡膠棒接觸后，“易拉罐”又朝遠(yuǎn)離橡膠棒的方向滾動(dòng)。學(xué)生分析并解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象時(shí)，需要經(jīng)歷如下思維過程：1.“易拉罐”運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化，一定受到力的作用，這個(gè)力應(yīng)該是帶負(fù)電的橡膠棒施加的；2.“易拉罐”先是被吸引，然后被排斥，說明“易拉罐”經(jīng)歷了兩個(gè)不同的起電過程；3.起初靠近時(shí)金屬“易拉罐”發(fā)生了靜電感應(yīng)現(xiàn)象，靠近橡膠棒的部分帶正電從而相互吸引，距橡膠棒較遠(yuǎn)部分帶等量負(fù)電被排斥，吸引力大于排斥力，所以“易拉罐”朝橡膠棒滾動(dòng)；4.“易拉罐”接觸帶負(fù)電的橡膠棒后發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，“易拉罐”也帶上了負(fù)電被排斥，所以又朝遠(yuǎn)離橡膠棒的方向滾動(dòng)。

所以觀察物理現(xiàn)象不是簡單地用眼睛“看”，它是與“想”結(jié)合在一起的。會(huì)觀察，更要會(huì)思考，通過觀察、思考，才能全面、正確地認(rèn)識(shí)事物。所以教師要充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)的功能，通過實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)物理情境，提出問題，調(diào)動(dòng)學(xué)生積極思考，才能提高學(xué)生的思維能力。

三、物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與科學(xué)探究

“科學(xué)探究”主要包括問題、證據(jù)、解釋、交流等要素?？茖W(xué)探究始于提出科學(xué)問題。應(yīng)充分發(fā)掘?qū)嶒?yàn)在培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)和提出問題能力方面的潛在價(jià)值。教師可在物理實(shí)驗(yàn)中創(chuàng)設(shè)情境，讓學(xué)生在觀察和體驗(yàn)后有所發(fā)現(xiàn)、有所聯(lián)想，萌發(fā)出科學(xué)問題。還可以在實(shí)驗(yàn)中創(chuàng)設(shè)一些任務(wù)，讓學(xué)生在完成任務(wù)中運(yùn)用科學(xué)思維，自己提煉出應(yīng)探究的科學(xué)問題。

通過探究性實(shí)驗(yàn)來研究學(xué)生自己提出的、亟待解決的問題，這會(huì)極大地激發(fā)他們的好奇心，有助于培養(yǎng)科學(xué)探究能力。例如學(xué)習(xí)滑動(dòng)摩擦力時(shí)，很多學(xué)生認(rèn)為相對(duì)運(yùn)動(dòng)越快，滑動(dòng)摩擦力越大。教師應(yīng)該順勢引導(dǎo)：你們的想法看似很有道理，但這個(gè)結(jié)論正確與否，必須經(jīng)過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，請(qǐng)大家設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)?zāi)銈兊南敕?。學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)，需要解決兩個(gè)問題，一是如何測定滑動(dòng)摩擦力，二是控制變量，保持其他條件不變，只改變相對(duì)滑動(dòng)速度的大小。如圖9所示，由于上面的物塊相對(duì)地面靜止，彈簧測力計(jì)的示數(shù)等于滑動(dòng)摩擦力的大小，加掛鉤碼，使下面的小車做加速運(yùn)動(dòng)，發(fā)現(xiàn)彈簧測力計(jì)的示數(shù)保持不變。改變鉤碼數(shù)量，重復(fù)實(shí)驗(yàn)，都能得到“滑動(dòng)摩擦力的大小與相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度大小無關(guān)”這一結(jié)論。在科學(xué)發(fā)展史上，常常用到這樣的研究方法：在已有的物理理論的基礎(chǔ)上，經(jīng)過邏輯推理做出假說或預(yù)言，通過實(shí)驗(yàn)來證實(shí)或證偽。例如在學(xué)生學(xué)習(xí)了磁場對(duì)通電導(dǎo)線的作用后，可以引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行如下推理：通電導(dǎo)線受到磁場施加的安培力是由于導(dǎo)線中有電流→電流是電荷定向移動(dòng)形成的→磁場對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷應(yīng)該有力的作用。然后通過圖9或圖10所示的實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證。

圖9

圖10

四、物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與科學(xué)態(tài)度

科學(xué)態(tài)度是指在認(rèn)識(shí)科學(xué)本質(zhì)，認(rèn)識(shí)科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)、環(huán)境關(guān)系的基礎(chǔ)上，逐漸形成的探究動(dòng)力，主要包括科學(xué)本質(zhì)、科學(xué)態(tài)度、社會(huì)責(zé)任等要素。

（一）通過物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使學(xué)生正確認(rèn)識(shí)科學(xué)本質(zhì)

對(duì)科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)，是指對(duì)于科學(xué)知識(shí)、科學(xué)研究過程、科學(xué)方法、科學(xué)精神、科學(xué)的歷史、科學(xué)的價(jià)值等方面的認(rèn)識(shí)。在教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)可以在一定程度上模仿科學(xué)研究過程，讓學(xué)生主動(dòng)地探求物理規(guī)律，學(xué)習(xí)研究方法。物理實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)應(yīng)關(guān)注科學(xué)家在科學(xué)探索過程中所凝練、升華的科學(xué)思維方式和科學(xué)研究方法，讓學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)家的科學(xué)思維、研究方法及科學(xué)態(tài)度等。

（二）通過物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度

實(shí)驗(yàn)教學(xué)還能培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度、嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的工作作風(fēng)和堅(jiān)韌不拔的意志品質(zhì)，所以在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師一定要加強(qiáng)非智力因素的培養(yǎng)。要求學(xué)生明確實(shí)驗(yàn)原理，規(guī)范實(shí)驗(yàn)操作過程，如實(shí)記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，認(rèn)真處理和分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。教師要教育學(xué)生對(duì)自己的實(shí)驗(yàn)結(jié)果有信心，實(shí)事求是，不要盲目相信別人的結(jié)果，更不能隨便更改實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或抄襲別人的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)誤差過大時(shí)，要引導(dǎo)學(xué)生冷靜地分析原因，鼓勵(lì)同學(xué)之間、師生之間討論實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)的問題。從學(xué)生第一次進(jìn)實(shí)驗(yàn)室就開始嚴(yán)格要求，逐步培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。

（三）通過物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提高學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感

通過物理實(shí)驗(yàn)，可以培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)與他人合作，尊重他人，基于證據(jù)和邏輯發(fā)表自己的見解，實(shí)事求是，不迷信權(quán)威。教師要引導(dǎo)學(xué)生養(yǎng)成先做好實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)（或設(shè)計(jì)）、而后動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的良好習(xí)慣。愛護(hù)實(shí)驗(yàn)儀器，實(shí)驗(yàn)儀器的使用要嚴(yán)格遵守操作規(guī)范要求，了解實(shí)驗(yàn)儀器的作用、性能，并學(xué)習(xí)正確的使用方法是愛護(hù)實(shí)驗(yàn)儀器的基礎(chǔ)。亂動(dòng)儀器和不敢用實(shí)驗(yàn)儀器都是學(xué)生需要克服的毛病，對(duì)不熟悉的器材要認(rèn)真閱讀使用說明書，不能盲目操作。養(yǎng)成實(shí)驗(yàn)前檢查儀器零件是否丟失或儀器是否損壞的習(xí)慣，發(fā)現(xiàn)問題要及時(shí)報(bào)告；實(shí)驗(yàn)完畢要整理好實(shí)驗(yàn)器材，方便下節(jié)課使用。珍惜獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出的原始紙帶應(yīng)粘貼在實(shí)驗(yàn)報(bào)告上，不要隨手丟棄。教師應(yīng)盡可能地為學(xué)生交流創(chuàng)造機(jī)會(huì)，發(fā)展學(xué)生的表達(dá)能力，體驗(yàn)和享受合作的成果。教師應(yīng)培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)肅認(rèn)真對(duì)待實(shí)驗(yàn)的態(tài)度，尊重實(shí)驗(yàn)結(jié)果與事實(shí)，在實(shí)驗(yàn)中如實(shí)記錄、客觀對(duì)待所獲取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，杜絕編造和修改實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，遵循基本的科學(xué)倫理和道德規(guī)范。

總之，物理實(shí)驗(yàn)是高中物理教學(xué)的重要內(nèi)容，物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的重要途徑和方式。