核心素養(yǎng)下的高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐

王鵬

摘 要：當(dāng)前，新課程理念已經(jīng)深入人心，核心素養(yǎng)既是個(gè)人發(fā)展的需要，更是社會(huì)發(fā)展的必需品，因此，在日常的教學(xué)過程中如何培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)是一個(gè)不可回避的問題。高中物理是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，高中物理實(shí)驗(yàn)是教學(xué)中的一個(gè)重要的、不可或缺的環(huán)節(jié)，而高中由于教學(xué)任務(wù)的緊張，往往造成實(shí)驗(yàn)只是走馬觀花，甚至有時(shí)候還是老師講得比較多，真正讓學(xué)生做的比較少，能真正從實(shí)驗(yàn)中得出結(jié)論的學(xué)生少之又少，更談不上什么實(shí)驗(yàn)拓展。近幾年來，利用課外時(shí)間，經(jīng)常帶學(xué)生開展一些考綱以外的實(shí)驗(yàn)，其目的是增強(qiáng)學(xué)生對物理的興趣，同時(shí)對學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力大有提高，對培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維有著不可替代的作用。結(jié)合開展的實(shí)驗(yàn)拓展研究的案例，談?wù)務(wù)n外實(shí)驗(yàn)拓展與培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)之間是如何無縫對接的。

關(guān)鍵詞：物理；實(shí)驗(yàn)拓展；核心素養(yǎng)

一、實(shí)驗(yàn)拓展與核心素養(yǎng)

學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)主要指學(xué)生應(yīng)具備的，能夠適應(yīng)終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力。研究學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)是落實(shí)立德樹人根本任務(wù)的一項(xiàng)重要舉措，也是適應(yīng)世界教育改革發(fā)展趨勢、提升我國教育國際競爭力的迫切需要

筆者平時(shí)開展的實(shí)驗(yàn)拓展一般都是從學(xué)習(xí)中遇到的問題入手，以科學(xué)的方式對問題進(jìn)行研究，主動(dòng)地解決問題，獲取知識(shí)。這是一種主動(dòng)探究的學(xué)習(xí)方式，要求在開放的學(xué)習(xí)環(huán)境中遵循客觀認(rèn)知規(guī)律，在原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對所確立的研究性問題進(jìn)行分析研究，結(jié)合科學(xué)研究方法對提出的問題抽絲剝繭，設(shè)計(jì)出合理的解決方案，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)及材料數(shù)據(jù)的收集，對資料信息進(jìn)行加工、處理，最終創(chuàng)造性地解決問題。

認(rèn)知主義的代表人物奧蘇貝爾提出了接受學(xué)習(xí)和發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)，而后者對于學(xué)習(xí)者主動(dòng)性的關(guān)注，對于學(xué)習(xí)過程中所培養(yǎng)的科學(xué)精神以及實(shí)踐創(chuàng)新能力是一般課堂上難以達(dá)到的效果。

物理核心素養(yǎng)強(qiáng)調(diào)物理觀念、科學(xué)思維、實(shí)驗(yàn)探究等，而實(shí)驗(yàn)正是培養(yǎng)學(xué)生這些與核心素養(yǎng)息息相關(guān)的特質(zhì)，對于所研究開展的拓展性實(shí)驗(yàn)，都是從學(xué)生在學(xué)習(xí)和生活中遇到的問題出發(fā)，設(shè)計(jì)方案，實(shí)踐探究，從而獲得結(jié)論的過程。筆者認(rèn)為，應(yīng)將拓展性的思維方式滲透于日常的教學(xué)過程中，使學(xué)生在探究中逐漸找到適合自己的學(xué)習(xí)方法，同時(shí)培養(yǎng)其科學(xué)精神，在處理具體的問題中具備實(shí)踐創(chuàng)新能力、終生學(xué)習(xí)的能力。

二、拓展實(shí)驗(yàn)實(shí)踐研究

1.問題的提出

（1）問題生活化

“電源電動(dòng)勢”這一節(jié)內(nèi)容非常抽象，學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中都說理解難度很大，即使對書本所闡述的內(nèi)容能理解，也總感覺意猶未盡，一知半解，導(dǎo)致解決問題時(shí)總是模糊不清，給學(xué)生的感覺就是電源離我們生活很近，但電動(dòng)勢好像離我們很遠(yuǎn)，只是在無條件地接受這方面的知識(shí)，卻缺乏了體驗(yàn)與感受。

（2）問題情景化

后來在做學(xué)生實(shí)驗(yàn)“測量干電池電動(dòng)勢”的時(shí)候，有學(xué)生發(fā)現(xiàn)說是1.5V的干電池，但測量結(jié)果有些大于1.5V，有些小于1.5V，我跟學(xué)生說舊電池電動(dòng)勢會(huì)有所減小，學(xué)生卻繼續(xù)問我為什么？

又有學(xué)生問，他在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)舊的干電池用伏特表去測量其電動(dòng)勢仍然可達(dá)到1.3V左右，1.3V與1.5V相差不大，但為什么已經(jīng)不能使小燈泡發(fā)光或發(fā)光很暗呢？我跟學(xué)生說舊電池的內(nèi)阻會(huì)明顯增大，使路端電壓明顯變小，所以小燈泡不能發(fā)光。沒想到學(xué)生又問，那怎么解釋舊電池長時(shí)間不用，然后再接到電路中時(shí)，會(huì)使小燈泡有短暫的發(fā)光，然后又迅速暗下去呢？

（3）體現(xiàn)科學(xué)素養(yǎng)

好多學(xué)生似乎已經(jīng)不滿足書本上的那點(diǎn)內(nèi)容了，還要我給他們講講干電池的工作原理，想知道干電池是如何把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的。學(xué)生想通過了解干電池的工作原理，了解非靜電力，來解決這一系列疑惑。在一個(gè)個(gè)的問題面前，我意識(shí)到不能再做單項(xiàng)的知識(shí)傳輸工作，要帶著他們?nèi)ヌ剿?，在?shí)踐過程中去解決問題，培養(yǎng)其科學(xué)精神。

2.設(shè)計(jì)方案

面對這些問題，學(xué)生準(zhǔn)備自己組團(tuán)，自己去查閱相關(guān)資料，用實(shí)驗(yàn)去回答自己的一個(gè)個(gè)困惑，學(xué)生很快組成了六人研究小組，確定了組長，接著進(jìn)行前期準(zhǔn)備工作：（1）學(xué)習(xí)必要的物理、化學(xué)知識(shí)；（2）準(zhǔn)備必要的實(shí)驗(yàn)材料及儀器設(shè)備；（3）練習(xí)必要的實(shí)驗(yàn)操作技能；（4）初步設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。

學(xué)生預(yù)計(jì)的成果：得出重要結(jié)論、撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告、制作視頻素材對外交流。

3.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)踐

初次實(shí)驗(yàn)，學(xué)生讓一節(jié)新的干電池保持0.2A左右的電流持續(xù)放電，每隔半個(gè)小時(shí)左右測量一次電動(dòng)勢和內(nèi)阻，經(jīng)過10小時(shí)左右的放電，電動(dòng)勢由1.52V降低到0.96V，內(nèi)阻由0.96歐上升到1.81歐。

該電池放置一天再測電動(dòng)勢恢復(fù)到1.32V，回升非常明顯，內(nèi)阻為1.70歐，無明顯變化。

有了初步的發(fā)現(xiàn)之后，學(xué)生再次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：分五天進(jìn)行，預(yù)計(jì)每天持續(xù)放電8小時(shí)左右，放電電流0.2A～0.4A，隔一段時(shí)間測一次電動(dòng)勢內(nèi)阻。實(shí)際上電池越舊，持續(xù)使用時(shí)電動(dòng)勢降低越快，到第五天每隔10分鐘測量一次，放電電流減為0.15A左右。

在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的過程中，培養(yǎng)了學(xué)生的多元化思維，在實(shí)踐中創(chuàng)新，同時(shí)學(xué)生的動(dòng)手能力得到了鍛煉。這些都是中學(xué)物理核心素養(yǎng)中不可或缺的因素。

學(xué)生查閱了許多相關(guān)資料，再到化學(xué)老師處了解干電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)情況，這樣將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)情況分析結(jié)合電場電流知識(shí)、化學(xué)反應(yīng)知識(shí)等，他們大膽地推理解釋了學(xué)習(xí)生活中出現(xiàn)的那些現(xiàn)象。

4.實(shí)驗(yàn)結(jié)論——現(xiàn)象解釋

電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。電池內(nèi)部的物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，通過非靜電力做功，把正負(fù)電荷搬運(yùn)到電池的兩極，分別積累正負(fù)電荷，從而在兩極極間形成電勢差。對于沒有接入電路的新電池，電源內(nèi)部非靜電力與電場力處于平衡的狀態(tài)，內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)不再進(jìn)行，處于暫停狀態(tài)。

電池接入電路開始放電，兩極積累的電荷量減少，此時(shí)非靜電力大于電場力，化學(xué)反應(yīng)開始，若放電電流較大，就會(huì)出現(xiàn)極板上釋放電荷的速度比聚集電荷的速度快，這樣極板所積累的電荷量將逐漸減小，電源兩極間的最大電壓減小。我們所測得的“電動(dòng)勢”實(shí)際上就是開路時(shí)的路端電壓，因此從這層意義上講，“電動(dòng)勢”減小了。此時(shí)若將電池停止使用，化學(xué)反應(yīng)會(huì)繼續(xù)，兩極板積累的電荷量會(huì)逐漸增大，一直到電場力與非靜電力平衡時(shí)才結(jié)束反應(yīng)，這就是放置一段時(shí)間后，“電動(dòng)勢”又會(huì)回升的原因。其實(shí)，只要將放電電流減小，使非靜電力做功積累電荷的速度比極板放電速度快，“電動(dòng)勢”也會(huì)回升。當(dāng)然我們?nèi)绻婚_始就以較小的電流放電，“電動(dòng)勢”短時(shí)間內(nèi)是不會(huì)降低的。

其實(shí)，電動(dòng)勢最準(zhǔn)確的定義是“單位正電荷在電源內(nèi)部從負(fù)極移送到正極時(shí)，非靜電力所做的功”。從這個(gè)角度講，電源內(nèi)部非靜電力與電場力平衡是電源兩極間的開路電壓在數(shù)值上等于電源電動(dòng)勢的條件。若電源持續(xù)以較大的電流放電，內(nèi)部非靜電力與電場力已經(jīng)不平衡了，此時(shí)我們測得的開路電壓已經(jīng)不等于真正意義上的電動(dòng)勢了。要等電源放置一段時(shí)間，等兩極電荷聚集，電場力與非靜電力重新平衡時(shí)，測得的開路電壓才是電動(dòng)勢。

從電動(dòng)勢確切定義的角度看，干電池的電動(dòng)勢與電池新舊程度有關(guān)，越舊的電池，電動(dòng)勢越小，原因是干電池隨著使用時(shí)間的增長，化學(xué)物質(zhì)的消耗，離子濃度降低，導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)量減少和反應(yīng)速度減慢，電池將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的能力降低了，即非靜電力減小了，平衡時(shí)的電場力當(dāng)然也會(huì)減小，所以我們測得的舊電池電動(dòng)勢要比新電池低。

舊電池長時(shí)間放置再使用能使小燈炮短時(shí)間內(nèi)發(fā)亮，然后很快就暗下去了，其原因并不是內(nèi)阻太大。若是內(nèi)阻太大，就不會(huì)有初始的發(fā)亮現(xiàn)象了，根本原因是電池舊了，通過化學(xué)反應(yīng)使兩極板聚集電荷的速度更慢了，比放電速度小得多了。這樣在很短的時(shí)間內(nèi)，兩極積累的電荷迅速減少，兩極間的電壓迅速減小，放電電流也隨之迅速減小，最終會(huì)達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的結(jié)果，放電速度與化學(xué)反應(yīng)聚集電荷速度一樣，越舊的電池動(dòng)態(tài)平衡放電電流越小。一節(jié)新的干電池平衡放電電流可以達(dá)到1A左右，但不能維持很長時(shí)間，若一直放電下去的話，電流越來越小。

雖然電池的電動(dòng)勢和內(nèi)電阻的值在變化，但對于用電時(shí)間不長，在放電電流不大的情況下，多次測量的電動(dòng)勢和內(nèi)電阻變化不大，可以認(rèn)為其電動(dòng)勢和內(nèi)電阻是不變的。但在用電時(shí)間很長或者短時(shí)間較大電流放電的情況下，電動(dòng)勢就不能認(rèn)為不變了。其中，短時(shí)間較大電流放電引起的電動(dòng)勢降低指的是兩極間的開路電壓減小，不是真正意義上的電動(dòng)勢減小，而長時(shí)間小電流放電最終導(dǎo)致的是真正意義上的電動(dòng)勢減小。

后來我們利用傳感器再次設(shè)計(jì)了兩項(xiàng)測試，進(jìn)一步證實(shí)了我們的猜測的合理性。

三、筆者感悟

1.拓展性實(shí)驗(yàn)直接指向核心素養(yǎng)

課外實(shí)驗(yàn)拓展探究是針對學(xué)習(xí)中遇到的問題而開展的，在實(shí)踐過程中體現(xiàn)了“創(chuàng)新”，實(shí)驗(yàn)探究中學(xué)會(huì)了多種處理問題的方法，培養(yǎng)了科學(xué)思維，在知識(shí)的獲取過程中體會(huì)到“終身學(xué)習(xí)”的重要性；在整個(gè)實(shí)踐過程中又使學(xué)習(xí)者的“科學(xué)精神”得到培養(yǎng)與完善。

以筆者指導(dǎo)的這次實(shí)驗(yàn)拓展為例：

學(xué)生在整個(gè)科學(xué)探究過程中體現(xiàn)了從日常觀察到設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)研究，從“實(shí)踐”出發(fā)進(jìn)行猜測推理，不斷創(chuàng)新，如對閉合電路歐姆定律、電動(dòng)勢、非靜電力等恒定電流中的概念有了更深入的掌握，對干電池的工作原理有了較深入的了解，尤其是平時(shí)遇到的那些疑問都得到了解決。

在整個(gè)實(shí)踐過程中又使學(xué)生的科學(xué)思維得到培養(yǎng)與完善，是發(fā)展核心素養(yǎng)的有力武器。長期以來我們在物理教學(xué)中過分依賴“接受式學(xué)習(xí)”，把接受式學(xué)習(xí)置于中心地位，從而造成學(xué)習(xí)者創(chuàng)造力不足的弊端。課外拓展實(shí)驗(yàn)在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維、實(shí)驗(yàn)探究等方面都有其獨(dú)特的優(yōu)勢，對發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)有著不可替代的價(jià)值。

2.學(xué)習(xí)能力得到真正培養(yǎng)

筆者發(fā)現(xiàn)課外實(shí)驗(yàn)拓展并沒有因?yàn)檎加昧藭r(shí)間而使學(xué)生物理成績下降，反而使成績明顯提高了，連高考都取得了不錯(cuò)的成績。原因何在？

筆者認(rèn)為一方面是課外實(shí)驗(yàn)拓展使學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣大大提高，變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)，并且使學(xué)生的學(xué)習(xí)方式方法不斷完善，多渠道獲得知識(shí)的學(xué)習(xí)能力不斷增強(qiáng)，這些都能反作用于學(xué)生的日常課堂學(xué)習(xí)，使學(xué)生更有效地學(xué)習(xí)，考試成績自然也就能得到很好的提升。

另一方面是實(shí)驗(yàn)拓展過程中所培養(yǎng)的科學(xué)思維、探究精神是學(xué)生終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力。這些能力在當(dāng)前的考題前體現(xiàn)出了強(qiáng)大優(yōu)勢。

3.利用物理實(shí)驗(yàn)獨(dú)特的魅力服務(wù)物理教學(xué)

人的思維能力是智慧的象征，單純的知識(shí)堆積無法形成智慧，而在平時(shí)的實(shí)驗(yàn)中由于時(shí)間的關(guān)系往往難以發(fā)揮實(shí)驗(yàn)的真正作用，從學(xué)生長遠(yuǎn)利益、終身發(fā)展的角度來說，作為一線的老師，直接面對的是教學(xué)主題，在日常教學(xué)中需要教給學(xué)生的是什么，為什么教，是教給學(xué)生知識(shí)本身，還是那些知識(shí)背后的那點(diǎn)東西，值得每位老師去深思。筆者這幾年一直堅(jiān)持帶學(xué)生做實(shí)驗(yàn)拓展，參與的學(xué)生不僅對物理的學(xué)習(xí)有了很大的興趣，在新高考中也都能取得比較理想的成績，學(xué)生從實(shí)驗(yàn)拓展探究過程中所獲得的那些能力也真正是當(dāng)今社會(huì)發(fā)展中所需要的必備品格。

四、結(jié)束語

時(shí)代在發(fā)展，理念在更新，我們強(qiáng)烈呼吁戰(zhàn)斗在教學(xué)第一線的廣大物理教育工作者，將真正能發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的物理實(shí)驗(yàn)開展好，用它服務(wù)我們的高中物理教學(xué)，使我們的教學(xué)理念、教學(xué)模式、教學(xué)效果都更上一層樓。