基于核心素養(yǎng)談高中物理學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)

方學(xué)文 李成金

[摘? ?要]物理新課程標(biāo)準(zhǔn)注重發(fā)展和培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)，而物理實(shí)驗(yàn)不僅是物理教學(xué)的重要內(nèi)容，而且對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任具有重要的作用。文章基于物理核心素養(yǎng)，談?wù)劯咧形锢碚n程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）要求的學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)。

[關(guān)鍵詞]物理核心素養(yǎng);高中物理;必做實(shí)驗(yàn)

[中圖分類號(hào)]? ? G633.7? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]? ? A? ? ? ? [文章編號(hào)]? ? 1674-6058（2019）08-0054-02

物理核心素養(yǎng)是物理學(xué)科育人價(jià)值的集中體現(xiàn)，是學(xué)生在接受物理教育過程中逐步形成的適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的關(guān)鍵能力和必備品格，是學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要組成部分，它主要由“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)方面的要素構(gòu)成[1]。

普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2003年版）將“科學(xué)探究”作為重要的學(xué)習(xí)內(nèi)容和教學(xué)方式。然而，對(duì)新課程實(shí)施的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，盡管廣大教師認(rèn)同科學(xué)探究的教學(xué)理念，但科學(xué)探究的質(zhì)量不高[2]。普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）相較于2013年版，強(qiáng)化了科學(xué)實(shí)踐，并且明確規(guī)定了學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)（必修課程12個(gè)、選擇性必修課程9個(gè)，共計(jì)21個(gè)必做實(shí)驗(yàn)）。物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)。物理實(shí)驗(yàn)不僅是物理學(xué)的重要研究方法，也是物理教學(xué)的重要組成部分，在中學(xué)物理中，闡述物理現(xiàn)象、形成物理概念、建立物理規(guī)律等都以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)。因此物理實(shí)驗(yàn)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任具有重要的作用。本文基于學(xué)科核心素養(yǎng)談?wù)勂胀ǜ咧形锢碚n程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）規(guī)定的學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)必做的原因。

一、建立物理觀念，形成物質(zhì)觀念、運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念、能量觀念

物理觀念是其他物理核心素養(yǎng)的形成和發(fā)展的基礎(chǔ)，是物理概念和規(guī)律在頭腦中的提煉與升華，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)[3]。物理實(shí)驗(yàn)?zāi)軒椭鷮W(xué)生掌握物理核心概念，形成物理觀念。

[案例1]選擇性必修3中的“用油膜法估測油酸分子的大小”實(shí)驗(yàn)，利用宏觀量的測量求出微觀量的大小，根據(jù)一滴油酸酒精溶液中油酸的體積和油酸在水面形成的單分子油膜的面積，從而得到油膜的厚度來估測分子的大小。雖然把分子當(dāng)作球形處理，這是分子的簡化模型（圖1），但是通過這種估算方法能使學(xué)生理解分子模型，能對(duì)物質(zhì)的成分及分子大小的數(shù)量級(jí)有比較清晰的認(rèn)識(shí)，能對(duì)學(xué)生形成物質(zhì)觀念產(chǎn)生促進(jìn)作用。

[案例2]必修1中的“探究加速度與物體受力、質(zhì)量的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)通過控制變量法分別探究加速度與物體所受外力和加速度與物體質(zhì)量之間的關(guān)系（圖2）。實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生作出a-1/m和a-F的函數(shù)圖像，進(jìn)行分析，形成結(jié)論。通過對(duì)該實(shí)驗(yàn)的探究，學(xué)生不僅能深刻理解位移、速度、加速度等重要概念，綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析問題，進(jìn)行推測，而且能理解力是物體之間的相互作用和運(yùn)動(dòng)與相互作用的關(guān)系，認(rèn)識(shí)機(jī)械運(yùn)動(dòng)與力的關(guān)系是整合運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念的基礎(chǔ)。

[案例3]必修2中的“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)研究自由下落過程中動(dòng)能與勢能的變化，[mgh=12mv2]，從而驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。通過該實(shí)驗(yàn)，學(xué)生知道在只有重力或彈力做功的物體系中，動(dòng)能和勢能相互轉(zhuǎn)化過程中總量保持不變，即機(jī)械能守恒;能認(rèn)識(shí)到能量是整個(gè)物理學(xué)的基本概念和建立能量觀念，使學(xué)生對(duì)物理學(xué)中能量相關(guān)概念和規(guī)律有概括性認(rèn)識(shí)。學(xué)生能通過這些必做實(shí)驗(yàn)建立系統(tǒng)的物理觀念，能從物理學(xué)的視角正確描述和解釋自然現(xiàn)象，能應(yīng)用所學(xué)物理知識(shí)解決實(shí)際問題。

二、鍛煉科學(xué)思維，包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新

科學(xué)思維是基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)建構(gòu)理想模型的抽象概括過程;是分析綜合、推理論證等方法在科學(xué)領(lǐng)域的具體應(yīng)用;是基于事實(shí)證據(jù)和科學(xué)推理對(duì)不同觀點(diǎn)和結(jié)論質(zhì)疑、批判，進(jìn)而提出創(chuàng)造性見解的能力與品格[3]。很多物理實(shí)驗(yàn)需要基于事實(shí)突出問題的主要方面，忽略次要因素，建立理想的物理模型，并且基于事實(shí)進(jìn)行分析綜合、推理論證。

[案例4]如必修3中的“探究平拋運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)”實(shí)驗(yàn)，此實(shí)驗(yàn)將曲線運(yùn)動(dòng)分解為直線運(yùn)動(dòng)，即與平拋運(yùn)動(dòng)的初速度相同的水平勻速直線運(yùn)動(dòng)，并和平拋運(yùn)動(dòng)的水平分運(yùn)動(dòng)對(duì)比，將發(fā)生的自由落體運(yùn)動(dòng)和平拋運(yùn)動(dòng)的豎直方向的分運(yùn)動(dòng)對(duì)比，由力的獨(dú)立作用原理推測平拋運(yùn)動(dòng)的物體在不同方向上的運(yùn)動(dòng)情況，概括出平拋運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)。學(xué)生不僅經(jīng)歷了“對(duì)比—概括—抽象”的過程，建立起了平拋運(yùn)動(dòng)的模型，而且學(xué)生經(jīng)歷把一個(gè)整體的事物分解為幾個(gè)要素研究，以及把問題的幾個(gè)要素結(jié)合成一個(gè)整體進(jìn)行綜合認(rèn)識(shí)的思維過程，提高了學(xué)生的分析綜合能力。而在探究平拋運(yùn)動(dòng)的過程中，不僅僅是只有教材的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)才能探究此運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，學(xué)生在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)會(huì)有不同的問題，也有很多新想法，他們會(huì)質(zhì)疑，甚至提出平拋運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，如通過噴水法和頻閃照相法也可以探究平拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律，這培養(yǎng)了學(xué)生的質(zhì)疑能力和創(chuàng)新能力。通過此必做實(shí)驗(yàn)?zāi)芘囵B(yǎng)學(xué)生將實(shí)際問題轉(zhuǎn)換成物理模型的能力、培養(yǎng)學(xué)生對(duì)綜合性物理問題的分析推理能力和創(chuàng)造性解決物理問題的能力。

三、培養(yǎng)科學(xué)探究能力

科學(xué)探究是指提出物理問題、形成猜想和假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與制定方案、獲取和處理信息、基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋，以及對(duì)科學(xué)探究過程和結(jié)果進(jìn)行交流、評(píng)估、反思的能力[3]。在高中物理課程中，科學(xué)探究更關(guān)注的是物理實(shí)驗(yàn)。通過物理實(shí)驗(yàn)提高學(xué)生制訂計(jì)劃的能力。學(xué)會(huì)從原理、器材、信息技術(shù)、信息處理方法等方面來構(gòu)思探究計(jì)劃，學(xué)會(huì)通過查詢相關(guān)的資料來完善探究計(jì)劃。通過物理實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生體會(huì)科學(xué)研究中相互合作的必要性。

[案例5]選擇性必修2中的“探究影響感應(yīng)電流方向的因素”實(shí)驗(yàn)，此實(shí)驗(yàn)涉及很多物理量，但是如何形成有效的猜想，可以引導(dǎo)學(xué)生嘗試從電流的各種效應(yīng)入手猜想，包括熱效應(yīng)、磁效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng)。稍加分析可知，學(xué)生可能從電流的磁效應(yīng)入手，即假設(shè)感應(yīng)電流的方向和感應(yīng)電流的磁場方向有關(guān)系。接著由前面的探究感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件是通過穿過閉合電路的磁通量的變化來研究的，所以學(xué)生又會(huì)從原磁場和感應(yīng)電流磁場的磁通量的變化之間有無關(guān)系來研究。接下來探究感應(yīng)磁場的方向和穿過線圈的磁通量的變化關(guān)系和感應(yīng)磁場的方向與原磁場方向的關(guān)系，綜合歸納得出“增反減同”的結(jié)果，最終得到楞次定律[3]。通過該實(shí)驗(yàn)，能提高學(xué)生做出有依據(jù)的假設(shè)、制訂計(jì)劃的能力，讓學(xué)生學(xué)會(huì)把探究課題分解為幾個(gè)相對(duì)獨(dú)立的小問題，根據(jù)現(xiàn)有條件選擇適當(dāng)方法構(gòu)思探究計(jì)劃;讓學(xué)生學(xué)會(huì)依照事實(shí)和證據(jù)，運(yùn)用邏輯推理確定物理量之間的關(guān)系;讓學(xué)生學(xué)會(huì)交流探究方案的設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)收集和整理、結(jié)論的得出與解釋。

四、培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度和科學(xué)責(zé)任

科學(xué)態(tài)度與責(zé)任是指在認(rèn)識(shí)科學(xué)本質(zhì)，理解科學(xué)·技術(shù)·社會(huì)·環(huán)境關(guān)系的基礎(chǔ)上，逐漸形成嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真、實(shí)事求是和持之以恒的科學(xué)態(tài)度，以及遵守道德規(guī)范，保護(hù)環(huán)境并推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展的責(zé)任感[3]。學(xué)生做任何實(shí)驗(yàn)都必須實(shí)事求是，不可捏造和偽造數(shù)據(jù)，能基于證據(jù)和邏輯發(fā)表自己的見解，所以學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)不僅能提高學(xué)生科學(xué)探究能力，而且可以培養(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)，從而使學(xué)生勇于承擔(dān)科學(xué)責(zé)任。

五、結(jié)束語

這21個(gè)學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)，有些綜合地體現(xiàn)了物理核心素養(yǎng)的四個(gè)方面，如通過必修3中的“探究平拋運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)”實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生經(jīng)歷平拋運(yùn)動(dòng)的概念和規(guī)律的學(xué)習(xí)過程，掌握物理觀念;讓學(xué)生通過“化曲為直”的方法，制定與平拋運(yùn)動(dòng)相聯(lián)系的勻速運(yùn)動(dòng)和自由落體運(yùn)動(dòng)比較的科學(xué)探究方案，獲得并分析數(shù)據(jù)，培養(yǎng)科學(xué)探究能力;讓學(xué)生將實(shí)際問題轉(zhuǎn)化成平拋運(yùn)動(dòng)模型，并分析推理獲得平拋運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維;通過該實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到物理實(shí)驗(yàn)必須實(shí)事求是，不能捏造數(shù)據(jù)，養(yǎng)成科學(xué)態(tài)度。有些重點(diǎn)體現(xiàn)的物理核心素養(yǎng)的某些方面，如選擇性必修3的“用油膜法估測油酸分子的大小”實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)體現(xiàn)了分子大小的物質(zhì)觀念;如必修3中的“測量電源的電動(dòng)勢和內(nèi)阻”實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)在于讓學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和制定方案，獲取和處理路端電壓和電流的數(shù)據(jù)，并通過分析論證得出結(jié)論，即培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力和科學(xué)思維能力。總之，在學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)的教學(xué)中，圍繞核心內(nèi)容，創(chuàng)設(shè)讓學(xué)生參與科學(xué)實(shí)踐活動(dòng)的學(xué)習(xí)情境，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，通過實(shí)驗(yàn)經(jīng)歷概念、規(guī)律的學(xué)習(xí)理解過程，引發(fā)學(xué)生探究的思考，促進(jìn)科學(xué)思維和科學(xué)探究能力的發(fā)展，同時(shí)有助于培養(yǎng)學(xué)生良好的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任感。

[? ?參? ?考? ?文? ?獻(xiàn)? ?]

[1]? 中華人民共和國教育部. 普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版） [S]. 北京：人民教育出版社.2018.

[2]? 馬亞鵬， 王較過. 高中物理新課程教學(xué)方式轉(zhuǎn)變的實(shí)踐研究[J]. 基礎(chǔ)教育課程， 2014（2）：7-13.

[3]? 郭玉英，姚建欣，張玉峰. 基于學(xué)生核心素養(yǎng)的物理學(xué)科能力研究 [M]. 北京：北京師范大學(xué)出版社，2017.

[4]? 凌子屹， 梁吉峰， 夏偉寧. 綜合運(yùn)用物理科學(xué)方法探究感應(yīng)電流的方向：聯(lián)用控制變量法和歸納法對(duì)感應(yīng)電流方向探究過程的再思考[J]. 中學(xué)物理， 2017（9）：13-15.

（責(zé)任編輯 易志毅）