芻議核心素養(yǎng)觀下的物理探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)

鄭渝　林立燦

摘 要：物理學(xué)是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)。在物理教學(xué)中，滲透物理學(xué)科核心素養(yǎng)觀，通過探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)，既能培養(yǎng)學(xué)生的探究精神和自主探究的能力、提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，也能豐富課堂教學(xué)方式、提高學(xué)生對物理的學(xué)習(xí)興趣。以“力的合成”一課為例，對核心素養(yǎng)觀下的物理探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提出一些看法。

關(guān)鍵詞：物理學(xué)科核心素養(yǎng)；探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)；力的合成

1 力的合成的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程簡述

為了在課堂上達(dá)到良好的教學(xué)效果，首先要了解學(xué)生的學(xué)習(xí)背景：在之前的學(xué)習(xí)中，學(xué)生已經(jīng)了解力是矢量，并能利用力的圖示來描述力，也掌握了利用數(shù)學(xué)幾何方法研究平行四邊形的方法，另外學(xué)生對DIS數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)已經(jīng)有一定的認(rèn)識。由此，在有限的課堂時間和空間的前提下，為實(shí)現(xiàn)不僅體現(xiàn)新課標(biāo)指導(dǎo)下的核心素養(yǎng)觀、也充分發(fā)揮學(xué)生的主體作用、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和自覺性的教學(xué)目標(biāo)，筆者在力的合成教學(xué)過程中對實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)如下。

1.1 創(chuàng)設(shè)情景，提出問題

以初中學(xué)習(xí)過的電阻為例，我們可以利用兩個3Ω的電阻串聯(lián)來等效替代一個6Ω的電阻。那么生活中，單手提水桶豎直向上的拉力F，它的作用效果與兩人雙手提水桶的拉力F1和F2，共同作用的效果一樣，都是將水桶提起并使其靜止。因此拉力F稱之為F1和F2的合力。那么互成角度的兩個分力F1和F2及其合力F的大小和方向，滿足什么關(guān)系？

1.2 啟發(fā)和引導(dǎo)學(xué)生建立物理模型，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案

進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)時，常常要對生活中的問題，通過建立相應(yīng)的簡單模型進(jìn)行簡化，以剛才生活中提水桶為例，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃喕?/p>

物理模型：兩根繩子通過結(jié)點(diǎn)拉下方的鉤碼，這兩個繩子拉力的合力，我們利用等效替代的思想，通過一根繩子拉同等數(shù)量的鉤碼來實(shí)現(xiàn)。

展示并介紹實(shí)驗(yàn)裝置：力的傳感器能準(zhǔn)確測量沿掛鉤方向的拉力或壓力的大小，并通過DIS軟件的數(shù)據(jù)采集界面，讓學(xué)生進(jìn)行體驗(yàn)。

引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案：通過改變固定力傳感器曲柄之間的夾角，利用力的傳感器和DIS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來獲得互成銳角、直角和鈍角的各組分力和合力的大小，而兩個分力的方向則利用圓形刻度盤得到的繩子與豎直方向間的夾角來表示。實(shí)驗(yàn)裝置安裝如圖1所示。

1.3 實(shí)驗(yàn)探究互成角度的共點(diǎn)力的合成

演示多組互成不同角度的分力及其合力（見圖2），請學(xué)生列表記錄各組分力及其合力的大小和方向（見表1）。引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)合力與分力大小之間的關(guān)系。

[學(xué)生活動]：觀察數(shù)據(jù)，很難直接得到合力與分力大小之間的規(guī)律。

[引導(dǎo)解惑]：物理是一門與數(shù)學(xué)密不可分的學(xué)科。許多物理規(guī)律的獲得過程背后無不有著數(shù)學(xué)知識的強(qiáng)有力支持。例如運(yùn)動學(xué)圖象就是很好的數(shù)形結(jié)合的應(yīng)用例子。合力與兩個分力之間的關(guān)系是否也能利用數(shù)形結(jié)合的方式來得到呢？

1.4 利用力的圖示，尋找力合成的運(yùn)算規(guī)律

為了提高課堂教學(xué)的效率，并幫助學(xué)生迅速準(zhǔn)確的定位作圖，筆者在預(yù)先發(fā)給學(xué)生的實(shí)驗(yàn)紙上，每隔15°作一虛線，請學(xué)生分組在這些實(shí)驗(yàn)紙上畫出對應(yīng)的合力與分力的圖示（如圖3所示）

[學(xué)生活動]：觀察分力與合力的圖示，合力總是夾在兩分力之間，但仍很難具體得到其大小和方向之間的關(guān)系。

[引導(dǎo)解惑]：在解決數(shù)學(xué)幾何問題時，我們常常引入必要的輔助線。在這里，筆者指導(dǎo)學(xué)生將各力的矢量箭尾連接起來，圍成四邊形，再進(jìn)行觀察。

[學(xué)生活動]：圍成的四邊形看起來很像平行四邊形，利用數(shù)學(xué)幾何知識進(jìn)行證明。用三角板初步斷定該四邊形在誤差允許范圍內(nèi)可以認(rèn)為是平行四邊形。

提出力的合成遵循平行四邊形定則。這也是所有矢量運(yùn)算所遵循的普遍法則。注意強(qiáng)調(diào)前輩科學(xué)家是通過精確的實(shí)驗(yàn)，利用大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，才能得到具有普遍意義的平行四邊形定則。

1.5 歸納總結(jié)，升華提高

將多組實(shí)驗(yàn)圖示結(jié)果疊加顯示（如圖4所示），讓學(xué)生對力的合成有更感性的認(rèn)識。

2 探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中的幾點(diǎn)思考

2.1 探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程要以學(xué)生為探究主體，滲透物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》指出：學(xué)生的核心素養(yǎng)，是指學(xué)生通過物理學(xué)科的學(xué)習(xí)所獲得的，在其將來的學(xué)習(xí)生活、個人發(fā)展與社會適應(yīng)所必需的必備品格與關(guān)鍵能力[ 1 ]。高中物理學(xué)科核心素養(yǎng)分為“物理觀念”、“科學(xué)思維”、“科學(xué)探究”、“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”四個方面[ 1 ] 。在物理日常的探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，滲透物理物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，必須以學(xué)生為探究主體，以教師為主導(dǎo)，教授學(xué)生學(xué)會自主學(xué)習(xí)，促使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中形成物理觀念、培養(yǎng)自身的獨(dú)立思考和創(chuàng)新學(xué)習(xí)的能力，回歸物理學(xué)習(xí)的本質(zhì)[ 2 ]。

在探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，以學(xué)生為探究主體，要求教師在教學(xué)過程中，改變固有的以灌輸為主的教學(xué)方式，不斷更新自己的教學(xué)觀念。在教學(xué)活動中，使教師從教授者轉(zhuǎn)變?yōu)橐龑?dǎo)者，使教學(xué)過程從知識傳授轉(zhuǎn)變?yōu)榭茖W(xué)觀念和能力的培養(yǎng)。但以學(xué)生為探究主體，也不是一味地將課堂完全交給學(xué)生，而是要以教師為主導(dǎo)，它們之間并不矛盾。在這一節(jié)課的教學(xué)過程中，筆者先創(chuàng)設(shè)情境，由教師引出提水桶問題中的力的合成問題，然后引導(dǎo)學(xué)生逐步建立理想化的物理模型。接著教師給出DIS實(shí)驗(yàn)裝置后，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在最后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析整理過程中，在學(xué)生感到迷茫的時候，適時給予引導(dǎo)，列表分析、數(shù)形結(jié)合、輔助線等數(shù)學(xué)分析方式的引入，幫助學(xué)生逐步體驗(yàn)科學(xué)家進(jìn)行科學(xué)研究的探究過程。筆者認(rèn)為，這種教學(xué)方式，將設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和最為重要的探究規(guī)律的過程交給學(xué)生，實(shí)現(xiàn)了以學(xué)生為主體，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性，培養(yǎng)學(xué)生的探究精神，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從而不斷提高學(xué)生的物理核心素養(yǎng)的目的。而為了提高教學(xué)效率，筆者讓學(xué)生分組畫出不同夾角的分力與合力的圖示，再匯總進(jìn)行觀察，討論。分清主次，充分引導(dǎo)，這樣才能讓學(xué)生在有限的課堂教學(xué)時間內(nèi)，最有效地完成探究實(shí)驗(yàn)，觀察物理現(xiàn)象，總結(jié)出相應(yīng)的物理規(guī)律。

將探究的主體還給學(xué)生，有利于提高學(xué)生的科學(xué)探究能力，也能大大增加學(xué)生對物理學(xué)科的學(xué)習(xí)興趣。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，在驗(yàn)證力所圍成的四邊形是平行四邊形這一學(xué)生活動環(huán)節(jié)中，有的學(xué)生提出不同的驗(yàn)證方案：（1）以兩個分力為鄰邊畫出標(biāo)準(zhǔn)的平行四邊形與力圍成的四邊形做對比；（2）可以量出圍成的四邊形的四條邊的邊長，研究是否滿足對邊相等。課堂上筆者一一給予了肯定，這對發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性很有幫助。在作圖過程中，留給學(xué)生充分的作圖觀察時間，并在此過程中向?qū)W生強(qiáng)調(diào)作力的圖示要注意標(biāo)明：力的標(biāo)度、刻度、方向箭頭、大小和物理量名稱，將科學(xué)探究的方法滲透到學(xué)生的探究過程中。

在探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，不能由教師代替學(xué)生思考，要留給學(xué)生足夠的思考和探究的時間和空間。同時，不能讓學(xué)生在探究的過程中，無所適從，不知從何入手，這就要求教師在設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)時，要充分考慮到學(xué)生可能遇到的思維難點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)，適時予以幫助和引導(dǎo)。

2.2 在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，重視學(xué)生的體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)學(xué)生科學(xué)探究能力的提高

物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師應(yīng)強(qiáng)調(diào)科學(xué)的探究，在課堂上讓學(xué)生經(jīng)歷物理規(guī)律的探究過程，從而培養(yǎng)學(xué)生通過建立物理模型，利用數(shù)學(xué)知識解決物理問題的科學(xué)思維及科學(xué)探究的能力，讓學(xué)生體會科學(xué)探究的樂趣。通過強(qiáng)調(diào)前輩科學(xué)家不懈堅(jiān)持和嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)的科學(xué)態(tài)度，將 “科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”的培養(yǎng)融入探究活動中，讓學(xué)生在動手操作和動腦探究的過程中，既獲得知識又獲得科學(xué)思想的升華，這是物理學(xué)科在探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，獨(dú)有的特點(diǎn)及魅力。

在進(jìn)行這一探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)之初，筆者并未立即提出等效替代法的說法，而是在引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn)方案的環(huán)節(jié)，向?qū)W生問了三個問題：“什么是等效？”、“誰和誰等效？”、“怎么做到等效？”。在學(xué)生思考這些問題的過程中，充分理解分力與合力的等效替代，并自覺地將等效替代法應(yīng)用到探究實(shí)驗(yàn)過程中。在物理教學(xué)中，通過滲透科學(xué)思想和科學(xué)探究理念的教學(xué)方式，可以讓學(xué)生在高中階段就體驗(yàn)以現(xiàn)有的知識水平進(jìn)行科學(xué)研究的過程，更有助于提高學(xué)生的核心素養(yǎng)。

2.3 探究實(shí)驗(yàn)中，也要重視學(xué)生對失敗的體驗(yàn)

既然是探究實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過程中就有可能出現(xiàn)失敗，可能是在操作過程中出現(xiàn)了疏忽，可能是在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)歸納整理過程中出現(xiàn)了問題。筆者認(rèn)為，教師在教學(xué)過程中，不要一昧只強(qiáng)調(diào)正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，歸納出物理規(guī)律，而極力回避學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中可能出現(xiàn)的失敗，而是應(yīng)該正視學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中的失敗，讓學(xué)生思考失敗的原因，并進(jìn)行討論和改進(jìn)，教師從旁及時點(diǎn)評，這樣能加深學(xué)生對知識的理解和應(yīng)用。筆者在進(jìn)行“力的合成”探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，部分學(xué)生畫出的分力與合力的圖示，圍成的四邊形并不近似于平行四邊形。筆者在匯總實(shí)驗(yàn)結(jié)果時，并沒有避開這部分學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，而是將正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與錯誤的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一同進(jìn)行投影，讓學(xué)生思考，是不是我們的結(jié)論還不準(zhǔn)確？學(xué)生們在對比過實(shí)驗(yàn)結(jié)果后，發(fā)現(xiàn)原來那部分錯誤的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，是由于學(xué)生沒有分清兩個分力，將兩個分力F1和F2畫反了。筆者相信，通過這樣的糾錯過程，會讓學(xué)生更加深刻理解力的矢量性。

總之，在日常物理課堂教學(xué)中，利用探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程，以學(xué)生為探究主體，重視學(xué)生對探究過程的體驗(yàn)，將有助于學(xué)生“物理觀念”的構(gòu)建，培養(yǎng)學(xué)生的“科學(xué)思想”，提高學(xué)生的“科學(xué)探究”能力，從而讓學(xué)生將“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”融入日常學(xué)習(xí)生活中，不斷提高他們自身的核心素養(yǎng)。

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]柯秋玲.如何在高中物理實(shí)驗(yàn)中提升學(xué)生核心素養(yǎng)[J].數(shù)理化學(xué)習(xí)，2018（1）：49-50.