高中物理dis實驗與落實物理學(xué)科核心素養(yǎng)的融合和沖突

周洪

摘?要：高中物理課程標(biāo)準（2017版）提出了培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng)，需要學(xué)生內(nèi)化物理學(xué)習(xí)能力，形成科學(xué)思考習(xí)慣，成為真正的學(xué)習(xí)者，終身受益。而高中物理教育貫徹始終的是實驗教育和邏輯教育，dis實驗是實驗教育的一個方向。本文中思考了dis實驗和核心素養(yǎng)的融合和沖突，在新的要求和新的實驗方向下，如何讓兩者統(tǒng)一起來？如何讓dis實驗為落實核心素養(yǎng)做出最大的貢獻？文章從核心素養(yǎng)的四個要求與dis實驗的碰撞中找到一些答案。

關(guān)鍵詞：物理核心素養(yǎng);dis實驗;融合;沖突

關(guān)于中國科學(xué)發(fā)展有個著名的“李約瑟難題”，說的是擁有四大發(fā)明的文明古國為何在近代科技的發(fā)展上遠遠落后于世界。愛因斯坦曾經(jīng)回答過這個問題，他認為西方科學(xué)的發(fā)展是以兩個偉大的成就為基礎(chǔ)，一是嚴謹?shù)倪壿嬻w系，二是系統(tǒng)的實驗，用邏輯和實驗兩種武器來解答人們對于“為什么”的思考，而中國兩者都欠缺，真是一針見血，但是中國的物理教育觀念正在發(fā)生改變，一是提倡培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，用物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四個方面來育人，讓學(xué)生不僅要學(xué)會知識，還要發(fā)展能力。二是關(guān)于實驗這個非常重要的科學(xué)武器正在大力改進，dis實驗就是一件新武器。下面就講講dis實驗與落實物理學(xué)科核心素養(yǎng)之間的關(guān)系。

一、 認識核心素養(yǎng)和dis實驗

1. 什么是物理核心素養(yǎng)？物理核心素養(yǎng)是學(xué)生在接受物理教育時逐步形成的正確價值觀念、必備品質(zhì)和關(guān)鍵能力。是學(xué)生在學(xué)習(xí)中內(nèi)化了的帶有物理學(xué)科特點的品質(zhì)。通俗點講，就是如果物理知識都忘了，學(xué)生還剩下的東西。也就是學(xué)過物理的學(xué)生與沒學(xué)過的學(xué)生相比多了些什么。

2. 什么是dis實驗？（digital information system）用20世紀前沿科技作為技術(shù)理論支撐，具有較高科技含量的設(shè)備。主要元件有：傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計算機和應(yīng)用軟件。

A、傳感器。常用的有力、位移、溫度、光、壓強、電壓、電流等的物理傳感器。

B、數(shù)據(jù)采集器。與電腦連接，輸入傳感器數(shù)據(jù)。

C、應(yīng)用軟件。能處理信息，采用多種函數(shù)得到結(jié)論。如圖1。

Dis實驗設(shè)備能快速、準確、動態(tài)的采集實驗信息，由應(yīng)用軟件分析處理，并在電腦上實現(xiàn)各種方式的顯示。

二、 核心素養(yǎng)和dis實驗的融合

（一） dis實驗?zāi)軒椭鷮W(xué)生準確的形成物理觀念

物理觀念是學(xué)生對于這個世界物理學(xué)視角的認知。給結(jié)論，僅僅是知識的重現(xiàn)，學(xué)生學(xué)到的只是“是什么？”，而不是“怎么來的？”，也不會知道“怎么去的？”“能去到哪里？”。核心素養(yǎng)的要求告訴我們，要進行知識的重演，把知識真正轉(zhuǎn)化為解決問題的能力和智慧。知識的重演過程不僅需要邏輯的推導(dǎo)，還需要實驗的探究或者驗證。比如平拋運動的豎直方向上的分運動是自由落體運動這個觀念，采用“運動的分解”這個物理思維可以得到結(jié)論，接下來是眼見為實，但是由于實驗裝置的限制，以前往往只能進行定性的研究，比如去比較平拋運動和自由落體運動的同時性，如果學(xué)生有疑問，是不是只是時間上的相同呢？位移？速度？加速度？又如何？dis實驗就能幫助我們進行定量的驗證。如圖2。

圖中的位移傳感器能幫助得到平拋運動的二維軌跡，并能用函數(shù)計算出豎直方向的速度、加速度，做到真正的定量研究，有了dis實驗的幫助，學(xué)生對于位移、速度、加速度在一維、二維甚至三維情況下的定量求解和驗證會有更多的手段和信心，原來是這樣的運動?。∧敲雌渌倪\動是不是也能去想辦法探究？觀念更準確了，能去的地方更多了。更重要的是，體會到了科學(xué)是怎樣研究的：科學(xué)觀念的形成不僅需要推理，更加需要證據(jù)，這就是核心素養(yǎng)的第二部分，科學(xué)思維。

（二） dis實驗為科學(xué)思維的形成做出的貢獻

核心素養(yǎng)告訴我們，從物理學(xué)視角去認識世界，既是基于經(jīng)驗構(gòu)建物理模型的抽象概括過程，也是基于證據(jù)對世界提出質(zhì)疑和批判、檢驗和修正的過程。物理教育過程中，其實還是有很多“證據(jù)不足”的認識過程的，又苦于實驗手段的落后，無法進行準確的、形象的認知。而有了dis實驗，大大擴展了我們認識世界的方法。比如研究通電螺線管的磁感應(yīng)強度，教師只能說螺線管內(nèi)部是勻強磁場，外部則離螺線管越遠磁場越弱，但是，學(xué)生可能會問：證據(jù)呢？或者根本不會問，因為老式的實驗手段告訴我們，問也是白問?，F(xiàn)在通過dis，如圖3。

通過磁傳感器的探針探測過程，把通電螺線管的內(nèi)部磁場分布形象地展示出來，把證據(jù)擺在面前，更把科學(xué)的思維內(nèi)化，我們需要證據(jù)。學(xué)生在用科學(xué)思維研究過程中，誰形成磁場？磁場是種什么樣的東西？從哪種最簡單的磁現(xiàn)象開始研究？用什么手段或者儀器進行研究？dis實驗用證據(jù)顯示出它的威力。學(xué)生更有信心再問：那么怎么定義磁場的強弱？有沒有方法進行探究？磁傳感器是什么原理？還在哪些方面有所應(yīng)用？這就關(guān)系到核心素養(yǎng)的另外兩個方面：科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度和責(zé)任。

（三） dis實驗為學(xué)生的科學(xué)探究提高了興趣，降低了難度

核心素養(yǎng)是要培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究的能力，能基于現(xiàn)象提出物理問題，形成猜想和假設(shè)，還能設(shè)計實驗和制訂方案，并能對過程和結(jié)果進行交流和反思。在dis實驗背景下，可以用更多的手段和儀器來進行對比判斷，學(xué)生發(fā)現(xiàn)以前解決不了的問題現(xiàn)在能解決，興趣提高了，思維活躍了，設(shè)計實驗的信心也漲了，也更能激發(fā)學(xué)生進行交流、討論，采取最優(yōu)的實驗方案。比如在探究牛頓第三定律的實驗中，可以拋出問題：力的作用是相互的，作用力和反作用力具有什么特點？讓學(xué)生自己去設(shè)計方案。鼓勵他們多想角度，多想辦法。

猜想：作用力和反作用力大小相等，方向相反。方法：一般會從兩只彈簧秤對拉開始，觀察讀數(shù)。同學(xué)一：兩只彈簧秤讀數(shù)不一樣?。浚ù竽戀|(zhì)疑，實事求是。）同學(xué)二：調(diào)零的問題？（互相交流，互相啟發(fā)。）同學(xué)三：只有水平拉？（一個新天地出現(xiàn)了。）同學(xué)四：看來豎直和傾斜都得做做。同學(xué)五：只有靜止拉？（思路更廣了。）同學(xué)六：動起來看不清楚讀數(shù)啊。dis實驗出場了，如圖4。

使用力傳感器，讀數(shù)的準確性和運動的多樣性判斷都得到了保證，在靜止和運動，直線和曲線，勻速和變速情況下都可以去研究實驗的問題，驗證猜想。但是有一個問題：如果一開始只有力傳感器，沒有彈簧秤，還有剛才的思考過程嗎？或者還應(yīng)該問：如果直接用傳感器，是否就不能產(chǎn)生新的問題了？是不是就不能培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)了？這就涉及了核心素養(yǎng)的第四個方面：科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。

（四） dis實驗為科學(xué)態(tài)度和責(zé)任的培養(yǎng)提供了另一個方向

核心素養(yǎng)中的科學(xué)態(tài)度和責(zé)任是指在認識科學(xué)、技術(shù)、社會、環(huán)境關(guān)系的基礎(chǔ)上，逐漸形成的探索自然的內(nèi)在動力，嚴謹認真，實事求是和持之以恒的科學(xué)態(tài)度以及可持續(xù)發(fā)展的責(zé)任感，比如在上面的實驗中，力傳感器的使用可能會使彈簧的問題被淹沒了，但是力的傳感器的問題會出現(xiàn)：怎么工作的？在生產(chǎn)生活中會有什么應(yīng)用？新的問題是不是會更接科技前沿的地氣？比如以上問題，解答如下。

（1）力的傳感器的工作原理：（圖5上）先通過內(nèi)部的懸臂梁，將力學(xué)量轉(zhuǎn)換成金屬的應(yīng)變，然后由傳感元件將這種應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電量，完成“力—電”的轉(zhuǎn)換。

圖5

（2）應(yīng)變片：在受力時，應(yīng)變片的上下表面會產(chǎn)生微小的形變。形變量會轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮璧淖兓?。（圖5下）

（3）應(yīng)變片的應(yīng)用：①很多稱質(zhì)量或者重量的儀器，比如廚房秤、珠寶秤、汽車秤;②在大型橋梁或者建筑上，需要用應(yīng)變片來檢查其工作狀態(tài)下的變形情況，防止事故的發(fā)生，等等。

就是在一個個關(guān)于傳感器的可能出現(xiàn)的思考中，會體現(xiàn)出學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和責(zé)任，讓學(xué)生更有興趣也更有能力去探索世界，對科技的發(fā)展也更有體會。

綜上所述，dis實驗為學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展和培養(yǎng)提供的是嚴謹?shù)奈锢碛^念、創(chuàng)新的科學(xué)思維、新穎的實驗探究以及對新技術(shù)新前沿的思考，以前的物理實驗是老牛拉車，可能厚實但是沉重，dis實驗則是大功率的開路先鋒，可以讓教育走得更快。當(dāng)然事物都有其兩面性，dis實驗對于核心素養(yǎng)的培養(yǎng)也有其不足之處。

三、 核心素養(yǎng)與dis實驗的沖突

物理學(xué)科的核心素養(yǎng)在四個方面提出了從低到高五個水平的要求，dis實驗在某些要求上存在著一些偏差。當(dāng)然傳統(tǒng)型實驗也有偏差，換個角度說，dis實驗的出現(xiàn)為完善傳統(tǒng)實驗本來就存在的問題提供了另一條路，互相補充總比孤掌難鳴要好，所以dis實驗的出現(xiàn)一定是有其積極意義的?，F(xiàn)把有些沖突羅列如下，期望有更多更好的路出現(xiàn)，面對它才能糾正它，本身就是核心素養(yǎng)的要求。

（一） 物理觀念要求學(xué)生具有將物理學(xué)與實際相關(guān)系的意識，能用所學(xué)的物理學(xué)知識有效的指導(dǎo)工作和生活實踐

如何“有效”指導(dǎo)實際？比如利用實際環(huán)境，如想估測一座山的高度。通過觀察，發(fā)現(xiàn)山的影子可供利用，手邊能用的工具可能就是一根樹枝，用自己的影子是多少樹枝長度，山的影子是多少樹枝長度，再利用比例估測山高，你手邊有位移傳感器的機會就低了，科技越新，與真實自然界的工具就越遠，dis實驗做不到“有效”，可能只有“高效”，對實際的指導(dǎo)意義就弱了點。

（二） 科學(xué)思維要求能對已有的結(jié)論提出有依據(jù)的質(zhì)疑，并能創(chuàng)新

在電學(xué)中，有個實驗叫描述小燈泡的伏安特性曲線。如果用普通的電表測量電壓和電流，由于學(xué)生學(xué)過電表的結(jié)構(gòu)，那么腦中有“電表內(nèi)阻”這個依據(jù)，就會質(zhì)疑測量值與真實值的誤差，對于內(nèi)接外接減少誤差的創(chuàng)新方法就能理解。那么在傳感器做實驗上面，會不會有質(zhì)疑，應(yīng)該也會有，但是現(xiàn)有的知識不夠形成“依據(jù)”，那么在使用dis實驗時創(chuàng)新就有難度了。其實隨著知識面的擴展，這個局限性應(yīng)該是暫時的，甚至可能是未來實驗的發(fā)展方向。

（三） 科學(xué)探究要求能靈活的選用合適的器材獲得數(shù)據(jù)，并能用多種方法分析數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)規(guī)律，形成結(jié)論

其一，靈活的選用，一方面要求各個儀器都會用，還具有使用儀器的基本能力，如測量能力、讀數(shù)能力，甚至是修理儀器的能力，如多用電表，使用它得有很綜合的素質(zhì)，才能“靈活”的選用，dis實驗儀器的使用是方便了，但是對能力的培養(yǎng)就弱了點。另一方面是得“選”，仍然拿多用電表來說，選什么檔位，選什么量程，都要經(jīng)過考慮，dis實驗儀器的選擇性也有，但更多的是選范圍，更偏重于拿來就能“用”，而不是“選”。

其二，是多種方法分析數(shù)據(jù)，比如測電源的電動勢和內(nèi)阻，可以兩組數(shù)據(jù)算方程，也可以多組數(shù)據(jù)取平均值，更可以畫圖表。傳統(tǒng)的實驗在數(shù)據(jù)處理上所花的時間大概有50%，Dis實驗儀器的數(shù)據(jù)處理時間大概只有5%，傳統(tǒng)鍛煉強度更大。但是dis實驗圖像多，對于學(xué)生的用圖讀圖能力鍛煉是比傳統(tǒng)實驗要多的，所以只是側(cè)重點不一樣。

（四） 科學(xué)態(tài)度和責(zé)任要求學(xué)生有較強的學(xué)習(xí)能力

傳統(tǒng)的物理實驗由于在數(shù)據(jù)處理和調(diào)試儀器方面有大量的練習(xí)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的操作能力和克服困難的堅強的意志品質(zhì)，從中學(xué)習(xí)的能力一是在心，堅持不懈的韌性;二是在手，有較強的動手能力。Dis實驗不是不鍛煉學(xué)習(xí)能力，只是側(cè)重點又不太一樣，一是在腦，在計算機上操作，軟件能力增強。而很多dis實驗器材比傳統(tǒng)實驗容易上手，就可以集中精力思考怎樣用好這些儀器優(yōu)化實驗過程，鍛煉自主探究能力。二是在腳，dis的實驗操作方便，測量簡單，傳統(tǒng)實驗完不成的實驗?zāi)康乃苓_到，就能走得更遠，爬得更高。

四、 結(jié)語

楊振寧先生說過：絕大部分物理學(xué)是從現(xiàn)象中來的，現(xiàn)象是物理學(xué)的根源。正是因為在研究現(xiàn)象的過程中，我們在邏輯中進行實驗，在實驗中思考邏輯，路才能越走越遠。趙凱華先生說過：一個人學(xué)了物理之后干什么都可以，他的物理就沒有白學(xué)。物理學(xué)科的核心素養(yǎng)要求堅忍不拔，勤于動手，積極動腦，所以我們才能把物理學(xué)好，同時把人做好，成為一個優(yōu)秀的學(xué)習(xí)者。dis實驗為學(xué)習(xí)提供了更強大的底氣，同時讓科技的翅膀飛入到課堂，讓孩子接觸科技，喜愛科技的力量，自身也成為這個力量的一份子，而對于物理核心素養(yǎng)培養(yǎng)的重視讓千千萬萬的中國孩子都能成為物理思維、物理方法的受益者，讓科學(xué)飛得更高，中國孩子變得更強，這就是物理教育的成功！

參考文獻：

[1]普通高中物理課程標(biāo)準，2017.

[2]辛亞.重視知識發(fā)生過程?培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)[J].物理教學(xué)探討，2018（12）：10.

[3]王麗姜.借助物理課堂培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng)初探——以“洛倫茲力及應(yīng)用”為例[J].物理教學(xué)探討，2019（2）：10.