基于核心素養(yǎng)的初中物理實驗教學(xué)新視角

周吉平

摘 要：物理核心素養(yǎng)教學(xué)的落實，實際教學(xué)中與理論闡述者的見解略有區(qū)別，本文從理想實驗、實驗創(chuàng)新、誤差分析等能力的培養(yǎng)方面闡述學(xué)生物理核心素養(yǎng)的教育途徑.

關(guān)鍵詞：物理學(xué)史;壓力概念;誤差分析

1 理想實驗中科學(xué)態(tài)度素養(yǎng)的培育

科學(xué)態(tài)度與責(zé)任是物理學(xué)科重要的核心素養(yǎng)，其包括科學(xué)本質(zhì)、科學(xué)態(tài)度、科學(xué)倫理.從課堂教學(xué)融合物理學(xué)史角度出發(fā)，以《牛頓第一定律》教學(xué)為案例進(jìn)行研究，梳理了初中、高中、大學(xué)有關(guān)該定律教學(xué)內(nèi)容，初步探討了物理學(xué)史與學(xué)科教學(xué)的整合路徑，探索科學(xué)態(tài)度素養(yǎng)培育的落腳點.

表中所述初中版內(nèi)容淺顯、形象，符合學(xué)生認(rèn)知特點，而物理學(xué)史中明確指出：伽俐略的實驗初衷是為了論證亞里士多德“落體定律”的錯誤，但初中教材中卻被認(rèn)為定律形成的關(guān)鍵性實驗.因此我在教學(xué)過程中補充科學(xué)史實，讓學(xué)生結(jié)合當(dāng)時的科學(xué)背景，客觀地認(rèn)識到亞里士多德等物理學(xué)家的貢獻(xiàn)，從而培養(yǎng)他們敬畏科學(xué)、尊重真理的科學(xué)態(tài)度.高中人教版沿襲初中版模式，遵循伽俐略發(fā)現(xiàn)、笛卡爾完善、牛頓總結(jié)的編寫邏輯，論述了定律的形成過程.在定律的形成過程中，三位物理學(xué)家的貢獻(xiàn)作用突出且各有千秋，因此有必要結(jié)合物理學(xué)史，向?qū)W生再現(xiàn)一下科學(xué)研究原貌，促成學(xué)生對物理科學(xué)不斷發(fā)展這一本質(zhì)的認(rèn)知.大學(xué)生的抽象邏輯思維能力強(qiáng)，他們對定律的理解主要建立在初、高中階段的認(rèn)知基礎(chǔ)上，因此初、高中階段的牛頓第一定律教學(xué)要建立在科學(xué)的基礎(chǔ)上，教學(xué)內(nèi)容上要形成系統(tǒng)連貫性，要挖掘物理學(xué)史中的資源，從知識源頭上幫助學(xué)生厘清科學(xué)求真的本質(zhì)，從而培養(yǎng)他們的實證精神及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)那笾獞B(tài)度.

如何在初中課堂中融入物理學(xué)史的教學(xué)，提升課堂教學(xué)內(nèi)容的科學(xué)性？教學(xué)過程中由簡介亞里士多德的“落體定律”導(dǎo)入，設(shè)計質(zhì)量不等的兩球同時落地實驗，引發(fā)學(xué)生猜想力和物體運動的關(guān)系，闡述伽俐略的結(jié)論，補充迪卡爾的改進(jìn)內(nèi)容，強(qiáng)調(diào)牛頓的抽象過程，得出第一定律.通過教學(xué)，學(xué)生們認(rèn)識到：牛頓第一定律是幾千年來物理學(xué)家們不斷累積的成果，不能割裂物理學(xué)的歷史背景而孤立地理解物理知識，每一個概念、規(guī)律、定理有其相應(yīng)的科學(xué)時代背景.將物理學(xué)史融入課堂教學(xué)設(shè)計，立足于科學(xué)的課堂，學(xué)生更能認(rèn)識到科學(xué)發(fā)展的艱難與必然，學(xué)生的科學(xué)態(tài)度素養(yǎng)達(dá)成落到實處.

2 實驗課中創(chuàng)新精神的培育

學(xué)生在學(xué)習(xí)壓力內(nèi)容時常出現(xiàn)以下困惑：不能有效區(qū)分壓力與重力概念，混淆壓力與重力方向，認(rèn)為壓力由重力產(chǎn)生，受生活中表面物理現(xiàn)象干擾.出現(xiàn)上述現(xiàn)象，與他們生活經(jīng)驗的思維定勢有關(guān)，根據(jù)生活經(jīng)驗，學(xué)生們會認(rèn)為載重卡車、盛水的桶對地面壓力大，而一張紙、一根鵝毛對接觸面不會產(chǎn)生壓力，學(xué)生常認(rèn)為物體越重，產(chǎn)生的壓力越大，這根深蒂固的錯誤前概念問題不解決，對學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)力學(xué)知識會造成困擾.要讓學(xué)生真正理解壓力概念是不容易的，只有通過實驗演示壓力的產(chǎn)生條件、方向等，讓學(xué)生由直觀思維提升到理性思維，從而認(rèn)識壓力及其作用效果，才能讓學(xué)生走出對壓力和重力認(rèn)知上的誤區(qū).筆者圍繞壓力概念教學(xué)進(jìn)行了相關(guān)探索，并利用身邊器材對傳統(tǒng)實驗進(jìn)行了如下簡單創(chuàng)新：（1）通過海綿在水平面、斜面、豎直面方向的形變，演示壓力產(chǎn)生的條件;（2）以海綿形變方向與指針指向顯示壓力方向;（3）用刻度尺和指針測量海綿形變量Δh，探究影響壓力作用效果的因素.這些改進(jìn)增強(qiáng)了實驗現(xiàn)象的可視化程度，提升了實驗課堂的教學(xué)效率，促進(jìn)了學(xué)生對壓力概念的深度理解.

生活中常見的壓力是如何產(chǎn)生的？壓力就是重力么？圍繞壓力這個核心主題展開如下探究.

如圖1所示：水平木板上放海綿，上放一張紙，海綿沒有明顯形變，加上磚塊后發(fā)生形變，學(xué)生常常誤認(rèn)為磚的重力比紙的重力大，磚的重力使海綿發(fā)生形變，略提起磚塊位于海綿正上方，脫離海綿，磚塊有重力，海綿此時不發(fā)生形變，說明海綿形變非重力作用.那是什么力使海綿發(fā)生了形變呢？再次緩緩放下磚塊，讓學(xué)生觀察到磚塊先接觸海綿到擠壓海綿的全過程，磚塊接觸擠壓海綿時產(chǎn)生了壓力，壓力使海綿發(fā)生了形變.通過實驗讓學(xué)生明確了壓力的施力物體是磚塊，磚塊所受重力的施力物體是地球，若壓力就是重力，兩力施力主體相矛盾，便自然而然的區(qū)分了壓力和重力.利用上述器材還探究了“物體相互接觸是否就能產(chǎn)生壓力和壓力一定等于重力” 兩個重要問題，操作如下：水平木板上放海綿，上加一塊磚，緩緩提起木板一端構(gòu)成斜面，比較圖1和圖3，發(fā)現(xiàn)海綿形變程度減弱，說明受到壓力減小，而磚塊質(zhì)量不變，重力不變，說明磚塊對海綿的壓力大小不等于磚塊重力大小.學(xué)生常認(rèn)為壓力方向與物體重力方向相同，按下列圖4、圖5所示操作：手壓鐵片和海綿，貼在海綿上的指針會隨著海綿沿水平向下、斜面等方向延伸，發(fā)現(xiàn)指針總是垂直于接觸面，所以得出“壓力的方向垂直于接觸面”這個結(jié)論，這與重力的方向總是豎直向下不同.

解決上述問題后，鼓勵學(xué)生利用現(xiàn)有器材，添加一個刻度尺設(shè)計探究影響壓力作用效果的因素的實驗，學(xué)生很快設(shè)計了如圖6所示實驗，操作清晰明了：水平木板上放一塊海綿，用刻度尺和指針測量海綿原始高度h，加上一塊磚，用刻度尺和指針測出海綿高度h1，再添一塊磚，測出海綿高度h2，發(fā)現(xiàn)（h-h1）>（h-h2），說明受壓面積一定時，壓力越大，作用效果越明顯.在實驗用的海綿旁邊添加一塊厚度相同的海綿，放上相同數(shù)目的磚，測出海綿高度h3，發(fā)現(xiàn)（h-h2） >（h-h3），說明壓力一定，受壓面積越大，壓力作用效果越不明顯.

上述實驗教學(xué)中利用簡易器材，通過設(shè)計磚塊壓海綿、測量海綿高度變化等實驗內(nèi)容，直觀展現(xiàn)壓力的作用效果，讓學(xué)生更深刻地理解壓力概念，將有效地解決學(xué)生學(xué)習(xí)中的困惑.改進(jìn)后的實驗現(xiàn)象更直觀，加強(qiáng)了對控制變量法的理解，培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和樂于探索物理概念規(guī)律的科學(xué)精神.

3 物理實驗課中誤差分析能力的培育

在教學(xué)中筆者發(fā)現(xiàn)學(xué)生最喜歡上物理分組實驗課，但最怕上的也是物理分組實驗課，為什么會出現(xiàn)反差？因為學(xué)生在實驗課中怕筆者的實驗“三問”.一怕問他們實驗中發(fā)現(xiàn)了什么問題;二怕問他們找出了哪里存在誤差及誤差產(chǎn)生的原因;三怕填寫實驗報告中系統(tǒng)分析一欄.初中物理驗證性實驗居多，由于實驗器材及實驗環(huán)境等的因素影響，實驗時出現(xiàn)與實驗結(jié)論大相徑庭的現(xiàn)象時而有之，如有的學(xué)生在做探究串聯(lián)電路中電流的規(guī)律實驗時，喜歡一次性在電路中串聯(lián)三個電流表，這與在相同電源的情境下分三次串聯(lián)同一個電流表所得的實驗結(jié)論有區(qū)別，這常引起學(xué)生懷疑課堂上所學(xué)的理論是否正確.同樣的情況還出現(xiàn)在測量小石塊的密度等實驗中，因與課本密度表中數(shù)據(jù)相差甚遠(yuǎn)，導(dǎo)致不少學(xué)生懷疑實驗方法是錯誤的，甚至有些學(xué)生杜撰實驗數(shù)據(jù)以期與課本上相同，這是不尊重實驗規(guī)范的表現(xiàn).每節(jié)實驗課結(jié)束驗收實驗報告時，筆者都告訴學(xué)生不要為了拼湊實驗數(shù)據(jù)而造假，這是對科學(xué)精神的褻瀆.同時引導(dǎo)學(xué)生共同分析各種實驗誤差的出現(xiàn)，可能與電流表的內(nèi)阻，小石塊的質(zhì)地，刻度尺的熱脹冷縮系數(shù)，擺的形狀、直徑、重心、空氣阻力等有關(guān).學(xué)生便慢慢的從多個實驗中逐漸地理解實驗誤差的內(nèi)涵，知道實驗誤差是科學(xué)測量中的必然存在.長期以這種方式培養(yǎng)學(xué)生分析物理實驗中的誤差，有助于學(xué)生們養(yǎng)成尊重科學(xué)、尊重自然規(guī)律的精神，慢慢地，學(xué)生也不怕筆者的三問了.

學(xué)生物理核心素養(yǎng)教育的落實是長期培養(yǎng)的過程，非一朝一日可以形成，正如物理實驗中的誤差一樣，是一種客觀的真實存在，需要物理教育者們不斷地耕耘創(chuàng)新，才能慢慢地接近核心素養(yǎng)的真實境界，任何理論空談都是蒼白無力的.

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（收稿日期：2019-12-19）