立足于提升學生物理核心素養(yǎng)的實驗教學

楊凡

摘? ?要：本文從2019年廈門市初三畢業(yè)班教學質(zhì)量檢測的一道物理實驗題談起，反思在實驗教學中如何更好地以生為本，幫助學生在實驗過程中體會物理實驗思維的運用，更好地培養(yǎng)學生知識遷移能力，提升物理學科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng);實驗教學;教學反思

物理是一門以實驗為基礎(chǔ)的科學，實驗教學在物理學科中占據(jù)著重要的地位，實驗考察在物理考試的評價體系當中扮演著重要的角色。

物理學科的核心素養(yǎng)包括物理觀念、科學思維、科學探究、科學態(tài)度與責任。在物理實驗教學中，通過對經(jīng)驗事實的分析、推理等培養(yǎng)學生的科學思維、物理觀念;通過實驗過程的猜想假設(shè)、設(shè)計實驗、操作反思、分析論證等，培養(yǎng)學生的科學探究能力以及科學態(tài)度與責任。

在以往的實驗考察中，由于傳統(tǒng)紙筆測試所帶來的困境，部分實驗試題僅圍繞教材中實驗方案進行考査，問題設(shè)計未能跳出傳統(tǒng)習題訓練的范圍，缺乏現(xiàn)實的問題情境，過于關(guān)注技能知識的簡單考査等[ 1 ]，使得實驗考察“死板化”。而試題的命制會直接影響實驗教學的方向。

本文所舉例題源于課堂知識，高于課堂知識，要求學生對于實驗內(nèi)容、方法有較好的吸收與內(nèi)化，并能將其應用到不同的實驗環(huán)境下。

1? 試題評析

1.1? 試題回顧

學習小組想探究“通電導體在磁場中受力的大小與導體在磁場中長度的關(guān)系”。

【實驗目的】探究通電導體在磁場中受力大小與導體在磁場中長度的關(guān)系。

【實驗器材】邊長不同的矩形線圈2個、足夠?qū)挼腢形磁鐵、彈簧測力計、電源、導線、開關(guān)。

【實驗步驟】

（1）如圖1，用彈簧測力計測量矩形線圈a的重力G1，再將a放人磁場中。通電后，彈簧測力計示數(shù)變?yōu)镕1。發(fā)現(xiàn)F1小于G1，則磁場對線圈a作用力的方向是_____。

（2）換用矩形線圈b，重復步驟（1）中的實驗，每次實驗時AB邊在磁場中的_____相同。記錄線圈b受到的重力G2和拉力F2值。應比較_____和_____的關(guān)系，得出結(jié)論。

（3）某次實驗時，發(fā)現(xiàn)彈簧測力計的示數(shù)比該矩形線圈的重力大，你覺得可能的原因是：_____。

1.2? 試題分析

本題探究的問題是“通電導體在磁場中受力的大小與導體在磁場中長度的關(guān)系”，學生在“科學探究：電動機為什么會轉(zhuǎn)動”（滬科版九年級全一冊）一課中學習過：磁場對通電導體具有力的作用，其作用的方向與電流方向、磁場方向有關(guān)。因此該情景學生似熟非熟，需要結(jié)合實驗目的、測量原理及受力分析知識進行解題。

1.2.1? 控制變量法的運用

本實驗所使用的實驗方法為控制變量法，從實驗目的出發(fā)，分析實驗基本過程：控制除通電導體在磁場中的長度以外的其他條件相同，改變通電導體在磁場中的長度，觀察、測量、比較通電導體在磁場中的受力情況。通過所學知識，學生猜想本實驗中除通電導體在磁場中的長度外的其他影響因素還可能包括：導體的電流強度、電流方向、導體所處位置的磁場強度、磁場方向等，因此需要控制以上變量在實驗過程中不發(fā)生改變。由此，可以得到第二小問第一空的答案“每次實驗時AB邊在磁場中的位置相同”

1.2.2? 受力分析與轉(zhuǎn)換法的運用

重新回到實驗設(shè)計過程，本實驗設(shè)計的另一大難點在于如何測量通電導體在磁場中受力的情況變化。在本題中，第一小問很好地為學生架設(shè)了一個“臺階”。“用彈簧測力計測量矩形線圈a的重力G1，再將a放人磁場中。通電后，彈簧測力計示數(shù)變?yōu)镕1。發(fā)現(xiàn)F1小于G1，則磁場對線圈a作用力的方向是_____?！比鐖D2對通電前后的線圈a進行受力分析：在通電前，線圈a處于靜止狀態(tài)，拉力等于重力G1;通電之后，拉力變小，重力不變，而此時線圈依然處于靜止狀態(tài)，說明通電后線圈還受到另一個與拉力方向相同的力Fa，顯而易見：這就是磁場對線圈的作用力，通過分析我們可以得到：Fa=G1-F1。

該方法其實在“認識浮力”（滬科版八年級全一冊）一課中就有出現(xiàn)（如圖3）：通過比較石塊在空氣和水中的彈簧測力計示數(shù)情況判斷浮力的方向，通過受力分析計算浮力大小。二者在本質(zhì)上有異曲同工之妙。

所以我們可以得到第一小題“如圖，用彈簧測力計測量矩形線圈a的重力G1，再將a放人磁場中。通電后，彈簧測力計示數(shù)變?yōu)镕1。發(fā)現(xiàn)F1小于G1，則磁場對線圈a作用力的方向是 豎直向上 ?！?/p>

第二小問第二、三空，通過實驗過程的分析，學生需要觀察、測量、比較通電導體在磁場中的受力情況即“應比較G1-F1和G2-F2的關(guān)系”。

第三小問學生通過上述兩題的分析，可以得到，若彈簧測力計示數(shù)變大說明磁場作用力的方向為豎直向下，結(jié)合所學知識：“磁場作用力的方向與電流方向、磁場方向有關(guān)”，可解“某次實驗時，發(fā)現(xiàn)彈簧測力計的示數(shù)比該矩形線圈的重力大，你覺得可能的原因是：? 改變了電流方向或磁場方向? ?！?/p>

本題源于課堂知識，高于課堂知識，要求學生對于實驗內(nèi)容、方法有較好的吸收與內(nèi)化，并能將其應用到不同的實驗環(huán)境下。充分考察了學生對知識的理解、遷移能力。知識遷移能力，是創(chuàng)新型人才最重要的能力。沒有知識遷移，就不可能有科技創(chuàng)新。知識遷移能力是指用已學知識解決新問題的能力，包含對新情境的感知能力、對舊知識的鏈接能力、對新事件的解決能力、對新規(guī)律的概括能力[ 2 ]。所以，該題考察的正是學生需要提高的能力。

2? 教學建議

2.1? 更新教學觀念，重視實驗本質(zhì)

實驗教學對于物理學科的重要性不言而喻，過去的傳統(tǒng)教學中，由于考察方式的局限性，有的教師功利地認為“學生只需要會做題，不需要會做實驗”。但是對于實驗教學來說，最重要的是讓學生在這一過程中提升學科核心素養(yǎng)，貫徹落實“以生為本”，所以應該將實驗課“還”給學生。實驗探究過程包括提出問題、假設(shè)猜想、設(shè)計實驗、進行實驗、收集證據(jù)、分析反思。在這些過程中，設(shè)計實驗的過程常常因為課堂時間有限等原因被忽視，在這一過程中讓學生設(shè)身處地的運用科學方法，例如控制變量法：控制哪些變量不變？觀察哪個量的變化情況？假如觀察的實驗效果不明顯該怎么辦？能否使用轉(zhuǎn)換法，該怎么用？……經(jīng)歷這些思考過程與實驗設(shè)計過程，對于學生的思維提升，相較于教師的“一言堂”來說，有本質(zhì)上的區(qū)別與進步。

在探究過程中，教師的作用是引導學生，幫助每個學生打開自己的思維大門，學習是螺旋式上升的過程，在學習過程中勿要拔苗助長，適當?shù)氖┓?、澆水才是園丁的責任與義務。

2.2? 詳解課本實驗，拓展學生思維

課本是經(jīng)過教材組專家編排設(shè)計而形成的適用于學生學習、教師教學的教材。其內(nèi)容的選取經(jīng)過了嚴密的思考與嚴格的審核，將知識用最基礎(chǔ)、最根本的方式呈現(xiàn)出來，是學生“思維大廈”的地基所在。

詳解課本實驗，在學生設(shè)計實驗過程中，嘗試將學生實驗計劃與課本實驗相比較，詳解課本實驗設(shè)計細節(jié)，由學生來分析優(yōu)缺點、設(shè)計改進方法等。

例如在“科學探究：電動機為什么會轉(zhuǎn)動”教學過程中：課本實驗選擇用平行的勻強磁場進行實驗，有的學生選擇用馬蹄形磁鐵形成的磁場進行實驗，對比兩次實驗的實驗現(xiàn)象：在課本實驗中，金屬桿放置的位置不影響其運動情況;但假如選擇用馬蹄形磁鐵，學生便會發(fā)現(xiàn)，金屬桿放在不同的位置，現(xiàn)象是不一樣的：在磁極附近金屬桿很容易就運動起來了，但假如放在凹口處，金屬桿運動的速度較慢，甚至不運動。此時可以引導學生做進一步猜想：是什么影響了馬蹄形磁鐵中導體的運動呢？摩擦力？磁場強度？怎么驗證？這兩種磁場哪一種更好？好在哪里？這一系列的問題，可以幫助學生深入地體會科學探究的過程，從課本實驗出發(fā)，自主挖掘、拓寬實驗思維，達到教學目標。

2.3? 提高教師素養(yǎng)，創(chuàng)新實驗情景

習近平總書記在同北京師范大學師生代表座談時曾表示：“在信息時代做好老師，自己所知道的必須大大超過要教給學生的范圍，不僅要有勝任教學的專業(yè)知識，還要有廣博的通用知識和寬闊的胸懷視野?！?/p>

現(xiàn)如今，學生所能接觸的學習資源劇增，黑洞照片、5G、石墨烯等新知識、新概念的出現(xiàn)使得課本實驗、常規(guī)實驗已經(jīng)不能滿足學生對物理學習的好奇心?？茖W的發(fā)展是永不停息的，教師應發(fā)展自身業(yè)務素質(zhì)，與時俱進，不能固守自己的三分地。從生活實際出發(fā)，從基本方法入手，將課本知識與新時代、新創(chuàng)新、新視角相結(jié)合，創(chuàng)設(shè)新的實驗情景。幫助學生通過不同的情景與實驗鞏固所學的科學方法，鍛煉學生的知識遷移能力。

3? 結(jié)語

物理課堂既包括教師的教，也包括學生的學。在課堂實驗教學中應該重視學生的實驗設(shè)計，鼓勵學生進行設(shè)計與改進，培養(yǎng)學生的各項素養(yǎng);在課后練習中應該提升教師的備課、出題能力，與時俱進，用更新、更靈活的題目，鍛煉學生的思維品質(zhì)。

參考文獻：

[1]葉兵. 高考物理實驗題命制的幾點思考[J]. 物理教學，2018，40（12）：32-36..

[2]董友軍，李躍明. 凸顯“知識遷移能力”，落實“物理核心素養(yǎng)”——2017年全國Ⅰ卷物理實驗評析[J]. 物理實驗，2017，37（9）：57-60.