重視實驗價值發(fā)展核心素養(yǎng)

葉春 張嵐

摘要：物理實驗在物理課堂教學(xué)中有著重要的價值，教師通過深入研究并充分挖掘物理實驗的價值，能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情，幫助學(xué)生形成正確的物理觀念，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，提高科學(xué)探究的能力。

關(guān)鍵詞：物理實驗;物理概念;科學(xué)思維;科學(xué)探究

中圖分類號：G647.38文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1992-7711（2020）22-052-2

高中物理新課標(biāo)中明確指出，物理學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，是基于觀察與實驗，建構(gòu)物理模型，應(yīng)用數(shù)學(xué)等工具，通過科學(xué)推理和論證形成體系的一門學(xué)科。物理實驗是物理教學(xué)的重要組成部分，在學(xué)生的培養(yǎng)中有著獨特的魅力和價值。那么如何挖掘物理實驗的價值，助力學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，本文以“磁感應(yīng)強(qiáng)度”的教學(xué)為例，從以下幾點進(jìn)行了探索。

一、創(chuàng)新引入實驗，豐富學(xué)生的感性認(rèn)識，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情

師：展示形狀大小不同的三塊磁鐵和一個2kg的鉛球，讓學(xué)生猜想哪個磁鐵磁性最強(qiáng)，并請學(xué)生上臺演示。

生：很多學(xué)生會先嘗試最大的蹄形磁鐵和稍小的條形磁鐵去吸引鉛球，發(fā)現(xiàn)都無法吸起來，最后意外發(fā)現(xiàn)利用最小的釹鐵硼磁鋼吸引起了鉛球。

設(shè)計意圖：現(xiàn)代認(rèn)知心理學(xué)認(rèn)為，興趣是產(chǎn)生動力的重要條件，是推動學(xué)習(xí)的一種內(nèi)部強(qiáng)勁的動力。學(xué)生頭腦中存在很多錯誤的概念，會認(rèn)為磁性的強(qiáng)弱與磁鐵的大小有關(guān)，通過經(jīng)歷與日常經(jīng)驗相背的實驗，能調(diào)動學(xué)生的好奇心，激發(fā)求知欲，迅速將學(xué)生的思維聚焦到所要研究的問題中來。

二、分層演示實驗，突出教學(xué)重點，幫助學(xué)生理解物理概念

類比電場的研究，引導(dǎo)學(xué)生理解磁場的性質(zhì)可以通過磁場對外的作用來進(jìn)行研究。那么如何研究磁場的方向呢？教師提示引入小磁針，并進(jìn)行演示實驗。

第一層某一個點放一枚小磁針，標(biāo)識靜止后小磁針N級的指向，得到該點的磁場方向。

第二層多個點各放置小磁針，標(biāo)識靜止后N級的指向，得到近似一條線上的各點的磁場方向。

第三層撤去原先條形磁鐵下方的白紙，白紙下面是一個排列著小磁針的有機(jī)玻璃盒，如圖所示，用以描述條形磁鐵同一個面上的磁場方向。

第四層動畫模擬展示條形磁鐵的磁場空間分布情況。

設(shè)計意圖：演示實驗的設(shè)計遵循從簡單到復(fù)雜的研究方式，首先最簡單的一個點，到一條線，再到一個面，最后上升到空間，理解磁場的空間存在性和方向性，幫助學(xué)生形成場的觀念。課堂教學(xué)中，物理實驗可以為學(xué)生理解抽象的物理概念，提供感性材料，通過鋪設(shè)臺階，創(chuàng)設(shè)良好的演示實驗的學(xué)習(xí)環(huán)境，可以有效的突出重點，突破難點。

三、注重探究性實驗的設(shè)計，培養(yǎng)科學(xué)思維

描述磁場強(qiáng)弱的物理量磁感應(yīng)強(qiáng)度的定義可以類比電場強(qiáng)度的定義來進(jìn)行，這是本節(jié)課的重點，也是難點?？梢酝ㄟ^任務(wù)驅(qū)動的方式，來組織學(xué)生學(xué)習(xí)。

任務(wù)一：電流元的定義

師：在電場中我們引入了試探電荷研究了電場強(qiáng)度，為了研究磁場中的受力情況，在磁場中應(yīng)該引入小磁針來作為試探還是引入小段電流來進(jìn)行試探？兩位同學(xué)為一小組，互相討論并說說選擇的原因。

生：互相討論，提出一些想法。

師：引導(dǎo)學(xué)生選擇小段電流進(jìn)行探究，并取名電流元。師生一起歸納原因：一是不存在磁單極子，小磁針某一極受力難確定;二是小磁針本身屬性很難量化，相反小段電流屬性很明確，即電流大小和導(dǎo)線的長度。

任務(wù)二：實驗方案的設(shè)計

師：要定義磁感應(yīng)強(qiáng)度，那么首先應(yīng)該選擇怎樣的磁場來研究比較好？為什么？

生：通過教師的引導(dǎo)，研究問題應(yīng)該從簡單到復(fù)雜，從特殊到一般的方法進(jìn)行。同學(xué)通過分析總結(jié)得出，先研究最簡單的勻強(qiáng)磁場，并且可以分析勻強(qiáng)磁場中的一段導(dǎo)線的受力情況，雖然得出的是一條線上的結(jié)論，但是由于勻強(qiáng)，處處相同，可以看作是各點疊加以后的結(jié)果。

師：電流的大小可以通過改變電壓實現(xiàn)，那么勻強(qiáng)磁場范圍有限，導(dǎo)線的長度如何改變呢？

生：通過改變線圈的匝數(shù)來改變磁場中導(dǎo)線的長度。

師：線圈電流的受力我們怎么測量？

生：在教師引導(dǎo)下，得出可以類比電流表的指針偏轉(zhuǎn)來進(jìn)行，也可以根據(jù)力的作用是相互的原理，轉(zhuǎn)換測量對象，研究磁場的受力來進(jìn)行。

教師展示裝置：

1.用磁性很強(qiáng)的環(huán)形磁鐵，兩面包裹鐵皮的方式制成長約15cm、厚約1cm的板形磁鐵，并用長約20cm，寬約10cm的木料制作骨架

2.用直徑0.5mm的漆包線繞制成200匝左右的多抽頭線圈（在50匝、100匝、150匝、200匝處抽頭）

3.鐵架臺固定線圈，電源、電流表、滑動變阻器、導(dǎo)線和電鍵構(gòu)成簡單串聯(lián)電路

4.實驗裝置如圖：通過測量通電后電子天平上磁鐵的受力變化，來研究線圈受的磁場力作用

設(shè)計意圖：根據(jù)建構(gòu)主義理論，概念教學(xué)要通過順應(yīng)，同化進(jìn)而進(jìn)行意義建構(gòu)。許多實驗設(shè)計構(gòu)思巧妙，思想方法獨特。學(xué)生通過實驗原理的分析，靈活的選擇器材，經(jīng)歷實驗設(shè)計的過程，可以讓學(xué)生更好的理解，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維方法。

四、經(jīng)歷實驗探究過程，學(xué)會數(shù)據(jù)分析歸納，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力

在完成實驗設(shè)計后，接下來學(xué)生要一起完成設(shè)計表格，記錄數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納和論證。由于導(dǎo)線受力與導(dǎo)線長度、電流大小以及電流方向和磁場的方向的夾角都有關(guān)系，應(yīng)當(dāng)采用控制變量的思想。首先確定電流和磁場垂直，接下來設(shè)計表格。

師：現(xiàn)在我們要探究導(dǎo)線受力和電流大小、導(dǎo)線長度的關(guān)系，應(yīng)該保持哪些物理量不變？改變哪些物理量呢？

生：保持電流不變，改變線圈的匝數(shù)，從而改變導(dǎo)線的長度，接著保持匝數(shù)不變，改變電流的大小，電流的大小可以通過滑動變阻器的調(diào)節(jié)來實現(xiàn)。

師：那么接下來我們怎么設(shè)計表格呢？

教師和學(xué)生合作設(shè)計表格，并完成實驗數(shù)據(jù)的收集。

師：首先來研究I不變的時候，F(xiàn)與L的關(guān)系。請同學(xué)們分析數(shù)據(jù)，思考如何找規(guī)律？

生：教師引導(dǎo)下，利用圖像法分析，可以得到，在誤差允許范圍內(nèi)，F(xiàn)∝L。

師：接下來研究L不變的時候，F(xiàn)與I的關(guān)系。

生：同理可得結(jié)論：誤差允許范圍內(nèi)，F(xiàn)∝I。

師：那么F與I、L兩者存在怎樣的關(guān)系呢？

師：啟發(fā)學(xué)生綜合分析，得出結(jié)論F∝IL，即F/IL是一個定值。思考同一個磁場比值是定值，那么不同的磁場比值會怎樣呢？

師生合作進(jìn)一步實驗，在原來磁鐵處再加兩塊磁鐵，磁場增強(qiáng)，發(fā)現(xiàn)比值仍是定值，不過比原來的大了。通過這一實驗，可以歸納得出，F(xiàn)/IL是可以用來描述磁場強(qiáng)弱的物理量。

師：類比電場，比較電場強(qiáng)度的定義和磁感應(yīng)強(qiáng)度的定義的聯(lián)系和區(qū)別，并思考如果非勻強(qiáng)磁場，這個定義式成立嗎？

生：都是利用引入試探的研究對象進(jìn)行比值定義的方式得到的，如果非勻強(qiáng)磁場，只要導(dǎo)線長度足夠短，研究的位置還是可以當(dāng)做勻強(qiáng)處理，所以仍舊成立。

設(shè)計意圖：蘇霍姆林斯基說過，“人的內(nèi)心里有一種根深蒂固的需求——總想感覺到自己是發(fā)現(xiàn)者、探究者?！弊⒅刈寣W(xué)生經(jīng)歷數(shù)據(jù)收集處理過程，從現(xiàn)象和實驗中歸納科學(xué)規(guī)律，是物理教學(xué)的重要環(huán)節(jié)。通過使用圖像法和比值法等數(shù)學(xué)方法，能形成學(xué)生初步的數(shù)據(jù)分析概括的能力，提高學(xué)生科學(xué)探究的能力。

綜上所述，著眼于激發(fā)學(xué)生興趣的引入實驗、著眼于觀察分析與推理能力的演示實驗、著眼于探究意識和探究能力的探究實驗，通過創(chuàng)新實驗方法，挖掘?qū)嶒瀮r值，引領(lǐng)學(xué)生體驗透過現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)本質(zhì)的科學(xué)思維過程，從中學(xué)到科學(xué)方法，提高思維品質(zhì)，發(fā)展科學(xué)素養(yǎng)。

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（作者單位：浙江省慈溪中學(xué)，浙江慈溪315300）