核心素養(yǎng)視域下的高中物理實驗二次開發(fā)①

鄒鳳華 鄭發(fā)清

一、高中物理實驗教學二次開發(fā)的重要意義

隨著普通高中物理新課程標準的推出與深入推進，進一步落實立德樹人根本任務，提升學生綜合素質(zhì)，發(fā)展核心素養(yǎng)，已成為物理教學的重要任務。受到“應試思想”的影響，高中物理實驗教學中還存在一些比較突出的問題，如重視理論和實驗結(jié)論的講授而不注重物理實驗的過程；演示實驗通常由教師獨攬，學生沒有動手操作的機會，實驗教學流于形式。很多實驗不懂得如何去開發(fā)，去設計，去探究，導致物理實驗與理論出現(xiàn)了嚴重的脫節(jié)，忽視學生學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。《普通高中物理課程標準》(2017 版)強調(diào)指出：“要重視課程資源的開發(fā)、整合與利用，積極開發(fā)與利用數(shù)字媒體課程資源，教師要積極利用各種器材，積極創(chuàng)新實驗方式，盡可能多地開發(fā)出可視性強、證據(jù)性強、能引起學生濃厚興趣的演示實驗和分組實驗，要利用日常生活資源改進實驗或開發(fā)新實驗”?？梢姡谛抡n程背景下，教師不能再只是“教材的消費者”，更應努力成為“教材的開發(fā)者”。另外，由于教材編寫具有時代性，很多物理實驗已經(jīng)可以用更精確，更完善的方法進行，因此，有原有實驗基礎上，對物理實驗進行二次開發(fā)，對實驗方案進行重構(gòu)，把“教教材”轉(zhuǎn)變成“用教材教”，提高教學的有效性，是每位教師都應努力的方向。只有這樣，才能不斷提升學生的實驗素養(yǎng)，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神，提高學生分析問題和解決問題的能力。

二、高中物理實驗二次開發(fā)的途徑

從某種意義上說，教材只是給教師的教學搭建了一個粗線條的知識和方法框架。教材的“二次開發(fā)”，即教師和學生在教學過程中，依據(jù)普通高中物理課程標準對教材中的部分教學內(nèi)容進行適當增減，比如有的實驗，如果按照書本上的實驗操作，難度很大，甚至無法完成，此時就需要對實驗方案進行重構(gòu)，讓大多數(shù)學生都能夠完成，以達到更好的實驗效果。因此，在具體的教學過程中，教師應仔細研讀教材，根據(jù)學校的實驗條件，學生現(xiàn)有的認知水平，依據(jù)教學目標，對教材內(nèi)容進行“二次開發(fā)”，使教學內(nèi)容更好地符合學生認知發(fā)展水平。

(一)對物理實驗原理、實驗方法的二次開發(fā)

認真研究實驗的基本原理是對實驗進行二次開發(fā)的前提，只有在充分了解實驗基本原理基礎上，才能對實驗方案進行改進。立足教材但不拘泥教材，充分把握教材，分析實驗。比如為了減小實驗系統(tǒng)誤差，在實驗原理上有沒有更加完善的方法，使實驗的精確度更高，實驗步驟更易操作，實驗現(xiàn)象更加明顯，實驗過程更加穩(wěn)定等。為了減小實驗偶然誤差，在數(shù)據(jù)分析和處理方面有沒有更加科學的方法。有些實驗，課本中沒有設置，但是為了使教學效果更加明顯，教師也可以自己進行實驗創(chuàng)新，從而避免口頭講解實驗。在二次開發(fā)過程中要注重實驗原理的可操作性和實效性。例如在魯科版選修3-2 第2 章第1 節(jié)“探究感應電流的方向”的實驗中，如圖1 所示，如果我們依照教材編寫的實驗順序進行教學，雖然實驗操作不是很復雜，但是由于實驗過程中學生要記錄的物理量變化太多，分散了學生的注意力，學生往往抓不住重點，搞不清楚實驗到底要得出一個什么結(jié)論，從而使學生的思維出現(xiàn)混亂，難以形成科學思維推理，不利于學生得出實驗結(jié)論。同時因為實驗關注點太多，實驗過程繁雜，反而會阻礙學生的思維。如果我們將實驗方法進行創(chuàng)新，改裝成如圖2 所示的簡易裝置，將紅、綠兩個發(fā)光二極管反向關聯(lián)到線圈兩端，將螺線管、發(fā)光二極管固定在長木板上，再在長木板上繪制好實驗電路圖，然后標出紅、綠兩個二極管的正極和負極。這樣做的目的使學生容易根據(jù)二極管的發(fā)光來確定螺線管中感應電流方向，減少了中間環(huán)節(jié)。

圖1

圖2

表1 線圈內(nèi)磁通量增加時的情況表2 線圈內(nèi)磁通量減少時的情況

引導學生把關注點放在感應電流的磁場方向與原磁場方向的關系上，學生能夠很清楚地看出原磁場B與感應電流磁場B′的大小和方向變化的關系，容易調(diào)動學生的興趣，促進學生探究的積極性，形成科學的思維方法，效果明顯。

(二)對物理實驗儀器的二次開發(fā)

1.改進實驗儀器，開發(fā)創(chuàng)新性實驗

在實驗教學過程中，最終目的還是使學生的創(chuàng)新能力和發(fā)散思維能力得到培養(yǎng)，這就要求學生能夠根據(jù)所學物理知識進行自主實驗設計或者對課本中的實驗進行二次創(chuàng)新，一方面可以提高實驗的科學性和精確性，使實驗更趨完善；另一方面可以發(fā)揮學生的自主能動性，激發(fā)學生的學習熱情，使實驗教學內(nèi)容更加豐富，不至于形式老套，從而提高實驗教學質(zhì)量和教學效率。例如在驗證牛頓第二定律的實驗中，教材上采用的是如圖3 裝置，在做完該實驗后，可以讓學生再分組進行實驗，探討如何利用光電門、力傳感器、氣墊導軌等儀器對該實驗進行創(chuàng)新，寫出實驗的二次開發(fā)方案并討論重構(gòu)后的實驗裝置與課本的上裝置比較，在實驗原理、實驗精確度及實驗便捷性等方面有哪些改進，最后形成如圖4 所示實驗裝置，總結(jié)出在以下幾個方面進行了創(chuàng)新：氣墊導軌代替長木板，無需平衡摩擦力；力傳感器測量滑塊所受的拉力，鉤碼的質(zhì)量不需要遠小于滑塊質(zhì)量，更無需測鉤碼的質(zhì)量；用光電門代替打點計時器，利用遮光條和光電門測得滑塊的末速度，由刻度尺讀出遮光條中心初始位置與光電門之間的距離，由運動學公式求出滑塊的加速度。這樣，通過實驗二次開發(fā)，一方面可以使學生加深對物理知識的理解，更重要的是通過實驗設計與動手操作、觀察現(xiàn)象與記錄數(shù)據(jù)、分析歸納得出結(jié)論等環(huán)節(jié)，全方位地培養(yǎng)學生的科學探究能力，從而有效提升學生的學科素養(yǎng)。

圖3

圖4

2.動手制作、自主選擇儀器進行實驗創(chuàng)新

實驗課程資源不僅限于實驗室的現(xiàn)有儀器和設備，在實驗器材不能滿足實驗要求時，我們要想辦法動手制作，設計出符合實驗要求的實驗器材。例如，在高中電學實驗中測量電流或電壓時，經(jīng)常會碰到所用電壓表或電流表量程不夠的現(xiàn)象，也就是所測電流或電壓超過電表的量程，此時應讓學生利用電表改裝原理，自己動手去改裝量程更大的電表，以滿足實驗要求，這樣可使學生有更多動手實驗的機會，更好地培養(yǎng)和發(fā)展學生的實驗技能、創(chuàng)新實踐能力。自主選擇實驗儀器進行創(chuàng)新實驗也是實驗教學二次開發(fā)的一個方面，例如在測量電源電動勢和內(nèi)阻實驗中，課本采用的是伏安法，即如圖5 所示裝置，在完成這個實驗后，可以讓學生分析討論，如果利用電阻箱和電壓表，或者利用電阻箱和電流表，根據(jù)閉合電路歐姆定律，能不能測量出電源電動勢和內(nèi)阻呢?通過小組合作討論，設計出如圖6 和如圖7 所示的電路圖，并分析這兩個裝置的實驗原理及系統(tǒng)誤差跟裝置5 比較，有什么異同。通過自主選擇儀器進行實驗創(chuàng)新可使學生進一步加深對所學知識的理解，培養(yǎng)發(fā)散思維能力。

圖5

圖6

圖7

此外，物理實驗二次開發(fā)還體現(xiàn)在實驗教學方式上，如改演示實驗為師生協(xié)同實驗，它改變了傳統(tǒng)的老師講實驗，學生看實驗的模式，而是改為在老師指導下學生動手操作，再分析、歸納得出結(jié)論；變驗證性實驗為探索性實驗，鼓勵學生發(fā)散思維，進行多方位、多角度觀察、思考、探索、想象，從而提出多種解決問題的方案，在此基礎上，再引導學生收斂思維，確定解決問題的最佳方案。隨著多媒體輔助教學、DIS 實驗等信息技術的應用，物理實驗二次開發(fā)的途徑也越來越多，教師在進行教材二次開發(fā)設計創(chuàng)新實驗時，要求實驗內(nèi)容能有效突破教學重難點，實驗原理科學性正確，實驗現(xiàn)象明顯且直觀，實驗結(jié)果準確，操作簡單，實驗器材容易獲取，能引起學生強烈的認知沖突，調(diào)動學生的思維。實驗教學不應墨守成規(guī)，而應該大膽地對傳統(tǒng)實驗及教材中未曾出現(xiàn)的實驗進行開發(fā)和創(chuàng)新，以更好地發(fā)展和培養(yǎng)學生的實驗技能和探究能力。