核心素養(yǎng)導(dǎo)向下高中物理實驗探究能力的培養(yǎng)策略

夏雪芬

（江蘇省儀征市儀征中學(xué)，江蘇儀征 211400）

引 言

新課程改革強調(diào)高中物理教學(xué)要從知識本位走向素養(yǎng)本位，提出培養(yǎng)學(xué)生內(nèi)在素養(yǎng)的目標(biāo)。物理實驗探究能力是一項重要的核心素養(yǎng)，此項能力的強弱與學(xué)生在物理學(xué)科上的整體表現(xiàn)聯(lián)系密切。在物理實驗教學(xué)中，教師要有目的地創(chuàng)設(shè)一定的條件，引導(dǎo)學(xué)生基于客觀事實和嚴(yán)密的思維過程展開探究，然后發(fā)現(xiàn)規(guī)律。在以往的教學(xué)實踐中，教師往往側(cè)重讓學(xué)生用實驗來驗證課本中的知識，以深化學(xué)生對知識的理解，但對探究過程本身并不重視。在培養(yǎng)核心素養(yǎng)的導(dǎo)向下，教師要注重調(diào)整教學(xué)重心。下面，筆者擬結(jié)合自身的教學(xué)經(jīng)驗，探討如何培養(yǎng)學(xué)生的實驗探究能力。

一、基于問題，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實驗

（一）依據(jù)既有知識導(dǎo)出問題

物理實驗是基于具體問題展開的，實驗設(shè)計的前提是提出問題。因此，在教學(xué)中，教師不應(yīng)讓學(xué)生被動接受實驗方案，而要基于問題定位實驗?zāi)繕?biāo)[1]。這些問題是從既有知識中導(dǎo)出的，能夠反映學(xué)生對知識的理解程度，以及進一步求知的意愿。

例如，在開展“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”實驗時，教師可以先提出問題：“加速度與哪些物理量有關(guān)？”然后讓學(xué)生從“運動狀態(tài)的變化”角度來理解“加速度”概念，引導(dǎo)學(xué)生回顧有關(guān)牛頓第一定律和慣性的知識，進而發(fā)現(xiàn)“力”和“質(zhì)量”兩個影響因素。其次，教師引導(dǎo)學(xué)生提出具體問題：“加速度與力和質(zhì)量存在什么樣的關(guān)系？”教師在實驗教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生設(shè)問，能夠讓學(xué)生了解實驗的意義，提升學(xué)生的思維品質(zhì)。

（二）立足實驗?zāi)繕?biāo)創(chuàng)建模型

在物理實驗中，教師要用模型來模擬實際生活中的現(xiàn)象，使現(xiàn)象處于可控制和調(diào)整的狀態(tài)，滿足探究的需求。在設(shè)計階段，對實驗?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計是關(guān)鍵。當(dāng)正確創(chuàng)建模型后，整個實驗活動就成功了一大半。教師可以引導(dǎo)學(xué)生分析實驗?zāi)繕?biāo)，思考如何創(chuàng)建模型。仍以“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”實驗為例，本實驗要使用常見的小車模型，其中的難點在于讓實驗?zāi)Ｐ捅阌跍y量小車在做勻加速運動時受到的力。為了讓學(xué)生理解難點并找出應(yīng)對方法，教師可以提出問題：“小車從初速度為0的狀態(tài)開始運動時，受到哪些力的作用？”由此明確“阻力”和“拉力”兩個因素，并引出阻力難于測量的問題。然后，教師指導(dǎo)學(xué)生閱讀課本內(nèi)容，了解“阻力補償法”，最后展示各類實驗材料，引導(dǎo)學(xué)生使用斜面、小車、打點計時器、槽碼等材料創(chuàng)建模型。這種方式可以讓學(xué)生學(xué)會如何基于具體問題創(chuàng)建模型，從而提升學(xué)生的實驗設(shè)計能力。

（三）針對探究過程制訂計劃

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》提道：“應(yīng)通過實驗提高學(xué)生制訂計劃的能力?！睂嶒炇菍W(xué)生的自主性行為，計劃越是周密，學(xué)生的主體參與度就越高。教師要引導(dǎo)學(xué)生預(yù)想實驗探究過程，然后制訂多項計劃。對模型的創(chuàng)設(shè)本身就是一項計劃，創(chuàng)設(shè)模型后便形成了實驗計劃的基本框架[2]。在此基礎(chǔ)上，還可形成合作分工計劃和信息分析計劃。合作分工計劃是指學(xué)生在學(xué)習(xí)小組內(nèi)分配探究任務(wù)的計劃。在以上實驗中，同一小組的學(xué)生可以分工完成更換槽碼、滑動小車、記錄等任務(wù)。信息分析計劃是指關(guān)于如何對實驗證據(jù)進行分析的計劃。在以上案例中，對加速度的測量要通過對紙帶的觀察和分析來完成，這部分要加入信息分析計劃中。教師可以引導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計實驗探究工作表，詳細列出實驗計劃。

二、通過探究，理解實驗方法

（一）分步操作，控制變量

控制變量的方法是指在研究和解決問題的過程中，對影響事物變化規(guī)律的獨立因素加以人為控制，使其中只有一個因素按特定要求發(fā)生變化，深入了解該因素與其他因素之間的關(guān)系，以利于尋找事物之間聯(lián)系的方法，是實驗活動中廣泛運用的方法[3]。物理實驗一般分多個步驟來操作，在不同的條件下多次重復(fù)同一過程，其本質(zhì)是對變量的控制。教師可引導(dǎo)學(xué)生在分步操作中體會控制變量法的運用，而非僅讓學(xué)生跟隨教師的要求完成操作，具體可以使用提問法激活學(xué)生的思維。

例如，在“探究小車速度隨時間變化的規(guī)律”中，要在增減槽碼的情況下讓小車拖著紙帶運動三次。教師可提問：“為什么要重復(fù)實驗三次，我們要調(diào)整哪一個變量？”學(xué)生最初可能會提出要改變拉力，但是拉力并不是本實驗中直接相關(guān)的變量。通過思考，學(xué)生會意識到本實驗要通過增減槽碼改變速度變量，以發(fā)現(xiàn)在不同速度下不變的等量關(guān)系。

（二）準(zhǔn)確記錄，提取數(shù)據(jù)

開展實驗操作要從模型中提取數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)探究變量之間的關(guān)系。提取數(shù)據(jù)對應(yīng)著實驗中記錄的過程，這部分活動重在客觀準(zhǔn)確地捕捉事實，并以結(jié)構(gòu)化的方式記錄數(shù)據(jù)[4]。有的數(shù)據(jù)可直接觀察到并記錄下來，如關(guān)于槽碼質(zhì)量的數(shù)據(jù)；有的數(shù)據(jù)則需要經(jīng)過初步的運算才能記錄下來。

例如，在“探究小車速度隨時間變化的規(guī)律”實驗中，學(xué)生要分析紙帶上的打點結(jié)果，再通過公式算出各計算點上的瞬時速度。教師可以指導(dǎo)學(xué)生先根據(jù)實驗?zāi)繕?biāo)制作出記錄數(shù)據(jù)的表格，然后在實驗操作后，經(jīng)交流和確認(rèn)后進行記錄，以培養(yǎng)學(xué)生良好的實驗探究習(xí)慣，讓學(xué)生熟悉實驗探究的科學(xué)流程。

（三）數(shù)據(jù)處理，抽象表達

由開展實驗所獲得的數(shù)據(jù)本身并不是結(jié)論，結(jié)論要通過數(shù)據(jù)處理獲得，再以抽象化的方式表達出來。較為簡單的變量關(guān)系，如勻速直線運動中位移、時間與速度之間的關(guān)系等，可以通過直接觀察和計算來處理數(shù)據(jù)。較為復(fù)雜的變量關(guān)系，則可以用圖像方式來處理數(shù)據(jù)。

例如，在“探究小車速度隨時間變化的規(guī)律”實驗中，完成實驗操作后，教師可以引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)建以速度v為縱軸、以時間t為橫軸的直角坐標(biāo)系，然后描點畫出v-t圖像，顯示v與t之間的關(guān)系。繪圖后，學(xué)生會發(fā)現(xiàn)代表小車速度與時間關(guān)系的點基本落在同一條直線上，這條直線表示的就是v與t之間的關(guān)系。教師還可以給學(xué)生傳授用計算機完成圖像處理的方法，即運用Excel軟件中的圖表功能自動生成圖像。

另外，教師可以引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合圖像用公式來表達結(jié)論。在以上實驗中，我們通過觀察數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，無論處在哪種區(qū)間內(nèi)，對應(yīng)速度的變化量Δv與時間的變化量Δt的比都是相等的，因此小車的加速度不變。將結(jié)合起來，可以將v與t之間的關(guān)系表達為公式v=v0+at。抽象化的表達是對實驗背后普遍規(guī)律的概括。教師在課堂上講解公式生成過程時，可以讓學(xué)生借助讀圖和既有知識說明推導(dǎo)過程，發(fā)散學(xué)生的思維，讓學(xué)生體驗從數(shù)據(jù)分析到得出結(jié)論并表達的全過程。

結(jié) 語

總之，物理實驗教學(xué)可以讓學(xué)生掌握科學(xué)探究的一般性原則，反映了物理學(xué)科的精髓。教師要培養(yǎng)學(xué)生的實驗設(shè)計能力，讓學(xué)生在實驗探究過程中掌握實驗方法，并以實驗促進學(xué)生思維能力的整體提升，讓實驗教學(xué)切實成為促進學(xué)生核心素養(yǎng)發(fā)展的有力支架。