基于核心素養(yǎng)的情境化實(shí)驗(yàn)教學(xué)

顧建元

(江蘇省蘇州工業(yè)園區(qū)教師發(fā)展中心,江蘇 蘇州 215021)

物理學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué),實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要途徑，教學(xué)中創(chuàng)設(shè)貼近學(xué)生實(shí)際的情境化實(shí)驗(yàn),可更好地激發(fā)學(xué)生探究學(xué)習(xí)的激情,有效培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng),為學(xué)生的終身發(fā)展奠定基礎(chǔ),充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)的育人功能。

1 創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)情境,引導(dǎo)推理歸納,培養(yǎng)科學(xué)思維能力

物理概念的建構(gòu)需要?jiǎng)?chuàng)設(shè)情境,物理規(guī)律的探究也需要?jiǎng)?chuàng)設(shè)情境。一方面可以創(chuàng)新教材實(shí)驗(yàn),讓實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)過程更加切合學(xué)生實(shí)際,引導(dǎo)學(xué)生沿著科學(xué)家的足跡經(jīng)歷探究過程,有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神；另一方面,可以創(chuàng)新問題情境,引導(dǎo)學(xué)生觀察現(xiàn)象、尋找證據(jù)、分析推理、得出結(jié)論,有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力。

在探究“楞次定律”的教學(xué)中,教材中的探究性實(shí)驗(yàn)是利用圖1所示裝置,將條形磁鐵的S和N極分別插入或拔出閉合線圈,通過觀察感應(yīng)電流方向、線圈繞向、磁鐵的極性以及相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向,從中找出它們之間的關(guān)系,再推理、歸納、總結(jié)出結(jié)論。在實(shí)際教學(xué)中發(fā)現(xiàn),利用該實(shí)驗(yàn)探究獲得楞次定律,無論在教學(xué)時(shí)間的安排上,還是在學(xué)生自主探究的效果上,都不盡人意；在尋找“感應(yīng)電流的方向”與“磁通量變化”的關(guān)系時(shí),學(xué)生更是無從下手,即便是教師按照教材中引入“中介”——感應(yīng)電流的磁場(chǎng),來進(jìn)行啟發(fā)引導(dǎo),學(xué)生也感到較難理解,不利于調(diào)動(dòng)學(xué)生的探究熱情。

圖1

為此,筆者創(chuàng)新了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),根據(jù)“來拒去留”現(xiàn)象自制了如圖2所示的教具。通過簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié),降低探究難度,設(shè)計(jì)問題鏈,讓學(xué)生明確探究方向,引導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行質(zhì)疑、分析、推理和歸納,較為順利地總結(jié)出楞次定律。

圖2

問題1：產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件是什么？

以此問題啟發(fā)學(xué)生循著磁通量變化方向思考。

問題2：如圖3所示,將強(qiáng)磁鐵插入線圈時(shí),觀察到藍(lán)色二極管發(fā)光,且小車運(yùn)動(dòng)方向與磁鐵運(yùn)動(dòng)方向相同,則線圈中磁通量如何變化？如圖4所示,將強(qiáng)磁鐵較快地拔出線圈,觀察到紅色二極管發(fā)光,且小車運(yùn)動(dòng)方向與磁鐵運(yùn)動(dòng)方向相同,則線圈中磁通量又如何變化？

圖3

圖4

引導(dǎo)學(xué)生分析歸納得出：二極管發(fā)光表明有電流產(chǎn)生,雖然電流方向不同,但不管插入還是拔出磁鐵，其共性都是磁通量發(fā)生變化。

問題3：小車為什么會(huì)動(dòng)起來？

引導(dǎo)學(xué)生分析得出：磁鐵插入時(shí)小車受到斥力,拔出時(shí)受到引力,從而判斷感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向。

問題4：小車及線圈的運(yùn)動(dòng)對(duì)磁通量變化起什么作用？

引導(dǎo)學(xué)生把小車運(yùn)動(dòng)的這個(gè)“果”與磁通量變化這個(gè)“因”聯(lián)系起來。

問題5：能不能將上述兩種情形的結(jié)論統(tǒng)一起來,概括為普適的規(guī)律？

引導(dǎo)學(xué)生由兩個(gè)分立的結(jié)論,合并為普適的規(guī)律,培養(yǎng)學(xué)生由特殊到的推理能力。

教學(xué)實(shí)踐證明：以實(shí)驗(yàn)情境為驅(qū)動(dòng)、以發(fā)展思維為中心的實(shí)驗(yàn)教學(xué),更有利于學(xué)生掌握科學(xué)思維方法,提升學(xué)生的科學(xué)思維品質(zhì)。

2 創(chuàng)新改造實(shí)驗(yàn)情境,促進(jìn)反饋創(chuàng)新機(jī)會(huì),提升科學(xué)探究能力

科學(xué)探究是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成部分,實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要教師創(chuàng)新改造實(shí)驗(yàn)情境,創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)方式,以過程為主線,引導(dǎo)學(xué)生深度探究,讓學(xué)生在過程體驗(yàn)中感悟規(guī)律,在解決問題中體會(huì)科學(xué)方法,在“實(shí)踐——認(rèn)識(shí)——再實(shí)踐——再認(rèn)識(shí)”中內(nèi)化知識(shí),提高科學(xué)探究能力。

在“探究牛頓第二定律”實(shí)驗(yàn)時(shí),鑒于學(xué)生的知識(shí)基礎(chǔ),教師通常直接告知學(xué)生本實(shí)驗(yàn)為了便于測(cè)量小車受到的合外力,必須采取兩個(gè)必要措施：一是平衡摩擦力；二是實(shí)驗(yàn)中必須保證小車質(zhì)量遠(yuǎn)大于鉤碼質(zhì)量。滿足這兩個(gè)條件,可以認(rèn)為小車所受合外力在數(shù)值上等于鉤碼所受重力。如此的實(shí)驗(yàn)教學(xué),學(xué)生對(duì)知識(shí)和規(guī)律的認(rèn)識(shí)處于識(shí)記層級(jí),不利于學(xué)生的科學(xué)探究能力的生長(zhǎng)與發(fā)展。

在學(xué)習(xí)連接體之后，再回到此實(shí)驗(yàn)，追問學(xué)生：為什么在該實(shí)驗(yàn)中必須要平衡摩擦力,且滿足小車質(zhì)量遠(yuǎn)大于鉤碼質(zhì)量？通過創(chuàng)意改新實(shí)驗(yàn)情境,引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用牛頓第二定律和連接體知識(shí)進(jìn)行論證,幫助學(xué)生掌握知識(shí)、感悟方法,讓學(xué)生“知其然,知其所以然”,促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)。

改造1：如圖5所示,裝置中小車A左端連接一紙帶并穿過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器B的限位孔,右端用一輕繩繞過滑輪系于力傳感器C的下端,A、B置于水平放置的一端帶有定滑輪的足夠長(zhǎng)的木板上，不計(jì)繩與滑輪的摩擦及滑輪的質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)時(shí),先接通電源再釋放小車,打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上打下一系列點(diǎn)。在保證小車A質(zhì)量不變的情況下,通過改變P的質(zhì)量來改變小車A所受的外力。用此實(shí)驗(yàn)裝置來驗(yàn)證牛頓第二定律是否需要平衡摩擦力？實(shí)驗(yàn)時(shí)是否需要滿足小車質(zhì)量遠(yuǎn)大于P的質(zhì)量？

圖5

改造2：在“探究加速度與物體受力的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)中,設(shè)計(jì)出如圖6所示的實(shí)驗(yàn)方案。調(diào)節(jié)長(zhǎng)木板的傾角,輕推小車,使小車能沿長(zhǎng)木板向下做勻速運(yùn)動(dòng)；取下細(xì)繩和掛盤,記下掛盤中槽碼的質(zhì)量m；先接通電源,再放開小車,在紙帶上打出一系列點(diǎn),由紙帶求得小車的加速度a；重新掛上細(xì)繩和掛盤,改變掛盤中槽碼的質(zhì)量,重復(fù)前面實(shí)驗(yàn)步驟,求得小車在不同合外力F作用下的加速度。按上述方案做實(shí)驗(yàn),是否要求槽碼和掛盤的總質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量？

圖6

通過創(chuàng)新改造實(shí)驗(yàn)情境和問題設(shè)計(jì),避免了學(xué)生機(jī)械學(xué)習(xí)、死記硬背和思維定勢(shì)；同時(shí),把傳感器應(yīng)用到了中學(xué)物理實(shí)驗(yàn),簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)條件,讓學(xué)生體會(huì)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展給人類的學(xué)習(xí)、生活、科研帶來了極大便利,也滲透了STSE教育理念。

3 創(chuàng)新自制實(shí)驗(yàn)教具,樹立科學(xué)態(tài)度和責(zé)任

科學(xué)態(tài)度和責(zé)任也是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成部分,高中物理教學(xué)中要十分重視對(duì)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任感的培養(yǎng),通過物理學(xué)習(xí)認(rèn)識(shí)科學(xué)的本質(zhì),認(rèn)識(shí)科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)、環(huán)境之間的聯(lián)系,增強(qiáng)學(xué)生環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的意識(shí),提升其社會(huì)責(zé)任感，物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)是進(jìn)行科學(xué)態(tài)度和責(zé)任培養(yǎng)的一種有效形式。在沒有現(xiàn)成實(shí)驗(yàn)器材的情況下,教師通過研制直觀的實(shí)驗(yàn)教具,把科學(xué)態(tài)度和責(zé)任的培養(yǎng)根植于物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)之中,是一種行之有效的策略。

例如,在“遠(yuǎn)距離輸電”的教學(xué)中,我們利用自制教具形象直觀地模擬輸電線路中輸電導(dǎo)線電阻對(duì)輸電效率的影響和高壓輸電能減少電能損失的原理。圖7是不經(jīng)變壓器升壓而直接輸電時(shí)小燈泡發(fā)光較暗的實(shí)驗(yàn)效果圖。改用變壓器升壓后進(jìn)行高壓輸電,小燈泡的亮度明顯變亮,說明用戶得到的電功率明顯變大,根據(jù)能量守恒定律，在輸電線路上損失的功率大大降低(圖8)。

圖7

圖8

基于學(xué)生平時(shí)做的實(shí)驗(yàn)和練習(xí),一般都不考慮導(dǎo)線的電阻對(duì)電路的影響。創(chuàng)設(shè)以上實(shí)驗(yàn)情境,打破了學(xué)生的常規(guī)思維,引導(dǎo)學(xué)生具體問題具體分析,認(rèn)識(shí)在電能輸送過程中導(dǎo)線的電阻對(duì)電能輸送產(chǎn)生的影響。同時(shí),也讓學(xué)生體會(huì)到了日常生活中所蘊(yùn)含的物理原理,幫助學(xué)生樹立實(shí)事求是、注重細(xì)節(jié)的科學(xué)態(tài)度,增強(qiáng)其關(guān)注生活、關(guān)注社會(huì)的社會(huì)責(zé)任感。

總之,為培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng),應(yīng)該讓學(xué)生在情境中經(jīng)歷學(xué)習(xí)過程,在觀察、體驗(yàn)、探究、質(zhì)疑、感悟和論證中建構(gòu)物理知識(shí)、掌握科學(xué)方法,內(nèi)化為具有物理學(xué)科特性的價(jià)值觀念、必備品質(zhì)和關(guān)鍵能力。通過創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)情境,激發(fā)學(xué)生的求知欲和創(chuàng)造潛能,提高科學(xué)思維能力,養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度,強(qiáng)化學(xué)生的社會(huì)責(zé)任擔(dān)當(dāng),核心素養(yǎng)必將在知識(shí)與技能的習(xí)得過程得到提升。