學(xué)科核心素養(yǎng)指引下體驗(yàn)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)策略
——以高三第二輪“測(cè)量類”實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)教學(xué)為例

居 津

（江蘇省蘇州實(shí)驗(yàn)中學(xué)，江蘇 蘇州 215011）

1 問題的提出

實(shí)驗(yàn)題一直是高考試卷中重要題型，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)活動(dòng)中所經(jīng)歷的探究過程，所領(lǐng)會(huì)的思想方法，對(duì)促進(jìn)學(xué)生掌握物理知識(shí)，培養(yǎng)物理學(xué)科核心素養(yǎng)有著舉足輕重的作用.近幾年來，江蘇高考實(shí)驗(yàn)題的出題風(fēng)格在逐步轉(zhuǎn)變，新高考要求的實(shí)驗(yàn)考查內(nèi)容也有所增加，但實(shí)驗(yàn)考查的要求基本吻合.［1］表1統(tǒng)計(jì)了從2017年至今的考查內(nèi)容，筆者將其分為測(cè)量類、驗(yàn)證類和探究類3種.

表1 近5年江蘇高考實(shí)驗(yàn)考查內(nèi)容分類表

從統(tǒng)計(jì)表中不難發(fā)現(xiàn)，測(cè)量類的實(shí)驗(yàn)考查在近5年高考試卷中出現(xiàn)比例接近60%，分析其原因可能是.

（1）同一測(cè)量目的的實(shí)驗(yàn)可根據(jù)需要賦予不同的實(shí)驗(yàn)情境例如2018年和2020年均考查了“測(cè)量重力加速度”的實(shí)驗(yàn)，但2018年利用細(xì)繩跨過固定在鐵架臺(tái)上的輕質(zhì)滑輪，兩端各懸掛一只質(zhì)量為M的重錘進(jìn)行測(cè)量，如圖1；而2020年利用自由落體拍攝頻閃照片進(jìn)行測(cè)量，如圖2.對(duì)于同樣的實(shí)驗(yàn)?zāi)康模捎貌煌膶?shí)驗(yàn)方法進(jìn)行研究，能有效促進(jìn)學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng).

圖1 2018年江蘇高考測(cè)量重力加速度實(shí)驗(yàn)方案

圖2 2020年江蘇高考測(cè)量重力加速度實(shí)驗(yàn)方案

（2）測(cè)量類更能考查實(shí)驗(yàn)操作細(xì)節(jié).例如2021年新高考第一次適應(yīng)性考試第1問考查了實(shí)驗(yàn)操作步驟，第2問考查了真實(shí)紙帶的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量等，這充分引導(dǎo)學(xué)生積極參與到做實(shí)驗(yàn)中去，從而促進(jìn)學(xué)生多動(dòng)手，多動(dòng)腦，體現(xiàn)了學(xué)生對(duì)科學(xué)求真態(tài)度的考查.

（3）測(cè)量類實(shí)驗(yàn)相比于驗(yàn)證類實(shí)驗(yàn)不知道實(shí)驗(yàn)結(jié)論，更能考查學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和進(jìn)行誤差分析.例如2018年測(cè)量重力加速度實(shí)驗(yàn)第3問提出如何用橡皮泥減小滑輪的摩擦力，很多學(xué)生都有無從下手的感覺，其實(shí)就是一個(gè)加速度大小相同方向不同的連接體問題.因此數(shù)據(jù)的處理及誤差分析是考查學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ闹匾矫?，?］它能有助于學(xué)生更深刻的理解實(shí)驗(yàn)原理，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法，培養(yǎng)學(xué)生的理解能力和創(chuàng)新思維.

通過上述分析，不難發(fā)現(xiàn)高考二輪實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)乃至整個(gè)高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)不能僅以獲得知識(shí)與技能為目標(biāo)，應(yīng)該是思維方法、能力提升多維目標(biāo)并進(jìn)的過程.要達(dá)成這樣的目標(biāo)，離不開學(xué)生的“親力親為”，只有親自體驗(yàn)，才能達(dá)到物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的，還原實(shí)驗(yàn)本質(zhì)，體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)價(jià)值.［3］

2 核心素養(yǎng)指引下體驗(yàn)式教學(xué)策略

2.1 基于物理觀念的“思維體驗(yàn)”

2.1.1 提出問題

師：實(shí)驗(yàn)室中，你有哪些方法測(cè)量重力加速度？學(xué)生思考、討論回答問題，提出不同的測(cè)量方法.

師：如何測(cè)？這些方法對(duì)應(yīng)的物理學(xué)原理是什么？相應(yīng)需要哪些器材？

2.1.2 學(xué)生根據(jù)所學(xué)知識(shí)設(shè)計(jì)方案

生1：利用自由落體裝置測(cè)重力加速度.

生2：利用單擺測(cè)重力加速度.

2.1.3 學(xué)生相互評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)方案

方案1（如圖3）選材簡(jiǎn)單、常規(guī)，操作簡(jiǎn)單，是最熟悉、最容易想到的方案.測(cè)量計(jì)數(shù)點(diǎn)間距，原理：

圖3 自由落體運(yùn)動(dòng)+打點(diǎn)計(jì)時(shí)器+刻度尺

方案2（如圖4）跟方案1類似，儀器更先進(jìn)，利用了不同的計(jì)算公式.測(cè)量光電門間距、過光電門瞬時(shí)速度，原理：.

圖4 自由落體運(yùn)動(dòng)+光電門

方案3（如圖5）儀器簡(jiǎn)單，但對(duì)操作要求較高，利用了與方案1、2不同的原理進(jìn)行測(cè)量.測(cè)量單擺周期、擺長，原理：.

圖5 單擺+刻度尺

2.1.4 頭腦風(fēng)暴，繼續(xù)設(shè)計(jì)其他方案并評(píng)價(jià)

生1：打點(diǎn)計(jì)時(shí)器跟頻閃照片類似，可以拍小球自由落體的頻閃照片，用打點(diǎn)機(jī)器類似的方法測(cè)量重力加速度（如圖6）.但是此方案對(duì)技術(shù)要求較高，受設(shè)備限制，實(shí)驗(yàn)室較難實(shí)現(xiàn).

圖6 利用頻閃照片測(cè)量g

生2：受方案1的啟發(fā)可以利用連接體實(shí)驗(yàn)方案測(cè)量重力加速度.提出方案4（如圖7）.與方案1相比原理類似，操作較難，但是不同的實(shí)驗(yàn)思路.

圖7 利用連接體測(cè)量g

生3：可以用滴水法測(cè)量重力加速度（如圖8）.此方案對(duì)操作要求較高，精確度也不如前面幾個(gè)方案.

圖8 利用滴水法測(cè)量g

師：大家設(shè)計(jì)了很多方案，并且很好地評(píng)價(jià)了這些方案，這些方案有沒有什么共性？

生：均未涉及到物體運(yùn)動(dòng)過程中的受力情況，都是從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度，利用運(yùn)動(dòng)學(xué)公式測(cè)量重力加速度.

師：能否從動(dòng)力學(xué)角度設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，測(cè)量重力加速度？

生：可以對(duì)連接體實(shí)驗(yàn)方案再改進(jìn)（如圖9）.分別測(cè)出鉤碼和滑塊（含遮光條）的質(zhì)量，在金屬板上適當(dāng)?shù)奈恢霉潭ü怆婇TA和B，兩光電門通過數(shù)據(jù)采集器與計(jì)算機(jī)相連.將n依次取n=1，2，3，4，5，6個(gè)鉤碼掛在輕繩右端，其余N-n個(gè)鉤碼固定在滑塊上.用手按住滑塊，并使輕繩與金屬板平行.記錄遮光條通過光電門A的時(shí)間Δt1，遮光條通過光電門B的時(shí)間Δt2，遮光條的后端從離開光電門A到離開光電門B的時(shí)間Δt12.經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，可得到與n對(duì)應(yīng)的加速度a并記錄.

圖9 利用動(dòng)力學(xué)方法測(cè)量重和加速度g

點(diǎn)評(píng)：高考二輪實(shí)驗(yàn)的復(fù)習(xí)，應(yīng)在注重基礎(chǔ)的前提下進(jìn)行綜合提高.傳統(tǒng)的所謂專題復(fù)習(xí)仍然以學(xué)生完成習(xí)題為主，學(xué)習(xí)路徑單一、思維受到局限，很難促進(jìn)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的深刻理解和全面認(rèn)識(shí).學(xué)生往往都只會(huì)就題論題，被題目牽著鼻子走，實(shí)驗(yàn)?zāi)康男圆幻鞔_，不知道怎么研究，為什么這么研究，還有什么研究方法等一系列問題都沒有得到很好的解決.基于物理觀念的“思維體驗(yàn)”，要求學(xué)生不僅停留在一道題或一種實(shí)驗(yàn)方案上，而是更關(guān)注學(xué)生構(gòu)建完整的物理觀念，基于知識(shí)網(wǎng)絡(luò)框架進(jìn)行發(fā)散思維，在頭腦中進(jìn)行多種實(shí)驗(yàn)，并比較不同實(shí)驗(yàn)方案的實(shí)驗(yàn)原理異同、操作是否可行、誤差大小等優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行不斷的改進(jìn)創(chuàng)新.例如“重力加速度的測(cè)量”可以從實(shí)驗(yàn)原理的運(yùn)動(dòng)學(xué)方法和動(dòng)力學(xué)方法角度進(jìn)行思考，可以從測(cè)量工具的打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、光電門或頻閃照片進(jìn)行思考，可以從測(cè)量主體是單個(gè)物體或連接體進(jìn)行思考，可以從運(yùn)動(dòng)方式是直線運(yùn)動(dòng)還是曲線運(yùn)動(dòng)進(jìn)行思考.教師在課堂上應(yīng)積極引導(dǎo)學(xué)生，讓學(xué)生在不斷思考中進(jìn)行聚焦和發(fā)散、創(chuàng)造和歸納，從而真正理解實(shí)驗(yàn)，完善知識(shí)框架，形成物理觀念.

2.2 基于科學(xué)探究的“操作體驗(yàn)”

2.2.1 分組實(shí)驗(yàn)

根據(jù)不同學(xué)校實(shí)驗(yàn)條件允許，給學(xué)生創(chuàng)造操作機(jī)會(huì).讓學(xué)生根據(jù)自己的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，如果條件允許，可以體驗(yàn)兩種或三種不同方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn).教師觀察，拍攝學(xué)生操作場(chǎng)景的照片或視頻.

2.2.2 點(diǎn)評(píng)操作（以自由落體——打點(diǎn)計(jì)時(shí)器方案為例）

教師展示學(xué)生操作（如圖10），相互點(diǎn)評(píng)，提出問題并解決.

圖10 自由落體法測(cè)量重力加速度

生1：操作1在重錘下落過程中，紙帶與打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的摩擦?xí)容^大.

生2：操作2有第1個(gè)同樣的問題，且托住重錘的手可能會(huì)發(fā)生抖動(dòng)，導(dǎo)致重錘不是自由落體，而是有一定的初速度.

生3：操作3中不能充分利用紙帶，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)過少，可能造成實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差較大.

2.2.3 總結(jié)體驗(yàn)，給出正確操作方法

師：釋放紙帶操作有何具體要求？如何改進(jìn)？

生4：紙帶要盡量豎直，以減小摩擦，釋放重錘不能有初速度，且要充分利用紙帶，釋放時(shí)要先打開打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，再釋放紙帶.可以將紙帶頂端用夾子固定.（如圖11）

圖11 改進(jìn)后的裝置

點(diǎn)評(píng)：通常進(jìn)入高三以后，學(xué)生就沒有再進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室的機(jī)會(huì).考試時(shí)涉及到的實(shí)驗(yàn)操作注意事項(xiàng)大部分情況下均由教師課堂“黑板實(shí)驗(yàn)”告知，實(shí)驗(yàn)誤差的來源學(xué)生也無法親身體驗(yàn).如果給學(xué)生操作機(jī)會(huì)，學(xué)生真的能很順利的操作實(shí)驗(yàn)，處理數(shù)據(jù)，誤差分析，得到結(jié)論嗎？筆者親試和與同行交流的教學(xué)現(xiàn)狀如下：① 學(xué)生認(rèn)為實(shí)驗(yàn)課就是走走過場(chǎng)的，換個(gè)地方講題而已；② 學(xué)生到了實(shí)驗(yàn)室很難自控，完全沒有章法的胡亂操作；③ 實(shí)驗(yàn)儀器不認(rèn)識(shí)，不知道如何進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，即使幾人合作也無法完成實(shí)驗(yàn)，遇到突發(fā)問題不知如何解決；④ 自己不愿動(dòng)手操作，旁觀為主.以上這些現(xiàn)象究其主要原因都與學(xué)生平時(shí)實(shí)驗(yàn)操作機(jī)會(huì)太少有關(guān).教師首先不能有“給學(xué)生做實(shí)驗(yàn)就是浪費(fèi)時(shí)間”的觀念.其實(shí)，實(shí)驗(yàn)是手腦并用的學(xué)習(xí)過程，學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)的過程是觀察、操作、思維緊密聯(lián)系的過程，動(dòng)手實(shí)驗(yàn)反而可以使學(xué)生頭腦處于積極思考的狀態(tài).學(xué)生經(jīng)過親自動(dòng)手操作，就會(huì)主動(dòng)思考誤差來源，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案，而且印象深刻，不會(huì)出現(xiàn)不知如何操作，死記硬背誤差分析，不會(huì)分析實(shí)驗(yàn)誤差的學(xué)習(xí)困難.教學(xué)過程中應(yīng)該讓學(xué)生像“科學(xué)家”那樣去思考、嘗試、質(zhì)疑和評(píng)價(jià)，才能有創(chuàng)新，批判思維才能得以提升和發(fā)展.真正的“操作體驗(yàn)”，不僅可以幫助學(xué)生提高科學(xué)探究能力，還能讓其充分體會(huì)到科學(xué)研究的不易，有助于形成正確的科學(xué)態(tài)度和責(zé)任.［4］

2.3 基于科學(xué)思維的“深度體驗(yàn)”

師：對(duì)于動(dòng)力學(xué)角度的連接體方案，如何得到重力加速度g？

生1：用兩組數(shù)據(jù)列方程組.

生2：多組數(shù)據(jù)描點(diǎn)作a-n圖像.

師：上述兩位同學(xué)的方法，哪種更優(yōu)？為什么？

生3：描點(diǎn)作圖.利用圖像解決問題是減小偶然誤差的常見方法.

師：根據(jù)a-n圖像如何得到重力加速度g？

生4：如圖12所示，設(shè)該直線在橫軸上的截距為k、縱軸上的截距為b.

圖12 a-n圖像

由牛頓第二定律可得nmg-μ［Mg+ （N-n）mg］=（M+Nm）a.

師：這個(gè)表達(dá)式計(jì)算起來有點(diǎn)繁瑣，能否對(duì)實(shí)驗(yàn)再改進(jìn)？

生：可以將長金屬板換成氣墊導(dǎo)軌，或?qū)⒔饘侔逡欢颂Ц?，平衡摩擦?這樣表達(dá)式就簡(jiǎn)潔很多.

師：能否總結(jié)一下測(cè)量重力加速度的一般方法？

生：實(shí)驗(yàn)原理可以大致分為兩類，即運(yùn)動(dòng)學(xué)方法和動(dòng)力學(xué)方法.運(yùn)動(dòng)學(xué)方法一般需要測(cè)量運(yùn)動(dòng)學(xué)物理量，根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)公式進(jìn)行計(jì)算.動(dòng)力學(xué)方法一般要通過受力分析，根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)定律進(jìn)行計(jì)算.無論用什么測(cè)量原理在處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)可以采用作圖像，分析斜率和截距的方法求解.

點(diǎn)評(píng)：實(shí)驗(yàn)最不應(yīng)拘泥于課本，應(yīng)合理引導(dǎo)并給足學(xué)生思考的空間和時(shí)間.實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程應(yīng)充分挖掘一個(gè)實(shí)驗(yàn)隱含的價(jià)值，引導(dǎo)學(xué)生深入思考.這樣學(xué)生才能真正將書本知識(shí)轉(zhuǎn)化為自己的知識(shí)，從而學(xué)為所用.通過對(duì)比聯(lián)想相似的實(shí)驗(yàn)情境，讓學(xué)生深刻理解實(shí)驗(yàn)原理，進(jìn)行深度學(xué)習(xí)；通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方式的不同體現(xiàn)數(shù)形結(jié)合思想，發(fā)展各個(gè)學(xué)科之間的聯(lián)系，開展深度思維，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)的飛躍.相信這樣的課堂必定能讓學(xué)生愛上物理，也必定能讓學(xué)生在物理課堂上有所得，有所思，有所感，有所悟！

3 對(duì)“測(cè)量類”實(shí)驗(yàn)教學(xué)的反思

3.1 拓寬實(shí)驗(yàn)廣度，開闊學(xué)生視野，使之成為“設(shè)計(jì)師”

在新課程理念下，在核心素養(yǎng)目標(biāo)的引領(lǐng)下，教師首先應(yīng)轉(zhuǎn)變自己的觀念，把課堂的時(shí)間還給學(xué)生，積極改變實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)的呈現(xiàn)過程，不局限于按實(shí)驗(yàn)要求講一遍或做一遍.建議教師拓寬實(shí)驗(yàn)廣度，與學(xué)生一起基于基本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行拓展開發(fā)，如從傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)器材到現(xiàn)代化技術(shù)手段的應(yīng)用，氣墊導(dǎo)軌、光電門、手機(jī)應(yīng)用軟件的使用等，感受科技的進(jìn)步；如連接體實(shí)驗(yàn)方案的拓展和優(yōu)化，不同原理時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)操作有不同的要求進(jìn)行比較等等.只有讓學(xué)生根據(jù)已有知識(shí)經(jīng)歷設(shè)計(jì)過程，打開思維廣度，提高思維高度，自主設(shè)計(jì)，自我評(píng)價(jià)，主動(dòng)改進(jìn)，積極反思逐步優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案，讓學(xué)生成為“設(shè)計(jì)師”，才能真正掌握知識(shí)，構(gòu)建完整的知識(shí)結(jié)構(gòu)，應(yīng)用知識(shí)，學(xué)習(xí)能力才能提高，物理觀念才能逐步健全.

3.2 開發(fā)實(shí)驗(yàn)渠道，組織學(xué)生探究，使之成為“操作師”

動(dòng)手時(shí)必然動(dòng)腦，建議實(shí)驗(yàn)課兩節(jié)聯(lián)排，給足時(shí)間讓學(xué)生真操作，讓學(xué)生成為“操作師”.這樣學(xué)生才能細(xì)心總結(jié)實(shí)驗(yàn)的操作細(xì)節(jié)，積極思考解決方案，對(duì)于實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題才能進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)學(xué)從做中來，做到學(xué)中去.實(shí)驗(yàn)過程，學(xué)生可能會(huì)遇到無法預(yù)計(jì)的問題，如理論可行但實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差大，實(shí)驗(yàn)器材受限制，安全問題等等，這就需要學(xué)生不斷調(diào)整和探索解決方案.經(jīng)歷這樣的過程，學(xué)生不僅僅是學(xué)習(xí)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)規(guī)律，而是經(jīng)歷了一次科學(xué)探究過程，能從中體會(huì)到發(fā)現(xiàn)、解決、成功的樂趣.物理學(xué)科離不開實(shí)驗(yàn)，學(xué)生的“親力親為”才能體會(huì)求真務(wù)實(shí)的科學(xué)態(tài)度，領(lǐng)悟物理學(xué)科的魅力，感悟事物的真諦，充分體現(xiàn)物理實(shí)驗(yàn)的價(jià)值.

3.3 挖掘?qū)嶒?yàn)深度，發(fā)展學(xué)生思維，使之成為“分析師”

普遍的教學(xué)過程中，教師更熟悉或關(guān)注的是實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容目標(biāo)，而對(duì)能力目標(biāo)關(guān)注較少.新高考評(píng)價(jià)體系提出將設(shè)計(jì)能力、動(dòng)手操作能力作為自然科學(xué)學(xué)科中實(shí)驗(yàn)考查的重點(diǎn)，而“評(píng)價(jià)”和“創(chuàng)造”能力也屬于新的考查范疇.學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)方案、實(shí)驗(yàn)結(jié)論的評(píng)價(jià)，方案的再設(shè)計(jì)已然成為教學(xué)過程中必不可少的重要方面.因此在教學(xué)過程中，應(yīng)注意實(shí)驗(yàn)的深度挖掘.根據(jù)學(xué)校情況、學(xué)生情況進(jìn)行因材施教，對(duì)基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生著重培養(yǎng)理解應(yīng)用能力，對(duì)基礎(chǔ)相對(duì)較好的學(xué)生要注重分析創(chuàng)新能力的培養(yǎng).如對(duì)連接體實(shí)驗(yàn)方案可以完成哪些實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)要求有何異同；對(duì)同一個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)康目梢栽O(shè)計(jì)哪些實(shí)驗(yàn)方案，給出具體的實(shí)驗(yàn)儀器、操作步驟和誤差分析并加以改進(jìn)，讓學(xué)生成為名副其實(shí)的“分析師”，只有這樣學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Σ拍懿粩嗵岣?，學(xué)科核心素養(yǎng)才能得到提升和發(fā)展.