基于學(xué)科核心素養(yǎng)的實驗“新”方法探究

彭麗丹

【摘要】普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2020版）第76頁指出：“實驗是物理學(xué)習(xí)的重要環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科素養(yǎng)的重要途徑和方式”?；谖锢韺W(xué)科核心素養(yǎng)要求，本文以“研究輕重不同物體下落快慢”的實驗（牛頓管實驗）為例，將演示實驗轉(zhuǎn)為探究實驗、利用數(shù)字化實驗設(shè)備融合創(chuàng)客教育從三個方面探究了實驗教學(xué)的“新”方法，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

【關(guān)鍵詞】核心素養(yǎng);實驗“新”方法;牛頓管管理

物理實驗是物理教學(xué)的重要內(nèi)容，在新高考背景下，通過有效的物理實驗教學(xué)方法設(shè)計，可培養(yǎng)學(xué)生的思維能力和創(chuàng)新意識。高中物理教師幫助學(xué)生培養(yǎng)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的關(guān)鍵就是教師要重視物理實驗教學(xué)“新”方法的探究。

一、物理學(xué)科核心素養(yǎng)

新課標(biāo)指出物理學(xué)科核心素養(yǎng)主要包括“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”四個方面。以新教材必修一第46頁的牛頓管演示實驗為例，從核心素養(yǎng)的四個維度分別指：學(xué)生通過實驗從物理學(xué)視角解釋生活中重物比輕物下落快的自然現(xiàn)象;學(xué)生親自經(jīng)歷真空的建模過程，從而外推出“輕重不同的物體在真空中下落快慢一樣”的結(jié)論，以強(qiáng)化學(xué)生科學(xué)思維素養(yǎng)的達(dá)成;引導(dǎo)學(xué)生思考如何判斷玻璃管中是否為真空？如何找到鐵片羽毛同時落地的強(qiáng)有力證據(jù);教師要在實驗中培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)肅認(rèn)真對待實驗，尊重實驗現(xiàn)象和結(jié)果，不編造、不修改實驗數(shù)據(jù)，把實事求是的作風(fēng)帶到社會生活中去。

二、物理實驗教學(xué)

在牛頓管演示實驗中，通過問卷調(diào)查及實際采訪發(fā)現(xiàn)，大部分高中物理教師采用視頻播放或封閉抽好的真空管進(jìn)行演示講解，雖然老師們都認(rèn)為該實驗對于自由落體概念的得出十分重要，但在實際教學(xué)中出于學(xué)校條件和教學(xué)進(jìn)度的限制，很多教師只是對實驗過程進(jìn)行簡單講解和理論分析，最終導(dǎo)致學(xué)生無法從本質(zhì)上理解“輕重不同物體下落一樣塊”的結(jié)論，忽略實驗探究的過程，就不可能達(dá)到通過實驗培養(yǎng)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的目的。

三、實驗“新”方法體現(xiàn)在以下三個方面

（一）以學(xué)生為主體，化“演示實驗”為“小組合作探究實驗”

新課標(biāo)（2020版）第76頁提出：“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(qiáng)、證據(jù)性強(qiáng)、能引起學(xué)生濃厚興趣的演示實驗?！崩纾盒陆滩谋匦抟弧把芯枯p重不同物體下落快慢”的演示實驗，將其轉(zhuǎn)化為學(xué)生自主探究實驗，具體實施方案為：將學(xué)生分成幾組，提供牛頓管、小型抽氣機(jī)等器材，引導(dǎo)學(xué)生小組合作將牛頓管中空氣抽出，逐次觀察鐵片羽毛在牛頓管中下落快慢情況，其中組員1負(fù)責(zé)抽氣機(jī)開關(guān)的控制，組員2負(fù)責(zé)鐵片羽毛的釋放，組員3負(fù)責(zé)記錄觀察現(xiàn)象等等，真正做到“以生為主，生生互助”的全員參與式教學(xué)。

（二）使用數(shù)字化實驗教學(xué)設(shè)備，拓寬學(xué)生認(rèn)識物理規(guī)律的方法與途徑

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，高中的教學(xué)實驗資源不斷的更新，教師在實驗教學(xué)過程中，要利用現(xiàn)代化的儀器設(shè)備融合傳統(tǒng)實驗，科學(xué)合理地設(shè)計實驗方案，將教學(xué)中采用視頻或者慢動畫播放的實驗改進(jìn)設(shè)計為可操作的真實實驗，幫助學(xué)生準(zhǔn)確、有效地觀察實驗現(xiàn)象，為實驗結(jié)論提供強(qiáng)有力的證據(jù)支撐。例如：牛頓管實驗抽取管中空氣時，學(xué)生就遇到了難題，如：怎么感知玻璃管中空氣被抽出？此時，我們就要借助現(xiàn)代化的教學(xué)儀器設(shè)備（DISLAB數(shù)字化實驗系統(tǒng)）將壓強(qiáng)傳感器與牛頓管、抽氣機(jī)連接，通過數(shù)字化實驗系統(tǒng)界面實時觀察管中壓強(qiáng)值的變化，即可感知空氣被逐漸抽出（逐漸抽走空氣，管中壓強(qiáng)值逐漸變?。?，這樣一來原本看不見的空氣通過數(shù)字變化的方式呈現(xiàn)出來，拓寬學(xué)生認(rèn)識物理現(xiàn)象的方式方法，使學(xué)生明白物理是基于真實實驗為基礎(chǔ)，講究證據(jù)性的學(xué)科。

（三）將創(chuàng)客教育與實驗教學(xué)深度融合

在牛頓管實驗中，教材采用讓學(xué)生觀察現(xiàn)象，得出鐵片羽毛同時落地的結(jié)論，很顯然該方法已不能充分說服學(xué)生，學(xué)生被迫接受實驗結(jié)論。在這里我們采用學(xué)校選修課創(chuàng)客教育案例中的紅外激光報警器（打開開關(guān)，報警器主動發(fā)出紅外線，紅外線被遮擋，就會引發(fā)蜂鳴器報警），實驗中鐵片和羽毛下落過程中分別擋光，引發(fā)兩次報警，再通過手機(jī)APP（phyphox）中的聲學(xué)秒表傳感器（一種用于檢測兩次聲音事件時間間隔的傳感器），檢測兩次報警的時間間隔，時間間隔越短，越能說明鐵片羽毛接近同時落地。以此解決我們僅憑視覺感知鐵片羽毛下落快慢的證據(jù)單一性。

所需實驗器材有：牛頓管（帶鐵片、羽毛）、釹磁鐵、硅膠扎帶、鐵架臺、硅膠軟管、三通管、數(shù)字化實驗系統(tǒng)（電腦、壓強(qiáng)傳感器）、抽氣機(jī)、紅外激光報警器、手機(jī)，具體實驗步驟為：第一步：用硅膠扎帶將牛頓管固定在鐵架臺的豎直方向，管口開關(guān)一端通過硅膠軟管和三通管分別與抽氣機(jī)、壓強(qiáng)傳感器相連;第二步：將紅外激光報警器安裝在牛頓管兩側(cè)，使紅外線盡量從牛頓管中間穿過;第三步：打開手機(jī)軟件phyphox中的聲學(xué)秒表傳感器，調(diào)整其閾值為0.005s，最小延時為0.05s;第四步：準(zhǔn)備釋放鐵片、羽毛，同步記錄此時（未抽氣）牛頓管中的壓強(qiáng)值P和聲學(xué)秒表檢測到的鐵片、羽毛先后下落兩次擋光引發(fā)的報警時間差（?t）;第五步：利用釹磁鐵將羽毛鐵片吸至管頂，打開抽氣機(jī)，幾秒后關(guān)掉抽氣機(jī)，釋放鐵片羽毛，同步記錄此時壓強(qiáng)值P，及聲學(xué)秒表檢測到的兩次擋光報警時間差（?t）;第六步：重復(fù)步驟五，直至壓強(qiáng)緩慢變化，無法再繼續(xù)抽氣為止。獲得的實驗數(shù)據(jù)分別為：P1=87 Kp ?t1=0.188s，P2=72Kp ?t2=0.146s，P3=60 Kp ?t3=0.147s，P4=55 Kp ?t4=0.127s，P5=48 Kp ?t5=0.108s，P6=40 Kp ?t6=0.015s。學(xué)生親自實驗發(fā)現(xiàn)當(dāng)牛頓管中壓強(qiáng)數(shù)值顯示為40Kp時，盡管抽氣機(jī)依然抽氣，但系統(tǒng)界面顯示的壓強(qiáng)值變化緩慢，即無法再繼續(xù)抽氣，學(xué)生根據(jù)真實實驗數(shù)據(jù)繪制出函數(shù)圖像分析可知：在無限接近真空的情況下?t將趨近于0，那么即可合理外推出：“真空中輕重不同的物體下落快慢一樣”的實驗結(jié)論。

結(jié)語

本文以牛頓管實驗為例，基于物理學(xué)科核心素養(yǎng)要求，從變演示實驗為探究實驗，使用現(xiàn)代化教學(xué)儀器設(shè)備設(shè)計實驗，將創(chuàng)客教育與實驗教學(xué)深度融合三個方面探究出了“新”的實驗教學(xué)方法，實驗的過程就是學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)生成的過程，這樣設(shè)計實驗教學(xué)實現(xiàn)了對學(xué)生的綜合能力，創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，提高了物理實驗教學(xué)的品質(zhì)。

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