初中物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)策略

秦亮

物理核心素養(yǎng)是學(xué)科育人價(jià)值的集中體現(xiàn)，是學(xué)生在接受物理教育的過(guò)程中逐步形成的、適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的關(guān)鍵能力和必備品格，是學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要組成部分。

物理學(xué)科核心素養(yǎng)主要由物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四種要素構(gòu)成。其中，科學(xué)探究注重實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐。那么，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行創(chuàng)新是很有必要的。

一、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的創(chuàng)新

常規(guī)課堂教學(xué)中的實(shí)驗(yàn)，主要包括教師演示和學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)。這兩種實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，基本上都是根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)和教材來(lái)實(shí)施的。在實(shí)踐中，有更多的創(chuàng)新內(nèi)容可以作為課堂實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充，比如綜合實(shí)踐活動(dòng)，社團(tuán)活動(dòng)，校本課程中的實(shí)驗(yàn)，研學(xué)基地中的實(shí)驗(yàn)，科技館、博物館中的實(shí)驗(yàn)，等等。

1.綜合實(shí)踐活動(dòng)、社團(tuán)活動(dòng)、校本課程中的實(shí)驗(yàn)

案例一：探究連通器的構(gòu)造和工作原理

在學(xué)習(xí)《連通器》一課時(shí)，教師可以帶領(lǐng)學(xué)生參觀水利設(shè)施，面對(duì)現(xiàn)實(shí)中的船閘為學(xué)生講解。這便于學(xué)生對(duì)連通器的構(gòu)造、原理和運(yùn)行進(jìn)行直接觀察和理解，使學(xué)生體會(huì)到科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)的緊密聯(lián)系。

2.研學(xué)基地中的實(shí)驗(yàn)

案例二：探究發(fā)電機(jī)的工作原理

在學(xué)習(xí)《產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件》一課時(shí)，教師可以帶領(lǐng)學(xué)生到研學(xué)基地近距離觀察風(fēng)力發(fā)電機(jī)，請(qǐng)專業(yè)人員講解風(fēng)力發(fā)電機(jī)的相關(guān)知識(shí)。這樣更有利于學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握、理解，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到許多工具都源于物理學(xué)的發(fā)明創(chuàng)造。

3.科技館中的實(shí)驗(yàn)

案例三：靜電實(shí)驗(yàn)

在學(xué)習(xí)《電荷》一課時(shí)，教師可以帶領(lǐng)學(xué)生到科技館親身體驗(yàn)靜電實(shí)驗(yàn)。學(xué)生用手觸摸靜電球，身體內(nèi)聚集了電荷，形成電場(chǎng)，頭發(fā)便順著電場(chǎng)線的方向豎起來(lái)了。由于腳下是絕緣體，所以電荷并沒(méi)有流動(dòng)，也就沒(méi)有形成回路，因此無(wú)須擔(dān)心觸電。

二、實(shí)驗(yàn)方式的創(chuàng)新

從學(xué)習(xí)模式和合作模式來(lái)看，實(shí)驗(yàn)的主要方式包括學(xué)生獨(dú)立完成的實(shí)驗(yàn)、學(xué)生分組合作完成的實(shí)驗(yàn)。前者以家庭自主實(shí)驗(yàn)為主，后者以課堂分組實(shí)驗(yàn)為主。二者都屬于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方式，其局限性在于科學(xué)探究的四個(gè)方面，即問(wèn)題、證據(jù)、解釋、交流往往無(wú)法得到充分的體現(xiàn)，難以完成學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

1.基于項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的物理實(shí)驗(yàn)

項(xiàng)目化學(xué)習(xí)，即學(xué)生在一段時(shí)間內(nèi)通過(guò)研究并應(yīng)對(duì)一個(gè)真實(shí)的、有吸引力的問(wèn)題、課題和挑戰(zhàn)，從而掌握重點(diǎn)知識(shí)和技能。項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的重點(diǎn)，是學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo)，包括基于標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容以及批判性思維、問(wèn)題解決、合作和自我管理等技能。因此，基于項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的物理實(shí)驗(yàn)，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)有著重要的作用和意義。

案例四：平均速度的測(cè)量

（1）尋找核心知識(shí)。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前，首先要了解與這個(gè)項(xiàng)目化學(xué)習(xí)相關(guān)的關(guān)鍵概念、基礎(chǔ)知識(shí)和技能，即平均速度的概念、路程的測(cè)量、時(shí)間的測(cè)量等。

（2）設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)性問(wèn)題。如，通常高速公路上是如何進(jìn)行區(qū)間測(cè)速的？我們?nèi)绾卧谶\(yùn)動(dòng)場(chǎng)上的模擬區(qū)間測(cè)速？

（3）設(shè)計(jì)公開(kāi)成果及評(píng)價(jià)要點(diǎn)。項(xiàng)目小組根據(jù)每個(gè)成員對(duì)區(qū)間測(cè)速相關(guān)信息收集進(jìn)行交流討論，達(dá)成共識(shí);設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，在運(yùn)動(dòng)場(chǎng)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

（4）設(shè)計(jì)認(rèn)知策略。一般有兩種做法：一是通過(guò)實(shí)地調(diào)研深入了解區(qū)間測(cè)速的原理和操作方法，二是設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案以再現(xiàn)高速公路上的區(qū)間測(cè)速。

（5）設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)實(shí)踐及評(píng)價(jià)要點(diǎn)。項(xiàng)目小組通過(guò)社會(huì)實(shí)踐了解并掌握高速公路區(qū)間測(cè)速的原理和操作方法，通過(guò)探究性實(shí)踐在運(yùn)動(dòng)場(chǎng)上進(jìn)行區(qū)間測(cè)速的實(shí)驗(yàn)。

（6）深化全程評(píng)價(jià)。通過(guò)專業(yè)人士、物理教師的外部評(píng)價(jià)與項(xiàng)目小組成員的內(nèi)部評(píng)價(jià)，項(xiàng)目小組成員對(duì)區(qū)間測(cè)速（平均速度的測(cè)量）進(jìn)行反思，并撰寫(xiě)反思筆記。通過(guò)與其他項(xiàng)目小組進(jìn)行交流與分享，實(shí)現(xiàn)對(duì)項(xiàng)目的改進(jìn)、創(chuàng)新和拓展。

2.基于STEAM教育的物理實(shí)驗(yàn)

STEAM教育中的綜合素養(yǎng)主要包括：科學(xué)素養(yǎng)、技術(shù)素養(yǎng)、工程素養(yǎng)、藝術(shù)素養(yǎng)、數(shù)學(xué)素養(yǎng)。STEAM的本質(zhì)是跨學(xué)科整合，而不僅是一個(gè)或多個(gè)學(xué)科的疊加。借助STEAM教育，最終目標(biāo)是提高學(xué)生的創(chuàng)造力，核心概念是跨界思維。

案例五：能量的轉(zhuǎn)化——太陽(yáng)能月球車

課程標(biāo)準(zhǔn)在關(guān)于“機(jī)械能、內(nèi)能及其轉(zhuǎn)化”的部分中提出，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生認(rèn)識(shí)到能量可以從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體，不同形式的能量可以互相轉(zhuǎn)化。教師可將學(xué)生分成幾個(gè)實(shí)驗(yàn)小組，為每個(gè)小組提供太陽(yáng)能月球車的實(shí)驗(yàn)器材套裝。學(xué)生合作分工，根據(jù)說(shuō)明書(shū)和制作材料完成太陽(yáng)能月球車的模型制作。學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)，理解了太陽(yáng)能發(fā)電是指將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電方式。太陽(yáng)能屬于清潔能源，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，只要有陽(yáng)光就能實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，使用起來(lái)非常方便。

3.基于進(jìn)階式學(xué)習(xí)的物理實(shí)驗(yàn)

學(xué)習(xí)進(jìn)階是對(duì)學(xué)生在一個(gè)時(shí)間跨度內(nèi)學(xué)習(xí)和探究某一主題時(shí)，依次進(jìn)階、逐級(jí)深化的思維方式的描述。學(xué)習(xí)進(jìn)階致力于描述學(xué)生的思維發(fā)展過(guò)程，建立科學(xué)的認(rèn)知發(fā)展模型，為教學(xué)序列的安排提供了依據(jù)，讓教學(xué)科學(xué)、有序、高效。初中物理實(shí)驗(yàn)進(jìn)階式學(xué)習(xí)的流程包括經(jīng)驗(yàn)、映射、關(guān)聯(lián)、系統(tǒng)和整合。

案例六：探究凸透鏡成像規(guī)律

（1）經(jīng)驗(yàn)。學(xué)生知道用放大鏡觀察物體時(shí)，物體會(huì)變大，但尚不清楚自己觀察到的正立、放大的虛像屬于凸透鏡成像規(guī)律中的一種情況。

（2）映射。學(xué)生手持凸透鏡觀察周圍的物體，當(dāng)被觀察物體到凸透鏡的距離以及眼睛到凸透鏡的距離發(fā)生變化時(shí)，所觀察到的影像也隨之變化。進(jìn)階：教師指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)關(guān)鍵術(shù)語(yǔ)，即焦點(diǎn)、焦距、物距、像距、實(shí)像、虛像等。

（3）關(guān)聯(lián)。教師提供實(shí)驗(yàn)器材，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)。進(jìn)階：學(xué)生通過(guò)操作、觀察、記錄等手段，發(fā)現(xiàn)凸透鏡成像時(shí)，焦距、物距、像距具有內(nèi)在的聯(lián)系，進(jìn)一步理解虛像和實(shí)像的含義。

（4）系統(tǒng)。通過(guò)學(xué)生的交流討論與教師的評(píng)價(jià)，師生共同總結(jié)出凸透鏡成像的規(guī)律。進(jìn)階：學(xué)生學(xué)習(xí)從物理現(xiàn)象中總結(jié)歸納科學(xué)規(guī)律的方法，體驗(yàn)科學(xué)研究的過(guò)程與方法。

（5）整合。教師指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)凸透鏡成像規(guī)律在生活中應(yīng)用的具體事例。進(jìn)階：在探究凸透鏡成像規(guī)律的實(shí)驗(yàn)中，激發(fā)學(xué)生的求知欲，培養(yǎng)主動(dòng)與他人合作和交流的精神;學(xué)生能用核心概念統(tǒng)整對(duì)物理觀念的理解，并建構(gòu)物理觀念間和跨學(xué)科概念之間的聯(lián)系。

三、實(shí)驗(yàn)器材的創(chuàng)新

1.自制教具實(shí)驗(yàn)

自制教具活動(dòng)，是指教師或?qū)W生利用生活中或?qū)嶒?yàn)室中常見(jiàn)的材料，來(lái)制作能夠演示物理原理和實(shí)驗(yàn)規(guī)律的實(shí)驗(yàn)儀器的教學(xué)活動(dòng)。自制教具活動(dòng)體現(xiàn)了課程改革理念，強(qiáng)調(diào)實(shí)踐與創(chuàng)造并重，注重科學(xué)與工程統(tǒng)一。

案例七：探究光的傳播與反射規(guī)律實(shí)驗(yàn)裝置

將長(zhǎng)方體形狀的玻璃缸擺放在平整的桌面上;在玻璃缸底部固定一塊小平面鏡;向玻璃缸中注入自來(lái)水;將少量淺色顏料或牛奶滴入水中，用玻璃棒攪拌至均勻;將一個(gè)鐵架臺(tái)放在玻璃缸左側(cè);將紅色或綠色激光筆固定在夾子上;將夾子平行固定在鐵架臺(tái)上;打開(kāi)激光筆的開(kāi)關(guān)，可觀察到一條清晰的光線沿直線從水中穿過(guò);將激光筆的光線對(duì)準(zhǔn)小平面鏡，可以觀察到清晰的光的反射現(xiàn)象。

該裝置的特點(diǎn)：使用器材較少，組裝便捷，使用簡(jiǎn)便;可以觀察到非常明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象;利用率高，能拆分組合成探究不同光學(xué)現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)裝置。

2.信息化實(shí)驗(yàn)

數(shù)字化信息系統(tǒng)（DIS）實(shí)驗(yàn)室，是為實(shí)現(xiàn)理科教學(xué)和信息技術(shù)整合而開(kāi)發(fā)的，是運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)進(jìn)行學(xué)習(xí)的一種手段。DIS運(yùn)用傳感器采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)接口與計(jì)算機(jī)連接，完成數(shù)據(jù)采集，并能給出數(shù)據(jù)分析表和曲線，從而實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的即時(shí)處理和直觀表現(xiàn)。DIS實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集過(guò)程，在觀測(cè)小信號(hào)和瞬間變化信號(hào)、處理數(shù)據(jù)和分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果等方面具有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器不可比擬的優(yōu)勢(shì)。這種方式不僅擴(kuò)大了測(cè)量范圍，而且提高了精度、速度，拓寬了研究范圍。

案例八：觀察聲音的特性

（1）觀察聲波的圖像。使用電腦預(yù)裝的數(shù)據(jù)采集器，進(jìn)入物理實(shí)驗(yàn)專用界面，將聲波傳感器接到數(shù)據(jù)采集器第一通道上;敲擊音叉，將聲波傳感器靠近聲源，就可以在屏幕上觀察到聲音的波形圖像。由此證明發(fā)聲的物體在振動(dòng)，且具有波形特征。

（2）觀察音調(diào)與頻率的關(guān)系。進(jìn)入物理實(shí)驗(yàn)專用界面，選取兩個(gè)頻率不同的音叉，用相同的力度分別在聲波傳感器附近敲擊，觀察不同頻率聲音的波形圖像。點(diǎn)擊“開(kāi)始”按鈕，敲擊音叉，可以觀察到聲音的波形。然后點(diǎn)擊“停止”按鈕，可以觀察到兩組不同的圖像。對(duì)比計(jì)算得出音叉的頻率，總結(jié)音調(diào)與頻率的關(guān)系。

（3）觀察響度與振幅的關(guān)系。進(jìn)入物理實(shí)驗(yàn)專用界面，用不同的力度分別敲擊同一個(gè)音叉，將聲波傳感器靠近音叉，得到兩組波形，觀察兩組不同的圖像，總結(jié)響度與振幅的關(guān)系。

3.樂(lè)高積木搭建實(shí)驗(yàn)

樂(lè)高教育獨(dú)創(chuàng)了4C顧問(wèn)式的教育解決方案，即聯(lián)系、建構(gòu)、反思、延續(xù)。4C的教育理念主要在于開(kāi)發(fā)學(xué)生智力、想象力、創(chuàng)造力和動(dòng)手能力，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。學(xué)生在搭建樂(lè)高積木的過(guò)程中進(jìn)行觀察、思考、聯(lián)想，邊操作邊發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題，反思搭建的作品，逐步提高創(chuàng)造力、動(dòng)手能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

通過(guò)以上三種創(chuàng)新策略，物理教師可以拓寬實(shí)驗(yàn)思路，完善實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，以此有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，從而實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的目標(biāo)。

（本文系2021年度河南省基礎(chǔ)教育教學(xué)研究項(xiàng)目“基于核心素養(yǎng)的初中物理創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)策略的研究”的研究成果，課題編號(hào)：JCJYC210607023）