基于創(chuàng)新實驗探究的高中物理課堂模式研究

謝恒

摘 要：落實物理學(xué)科核心素養(yǎng)的主要途徑是改革物理課堂。新課標(biāo)要求中學(xué)教師從培養(yǎng)學(xué)生物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四個方面開展教學(xué)。《基礎(chǔ)教育課程改革綱要》指出，倡導(dǎo)學(xué)生主動參與收集信息和處理信息、分析問題和解決問題?；趧?chuàng)新實驗探究的高中物理課堂模式五環(huán)節(jié)研究，培養(yǎng)高中生物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng)；創(chuàng)新實驗；課堂模式研究

一、現(xiàn)階段創(chuàng)新實驗與課堂深度融合的情況分析

《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》指出：高中階段教育是學(xué)生個性形成、自主發(fā)展的關(guān)鍵時期，對提高國民素養(yǎng)和培養(yǎng)創(chuàng)新人才具有特殊意義。在這個階段教師應(yīng)該重視對學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、適應(yīng)能力的培養(yǎng)和提升，使得學(xué)生可以更加自立自強(qiáng)，有效避免“應(yīng)試教育”思想在教學(xué)中的傾向[1]。然而由于高考壓力、課時不夠、實驗資源不足或者已有的實驗器材的實驗達(dá)不到理想的效果，在調(diào)查中發(fā)現(xiàn)很多教師仍采用講授式教學(xué)和強(qiáng)化訓(xùn)練為主，學(xué)生覺得物理難學(xué)，對物理學(xué)習(xí)沒有興趣，學(xué)生的自主性和內(nèi)驅(qū)力沒有充分激發(fā)，“老師累學(xué)生困”是常態(tài)。通過大量的優(yōu)秀案例發(fā)現(xiàn)，有趣的實驗探究能提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的探究能力和思維力，可目前以實驗探究為手段的科學(xué)探究學(xué)習(xí)還是比較薄弱。表現(xiàn)在創(chuàng)新實驗與課堂深度融合的可操作性、可復(fù)制案例還十分缺乏。

二、創(chuàng)新實驗探究的高中物理課堂模式實施的路徑與方法

（一）堅定教師教學(xué)改革理念，發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》（2017年版）堅持反映時代要求，著力發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)。高中物理學(xué)科的核心素養(yǎng)包含4個維度：物理觀念（基礎(chǔ)）、科學(xué)探究（路徑）、科學(xué)思維（核心）、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任（品格）。

通過實驗創(chuàng)新，進(jìn)行創(chuàng)新實驗探究教學(xué)模式，學(xué)生主動參與學(xué)習(xí)，調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)積極情緒，提高教學(xué)效果，找到了理論依據(jù)。由美國學(xué)者、著名的學(xué)習(xí)專家愛德加·戴爾（Edgar Dale）提出的“學(xué)習(xí)金字塔理論”中，學(xué)習(xí)效果在約30%以下的幾種傳統(tǒng)方式（聽講、閱讀、視聽和示范），都是個人學(xué)習(xí)或被動學(xué)習(xí)方式；而學(xué)習(xí)效果在約50%以上的（學(xué)生動手做，小組討論和馬上應(yīng)用教授他人）都是團(tuán)隊學(xué)習(xí)、主動學(xué)習(xí)和參與式學(xué)習(xí)方式。通過這個理論可以看出，主動學(xué)習(xí)、團(tuán)隊合作以及參與式學(xué)習(xí)方法的學(xué)習(xí)效果是比傳統(tǒng)的個人學(xué)習(xí)和被動學(xué)習(xí)方式的學(xué)習(xí)效果更加顯著。教師應(yīng)堅定教學(xué)改革理念，并落實在行動中。

（二）融合創(chuàng)新實驗，高中物理“問題—探究—思維”實驗教學(xué)模式的實施

1.實驗探究教學(xué)模式實施流程

立足于學(xué)生問題意識、探究能力和思維力的提升，構(gòu)建了以學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)的一種新型課堂教學(xué)模式，旨在培養(yǎng)學(xué)生的自主創(chuàng)新意識和實踐能力。

2.問題驅(qū)動思維引導(dǎo)的實驗探究五環(huán)節(jié)教學(xué)模式

經(jīng)過多年的摸索探究，總結(jié)出實驗探究課堂模式實施的五環(huán)節(jié)以及相對應(yīng)的措施策略。問題的驅(qū)動和思維引導(dǎo)的教學(xué)模式是以學(xué)生為中心，能夠在創(chuàng)設(shè)的情境中提出問題，通過實驗探究解決問題。皮亞杰、維果斯基等人提出的建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論認(rèn)為，學(xué)生的學(xué)習(xí)基于原有知識和經(jīng)驗進(jìn)行構(gòu)建和理解的過程。下面以“探究感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件”為例。環(huán)節(jié)一：情境創(chuàng)設(shè)，導(dǎo)入新課

情境創(chuàng)設(shè)是探究的前提。創(chuàng)設(shè)物理情境，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，營造創(chuàng)新思維環(huán)境氛圍，產(chǎn)生認(rèn)知沖突，激起求知欲，誘發(fā)質(zhì)疑猜想。情境的創(chuàng)設(shè)喚起強(qiáng)烈的問題意識，引起學(xué)生思考，是問題提出的前提條件。

情境創(chuàng)設(shè)的基本方法：以物理故事創(chuàng)設(shè)情境；以物理史實創(chuàng)設(shè)情境；以物理知識遷移點創(chuàng)設(shè)情境；用物理微實驗創(chuàng)設(shè)情境等。

物理一般用微實驗創(chuàng)設(shè)問題情境，這樣情境的創(chuàng)設(shè)更生活化，而且事實勝于雄辯，更能激發(fā)學(xué)生的探索欲和解決問題的意識。

在《探究感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件》一課中，教師以傳統(tǒng)講授式的方法很難改變學(xué)生的初中定式思維：閉合電路部分導(dǎo)體在磁場中切割磁感線會產(chǎn)生感應(yīng)電流。采用如下探究：

現(xiàn)象1：二極管發(fā)光。

學(xué)生會驚訝于二極管為什么會發(fā)光呢？帶著問題進(jìn)入新課的學(xué)習(xí)。

環(huán)節(jié)二：問題驅(qū)動，激發(fā)思考

問題驅(qū)動是探究的核心。情境的創(chuàng)設(shè)激發(fā)了學(xué)生的問題意識，是探究式學(xué)習(xí)的起點，改變了傳統(tǒng)教學(xué)以知識為思維起點的教學(xué)理念，問題能驅(qū)動學(xué)生自主進(jìn)行實驗探究，思維的提升依托于在真實情境中解決一個一個的問題后螺旋式的上升。

問題的提出依賴于教學(xué)目標(biāo)的設(shè)定，具體的實施如下：一是鉆研教材，確定目標(biāo)——深挖教材知識的思想方法，確定要培養(yǎng)的目標(biāo)；二是分析學(xué)生，了解基礎(chǔ)——分析學(xué)生的興趣、知識、能力，了解學(xué)生存在問題可能；三是結(jié)合實際，創(chuàng)設(shè)問題——結(jié)合學(xué)校實際，研究并總結(jié)能為課程創(chuàng)設(shè)問題的資源。

現(xiàn)象2：導(dǎo)體切割磁感線，電流計指針偏轉(zhuǎn)——與認(rèn)知相符。

現(xiàn)象3：導(dǎo)體不切割磁感線，電流計指針不偏轉(zhuǎn)——與認(rèn)知相符。

結(jié)論1：導(dǎo)體切割磁感線有感應(yīng)電流產(chǎn)生。學(xué)生以為這就是產(chǎn)生感應(yīng)電流的本質(zhì)。

學(xué)生預(yù)想：電流計指針一定偏轉(zhuǎn)。

學(xué)生觀察：電流計的指針并沒有偏轉(zhuǎn)——與認(rèn)知不相符。

學(xué)生：“導(dǎo)體在磁場中切割磁感線能產(chǎn)生感應(yīng)電流”難道錯了嗎？

用實驗創(chuàng)設(shè)情境輕松激發(fā)學(xué)生沖突，調(diào)動學(xué)生主動性，學(xué)生不禁會提出問題：那產(chǎn)生感應(yīng)電流究竟需要什么條件呢？

用微小實驗創(chuàng)設(shè)問題情境的效果在物理教學(xué)上有時候勝過教師的“千言萬語”，正所謂古人所說的眼見為實的觀念。

環(huán)節(jié)三：科學(xué)探究，合作學(xué)習(xí)

實驗探究是解決問題的路徑?？茖W(xué)探究的方式很多，實驗探究是開展科學(xué)探究的有效方法之一，也是核心所在，物理實驗的有效開展可以幫助學(xué)生進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度、探究思維以及實事求是精神的培養(yǎng)，能夠內(nèi)育科學(xué)思想，外育處世風(fēng)格。

實驗探究的目的是解決問題，先分析問題的影響因素，猜想與假設(shè)引起問題原因，設(shè)計實驗方案驗證，如實記錄、客觀對待所獲取的實驗數(shù)據(jù)，進(jìn)行實驗分析及歸納推理。

分析問題：那感應(yīng)電流的產(chǎn)生需要什么條件呢？引起感應(yīng)電流產(chǎn)生的原因有哪些呢？可以根據(jù)物理建模的思想，把演示2、演示4簡化成示意圖，那么會發(fā)現(xiàn)感應(yīng)電流的產(chǎn)生與線圈在磁場中的面積有關(guān)；又由于感應(yīng)電流的產(chǎn)生是在磁場中發(fā)生的，感應(yīng)電流的產(chǎn)生跟B有關(guān)。學(xué)生分組進(jìn)行如下的猜想并合作探究，對實驗結(jié)果進(jìn)行記錄。

猜想和假設(shè)1：磁感應(yīng)強(qiáng)度B不變，線圈面積S變化，是否一定產(chǎn)生感應(yīng)電流？

設(shè)計探究實驗1：讓探測線圈在勻強(qiáng)磁場中繞垂直于磁場的轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，改變有效面積S。

猜想和假設(shè)2：線圈面積S不變，磁感應(yīng)強(qiáng)度B變化，是否一定產(chǎn)生感應(yīng)電流？

設(shè)計探究實驗2：讓實驗3探測線圈所處的磁場發(fā)生變化。即探測線圈在亥姆霍茲線圈邊界磁場中做切割磁感線運(yùn)動。

猜想與假設(shè)3：若磁感應(yīng)強(qiáng)度B變化，線圈面積S也變化，是否一定產(chǎn)生感應(yīng)電流？

教師介紹自制器材探究實驗4的實驗裝置，演示該實驗，并讓學(xué)生觀察實驗中線圈動作及觀察是否有感應(yīng)電流產(chǎn)生。

環(huán)節(jié)四：交流總結(jié)，模型建構(gòu)

模型建構(gòu)是內(nèi)涵[2]，是課堂的教學(xué)目標(biāo)之一。大道至簡，通過交流總結(jié)，透過現(xiàn)象本質(zhì)，在看似眾多的現(xiàn)象中提煉出一個簡約的規(guī)律，剝離掉問題所穿的外衣，找到解決問題的本質(zhì)，這就是模型建構(gòu)。模型建構(gòu)是實驗探究的升華，物理學(xué)有一種普遍美就是簡約美，模型建構(gòu)正是體現(xiàn)了這種簡約美。

通過以上的實驗探究，學(xué)生得到結(jié)論：感應(yīng)電流的產(chǎn)生與B有關(guān)，與S也有關(guān)；在實驗4中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)B和S都變化時卻沒有感應(yīng)電流。那么自然就會想到物理學(xué)中與B、與S有關(guān)的物理量——磁通量，同學(xué)們幡然醒悟，從而得出結(jié)論：只要通過閉合回路中的磁通量發(fā)生變化，閉合電流中就有感應(yīng)電流產(chǎn)生。

環(huán)節(jié)五：拓展應(yīng)用，思維提升

問題的解決助力思維的提升，思維的提升可以解決更多問題。拓展應(yīng)用是課堂教學(xué)的延伸，是知識的應(yīng)用，是學(xué)生創(chuàng)新能力提升的表現(xiàn)。

設(shè)置課外探究活動，調(diào)查生活中的電磁現(xiàn)象。比如，電磁爐是怎樣加熱食物的，破損的鐵鍋能否用電磁爐加熱，手機(jī)是怎樣實現(xiàn)無線充電的活動等。

三、立足核心素養(yǎng)的發(fā)展，研究創(chuàng)新實驗探究策略

（一）教學(xué)方式創(chuàng)新，解決實驗探究教學(xué)瓶頸的出路是開展常態(tài)化的實驗教學(xué)

想要有效對當(dāng)前實驗探究教學(xué)中存在的瓶頸進(jìn)行解決，最根本的方式就是開展常態(tài)化的實驗探究教學(xué)。那么，如何才能有效開展常態(tài)化的實驗教學(xué)？

在物理教學(xué)中對學(xué)生的思維方式和能力的培養(yǎng)主要是依靠課堂教學(xué)。課堂是教學(xué)主戰(zhàn)場，可課堂時間有限，根據(jù)具體學(xué)習(xí)內(nèi)容，提煉出需要解決的核心問題，把核心問題拆分成一個個小問題，根據(jù)學(xué)生發(fā)展需要進(jìn)行局部或完整的實驗探究過程?？梢詫⑵渲械哪骋粋€或某幾個問題在課堂內(nèi)進(jìn)行，在問題的驅(qū)動下完成一個或者多個實驗探究，這就給每堂課進(jìn)行科學(xué)探究教學(xué)提供了操作上的可能。將課堂內(nèi)容進(jìn)行拆分，不僅在常規(guī)的規(guī)律課和概念課上可以實施，在復(fù)習(xí)課和習(xí)題課上也可以進(jìn)行實驗探究教學(xué)，實現(xiàn)真正意義上的實驗探究教學(xué)常態(tài)化，在一次一次的實驗探究過程中解決一個個問題，學(xué)生不斷經(jīng)歷觀察→體驗→討論→分析→歸納與總結(jié)→解決問題的實驗探究模式，思維得到遞進(jìn)式的不斷螺旋式的提升。

（二）實驗內(nèi)容創(chuàng)新，對課本上的實驗內(nèi)容進(jìn)行深入的研究、開發(fā)和設(shè)計

要有效開展常態(tài)化實驗教學(xué)，就需要許許多多個實驗作為學(xué)生探究的載體，實驗室器材不足以滿足實驗探究教學(xué)，如何開發(fā)實驗課程資源？

第一，對課本實驗進(jìn)行實踐研究。根據(jù)高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)，對高中物理的力學(xué)、電磁學(xué)和光學(xué)板塊的教材實驗進(jìn)行實踐研究，對演示實驗和分組探究實驗進(jìn)行完成度調(diào)查，并對能做的實驗進(jìn)行可行性和優(yōu)缺點分析。在充分研究實踐的基礎(chǔ)上，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)質(zhì)資源，對原有器材進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新。例如，對“電荷”知識的教學(xué)，在演示靜電感應(yīng)到現(xiàn)象的實驗時實驗器材效果不理想，于是用兩個易拉罐和兩個指針驗電器制成感應(yīng)起電演示器，使實驗效果很明顯。

第二，自制教具，發(fā)揮學(xué)生、教師創(chuàng)造性。在對課本實驗實踐研究的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)實驗室缺少一部分進(jìn)行實驗探究的必需器材。發(fā)揮學(xué)生和教師的主觀能動性自制實驗教具。例如，在教學(xué)《力的合成》一課時，為了形象地理解力的平行四邊形這一知識，我們可以利用生活中裝修的廢棄邊角料自制平行四邊形演示器。

第三，開發(fā)系列微實驗，讓實驗情境生活化。在實驗室已有器材和自制教具的基礎(chǔ)上，結(jié)合生活經(jīng)驗，開發(fā)系列微實驗促使實驗探究具體化。開發(fā)動力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)等多個微實驗專題，部分實驗拍攝成了微視頻。

（三）實驗過程創(chuàng)新，優(yōu)化實驗探究過程，保證其呈現(xiàn)多樣化

多樣化的實驗探究過程是保證科學(xué)探究有效開展的靈魂所在。對于同樣的問題，不同的學(xué)生思維方式不一樣，分析問題的角度不一樣，設(shè)計的實驗方案就會不一樣，收集數(shù)據(jù)的方式會不一樣，處理數(shù)據(jù)的方式也不一樣。就論證的方法而言，包括實驗論證、邏輯推理、模型建立、數(shù)學(xué)歸納、反證等多種方法，這就體現(xiàn)出實驗探究過程的多樣化特征。也正是因為其存在多樣化的特征，實驗探究的有效開展才能有效提升學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)和創(chuàng)新實踐能力。

例如，在《牛頓第二定律》一課教學(xué)中，探究加速度與力、加速度與質(zhì)量的關(guān)系，通過問題的創(chuàng)設(shè)，引導(dǎo)學(xué)生分組自行設(shè)計方案，學(xué)生設(shè)計了三個方案：第一個是傳統(tǒng)的軌道實驗，第二個是用氣墊導(dǎo)軌代替軌道，第三個方案是利用以信息技術(shù)為基礎(chǔ)的傳感器探究。

（四）建立創(chuàng)新性實驗室，促進(jìn)學(xué)生的多元化發(fā)展

學(xué)生自己動手操作，通過對實驗過程的觀察得出結(jié)論，這樣的探究實驗過程會更具有說服力，也利于學(xué)生探究能力和思維的培養(yǎng)和提升，同時還能夠使得學(xué)生意識到實驗對思維認(rèn)知的影響，以便學(xué)生之后實驗的開展和進(jìn)行[3]。學(xué)生利用常規(guī)實驗室中實驗器材對自己設(shè)計出的實驗方案、猜想和假設(shè)進(jìn)行探究，或者利用相關(guān)的實驗儀器對生活中的一些現(xiàn)象進(jìn)行驗證和探究，促使學(xué)生可以得到多元化的發(fā)展。另外，學(xué)生還可以去實驗中接觸、學(xué)習(xí)和認(rèn)識更多科技前沿的東西，建設(shè)開放式的智創(chuàng)未來工作室、自動駕駛室、數(shù)字化實驗室等創(chuàng)新型實驗室，讓學(xué)生利用實驗室器材去進(jìn)行創(chuàng)新型實驗。例如，學(xué)生可以有效利用實驗室中的DIS系統(tǒng)來進(jìn)行向心力的研究，使得學(xué)生對科技的力量有一個有效的認(rèn)知，進(jìn)而促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)和提升。學(xué)校物理實驗室的有效開放，鼓勵學(xué)生主動走進(jìn)實驗室，使用實驗器材進(jìn)行課內(nèi)外實驗的自主探究，而在這個過程中，實驗是否成功、結(jié)果是否正確是次要的，主要且重要的是學(xué)生在進(jìn)行實驗時的思考和探究過程，這對學(xué)生能力的培養(yǎng)和提升以及學(xué)生未來的成長和發(fā)展都有著關(guān)鍵的作用。

結(jié)束語

思維是實驗探究的核心，新常態(tài)是實驗探究教學(xué)的靈魂。對教學(xué)新常態(tài)的策略進(jìn)行有效科學(xué)的思考探究，有利于學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)、創(chuàng)新探究精神以及綜合能力的培養(yǎng)和發(fā)展，促進(jìn)創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。教師在實驗過程、內(nèi)容以及教學(xué)方法等多方面的創(chuàng)新和優(yōu)化會對學(xué)生產(chǎn)生潛移默化的影響，通過對驗證性實驗、設(shè)計性實驗、研究性實驗等物理實驗的有機(jī)結(jié)合，促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力的提升，對學(xué)生科學(xué)精神、態(tài)度的培養(yǎng)和發(fā)展都是大有裨益的。

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