初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)

摘 要：實(shí)驗(yàn)教學(xué)是物理教學(xué)的重要組成部分，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、實(shí)驗(yàn)技能和科學(xué)思維等科學(xué)素養(yǎng)具有不可替代的作用。分析了通過初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的研究現(xiàn)狀和前沿動(dòng)態(tài)，以及學(xué)生對(duì)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求和期望，提出了一些具體的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)策略，如開展數(shù)字化實(shí)驗(yàn)、開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和運(yùn)用在線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)等，旨在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：初中物理；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；科學(xué)素養(yǎng)；數(shù)字化實(shí)驗(yàn)；虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

作者簡介：黎世華（1984—），男，廣西壯族自治區(qū)百色市樂業(yè)縣同樂鎮(zhèn)初級(jí)中學(xué)。

隨著素質(zhì)教育的深入推進(jìn)，科學(xué)素養(yǎng)成為衡量學(xué)生綜合素質(zhì)的重要指標(biāo)之一。初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要途徑，但是當(dāng)前的初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在一些問題，如實(shí)驗(yàn)內(nèi)容過于簡單、缺乏探究性，實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法單一、缺乏創(chuàng)新性等。這些問題不僅影響了物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量，也制約了學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的發(fā)展。因此，開展關(guān)于初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)培養(yǎng)的研究，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和理論價(jià)值。

一、初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)存問題分析

當(dāng)前，初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)方面存在一些問題。首先，受傳統(tǒng)的教學(xué)觀念影響，一些物理教師更傾向于講理論知識(shí)，占據(jù)教學(xué)的主體地位，采取“灌輸式”的物理教學(xué)方式［1］。在這種方式下，實(shí)驗(yàn)教學(xué)往往被視為理論教學(xué)的輔助手段，而非獨(dú)立的、重要的教學(xué)內(nèi)容。若實(shí)驗(yàn)教學(xué)僅僅是理論教學(xué)的附屬，學(xué)生便會(huì)缺乏主動(dòng)參與、探索和發(fā)現(xiàn)的機(jī)會(huì)。物理是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，很多理論都是基于實(shí)驗(yàn)進(jìn)行觀察和推理得出的。如果學(xué)生沒有親自參與實(shí)驗(yàn)，其理論知識(shí)的吸收和應(yīng)用就會(huì)受到影響。因此，傳統(tǒng)的“重理論、輕實(shí)驗(yàn)”的教學(xué)方式不利于學(xué)生對(duì)物理學(xué)的深入理解和探索。為了激發(fā)學(xué)生的興趣和積極性，提升他們的實(shí)踐能力和科學(xué)素養(yǎng)，物理教師需要積極轉(zhuǎn)變觀念，采用更加現(xiàn)代化和有效的教學(xué)方式。

其次，由于物理學(xué)科在初中階段的課程中占據(jù)重要的位置，物理考試成績會(huì)直接影響學(xué)生的升學(xué)情況，因此部分教師在教學(xué)過程中習(xí)慣將中考考點(diǎn)作為教學(xué)重點(diǎn)。這使得一些屬于“非重要考點(diǎn)”的物理實(shí)驗(yàn)被忽略，相關(guān)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)較少甚至沒有，進(jìn)一步導(dǎo)致學(xué)生的實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì)減少，科學(xué)素養(yǎng)和實(shí)驗(yàn)技能得不到全面發(fā)展。

二、學(xué)生對(duì)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求和期望

本文通過對(duì)三所初中的學(xué)生進(jìn)行問卷調(diào)查和訪談，分析和總結(jié)學(xué)生對(duì)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求和期望，具體如下。

（一）完善實(shí)驗(yàn)設(shè)備，保障實(shí)驗(yàn)安全

在初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生需要完善的實(shí)驗(yàn)設(shè)備來支持他們的學(xué)習(xí)。完善的實(shí)驗(yàn)設(shè)備能夠保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性和可靠性，同時(shí)也能提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。學(xué)生希望學(xué)校能夠提供足夠的實(shí)驗(yàn)器材和設(shè)備，讓他們得到更好的實(shí)踐體驗(yàn)。學(xué)生還關(guān)注實(shí)驗(yàn)的安全性，期望學(xué)校能夠提供安全的環(huán)境，確保實(shí)驗(yàn)過程的安全［2］。此外，他們還期望教師能夠適當(dāng)強(qiáng)調(diào)安全注意事項(xiàng)，讓他們了解如何避免實(shí)驗(yàn)事故的發(fā)生，保證實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行。

（二）提高動(dòng)手能力，深入理解物理學(xué)原理

物理是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，實(shí)驗(yàn)教學(xué)能有效提高學(xué)生的動(dòng)手能力。在實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生普遍希望自己能夠有更多的動(dòng)手操作機(jī)會(huì)，以加強(qiáng)對(duì)物理知識(shí)的掌握。另外，學(xué)生期望教師能夠引導(dǎo)他們進(jìn)行探究性學(xué)習(xí)，讓他們?cè)趯?shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)問題、分析問題并解決問題，從而更加深入地理解物理學(xué)原理。

（三）貼近生活，激發(fā)物理興趣

物理實(shí)驗(yàn)與生活實(shí)際相結(jié)合，不僅有助于學(xué)生理解物理學(xué)原理，還能激發(fā)他們對(duì)物理的興趣。在物理實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)學(xué)生看到所學(xué)的理論知識(shí)能被用來解決生活中的實(shí)際問題時(shí)，他們會(huì)感受到物理的實(shí)用性，從而更有動(dòng)力去學(xué)習(xí)和探索物理知識(shí)。生活化的物理實(shí)驗(yàn)?zāi)茏寣W(xué)生更好地理解和記憶物理知識(shí)。有的理論知識(shí)抽象、難以理解，但如果將之與日常生活中的事物或現(xiàn)象相聯(lián)系，便能使其變得生動(dòng)且易于理解。生活化的物理實(shí)驗(yàn)還可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，當(dāng)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中獲得成功時(shí)，他們會(huì)感到興奮和滿足，對(duì)學(xué)習(xí)產(chǎn)生高漲的熱情。例如，在研究聲音的傳播時(shí)，教師可以讓學(xué)生通過制作簡易的樂器來感受聲音的振動(dòng)和傳播。

三、通過初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的策略方法

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、在線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)等新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式逐漸受到關(guān)注。這些新型教學(xué)方式可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，為學(xué)生提供豐富多樣的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

（一）創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)器材，更新教育觀念

物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式需要適應(yīng)科技的發(fā)展和教育的需求，以更好地培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。創(chuàng)新物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式離不開創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)器材，如果物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)受限于實(shí)驗(yàn)器材，那么實(shí)驗(yàn)效果和學(xué)生的探究欲望也會(huì)在一定程度上受到限制。信息時(shí)代背景下，很多新型實(shí)驗(yàn)器材涌現(xiàn)，這些器材不僅新穎，而且貼近生活，能夠很好地模擬物理現(xiàn)象，幫助學(xué)生深入理解物理學(xué)原理。比如：數(shù)字化的溫度計(jì)、熱流計(jì)等熱學(xué)實(shí)驗(yàn)器材，能夠精確測量溫度和熱流，幫助學(xué)生探究熱傳遞規(guī)律以及熱量與溫度的關(guān)系；智能化的電壓表、電流表等電學(xué)實(shí)驗(yàn)器材，可以實(shí)時(shí)顯示電流、電壓等電學(xué)參數(shù)，學(xué)生可以利用這些器材開展電路設(shè)計(jì)、與歐姆定律相關(guān)的電學(xué)實(shí)驗(yàn)，深入理解電學(xué)知識(shí)；高精度計(jì)時(shí)器、在線數(shù)據(jù)采集器等儀器，能夠提高測量的精度和效率，有助于學(xué)生記錄和分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，提高其數(shù)據(jù)處理和分析能力。

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)器材的應(yīng)用，不僅可以突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方式的局限，提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性和可靠性，而且可以增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的趣味性和探究性，激發(fā)學(xué)生的好奇心和探究欲望。通過使用創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)器材，學(xué)生可以在動(dòng)態(tài)的真實(shí)情境中進(jìn)行探究，培養(yǎng)實(shí)踐能力。創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)器材的應(yīng)用需要教師具備相應(yīng)的素質(zhì)和能力。教師需要及時(shí)更新自己的教育觀念，掌握新的教學(xué)方法和技術(shù)，不斷提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平，以便更好地引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)。

（二）數(shù)字化實(shí)驗(yàn)

隨著科技的不斷發(fā)展，數(shù)字化技術(shù)深入滲透到各個(gè)領(lǐng)域。在初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)已經(jīng)成為一種趨勢。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)利用數(shù)字傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、數(shù)據(jù)分析與可視化等技術(shù)［3］，為學(xué)生提供更加豐富、精確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和良好的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)，有助于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和實(shí)驗(yàn)技能。

數(shù)字傳感器技術(shù)是數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的核心技術(shù)之一。利用數(shù)字傳感器可以實(shí)時(shí)采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，減小傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中手動(dòng)讀取數(shù)據(jù)的誤差，使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更精確可靠，學(xué)生更好地理解物理規(guī)律。在數(shù)字化實(shí)驗(yàn)中，數(shù)據(jù)分析與可視化是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過數(shù)據(jù)分析，學(xué)生可以了解實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分布、趨勢和規(guī)律；通過可視化，學(xué)生可以將數(shù)據(jù)以圖表、圖像等形式呈現(xiàn)出來，直觀地理解物理規(guī)律。例如，學(xué)生使用數(shù)字化光度計(jì)和角度傳感器，可以精確測量入射角和折射角的大小，并計(jì)算折射率；使用磁場傳感器和數(shù)據(jù)采集器，可以實(shí)時(shí)測量感應(yīng)電流的大小和方向，通過改變磁場的方向和強(qiáng)度，觀察感應(yīng)電流的變化，理解電磁感應(yīng)現(xiàn)象的基本原理。在數(shù)字化實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生能夠準(zhǔn)確地測量和處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，提高實(shí)驗(yàn)的可信度和說服力，培養(yǎng)科學(xué)探究能力。

此外，在線實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)是數(shù)字化實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸、監(jiān)控和管理的重要工具。通過在線管理系統(tǒng)，教師可以方便地對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控和管理，及時(shí)了解學(xué)生的實(shí)驗(yàn)進(jìn)展和問題，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果和質(zhì)量。

（三）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的實(shí)驗(yàn)方式。通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以在計(jì)算機(jī)上模擬物理實(shí)驗(yàn)，理解物理學(xué)原理。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具有較高的安全性、便捷性和可重復(fù)性［4］，同時(shí)可以幫助學(xué)生掌握正確的實(shí)驗(yàn)操作技巧，提高他們的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰涂茖W(xué)素養(yǎng)。

以原子光譜的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為例，在這一實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可以通過虛擬仿真技術(shù)，模擬不同能級(jí)上的原子光譜線，探究光譜線的特征和規(guī)律，并深入理解原子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。首先，學(xué)生從軟件提供的原子模型中選擇一種自己感興趣的原子，如氫原子、氦原子，觀察所選原子的內(nèi)部電子云分布和能級(jí)結(jié)構(gòu)，了解不同能級(jí)之間的能量差異。然后，通過軟件模擬不同能級(jí)之間的躍遷，觀察產(chǎn)生的光譜線。對(duì)比模擬生成的光譜線與已知的原子光譜圖譜，分析光譜線的特征和規(guī)律，了解不同能級(jí)躍遷產(chǎn)生的光譜線類型和它們對(duì)應(yīng)的波長范圍，并結(jié)合原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)和光譜線特征，深入理解原子的性質(zhì)和行為。最后，使用數(shù)據(jù)采集與分析工具，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，整理成表格或圖表的形式，分析和比較不同原子模型的光譜線特征。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和觀察結(jié)果，總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)論，理解原子光譜與原子結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，以及它們是如何體現(xiàn)原子的性質(zhì)的。

（四）在線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

在線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)教學(xué)是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，通過在線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)生可以在自己方便的時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。只要有互聯(lián)網(wǎng)連接，學(xué)生就可以隨時(shí)隨地進(jìn)行在線實(shí)驗(yàn)［5］，大大節(jié)約時(shí)間成本，獲得更多的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)。另外，在線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)一般整合了大量的實(shí)驗(yàn)資源，包括詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)、視頻教程、實(shí)驗(yàn)?zāi)M器等，有利于學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)的原理和操作步驟。此外，學(xué)生可以實(shí)時(shí)提交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果，獲取教師的反饋和建議，從而進(jìn)一步理解實(shí)驗(yàn)中的問題，并進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)。在線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)還鼓勵(lì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)。在沒有教師現(xiàn)場指導(dǎo)的情況下，學(xué)生需要自主查找資料、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、分析數(shù)據(jù)和得出結(jié)論，這可以培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考和解決問題的能力。

在線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來了巨大的變革和機(jī)遇，它不僅為學(xué)生提供了更靈活、便捷的學(xué)習(xí)方式，還促進(jìn)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)。隨著科學(xué)技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步和教育理念的不斷更新，我們有理由相信，在線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)將在未來的物理教學(xué)中發(fā)揮越來越重要的作用，成為一類不可或缺的實(shí)驗(yàn)教學(xué)工具。

（五）生活化實(shí)驗(yàn)

物理學(xué)作為一門揭示自然界運(yùn)行規(guī)律的學(xué)科，常常因?yàn)槠涑橄蟮母拍詈屠碚撟寣W(xué)生感到困擾。如何將物理知識(shí)生動(dòng)、直觀地呈現(xiàn)給學(xué)生，讓他們真正感受到物理學(xué)的魅力呢？生活化實(shí)驗(yàn)為我們提供了一個(gè)極好的途徑。

將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與生活相結(jié)合，可以讓學(xué)生意識(shí)到物理并不遙遠(yuǎn)，而是與生活息息相關(guān)的，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使他們更加主動(dòng)地投入物理學(xué)習(xí)中［6］。利用日常生活中的物品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，能讓學(xué)生直觀地看到物理學(xué)原理在現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用，加深對(duì)知識(shí)的理解。由于實(shí)驗(yàn)材料源于生活，學(xué)生在操作時(shí)會(huì)有更多的新鮮感和學(xué)習(xí)熱情。通過生活化實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能夠?qū)⑽锢碇R(shí)應(yīng)用到實(shí)際生活中，實(shí)現(xiàn)知識(shí)遷移。例如，利用自行車進(jìn)行力學(xué)實(shí)驗(yàn)，探究自行車的機(jī)械能轉(zhuǎn)化。學(xué)生騎行自行車，記錄起始速度和結(jié)束速度，測量行駛距離和所用時(shí)間，然后計(jì)算自行車的平均速度和功率，分析自行車行駛過程中的機(jī)械能轉(zhuǎn)化情況，探究不同情況下的能量損失和效率。在這一實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可以探究自行車行駛過程中的機(jī)械能轉(zhuǎn)化情況，了解不同情況下的能量損失和效率，以及功率的概念和應(yīng)用，為設(shè)計(jì)和改進(jìn)自行車提供理論支持。

生活化實(shí)驗(yàn)不僅有助于提高學(xué)生對(duì)物理知識(shí)的理解能力，還能激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣，提升其實(shí)踐能力。教師應(yīng)該多引入生活化實(shí)驗(yàn)到物理課堂中，幫助學(xué)生理解和應(yīng)用物理知識(shí)，為他們的全面發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

結(jié)語

總之，初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)需要從多方面入手。教師在教學(xué)中應(yīng)該關(guān)注實(shí)驗(yàn)方法的發(fā)展，注重對(duì)學(xué)生科學(xué)思維的引導(dǎo)和科學(xué)探究精神的激發(fā)，根據(jù)實(shí)際情況采取有效的教學(xué)策略和方法，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)水平。未來，我們可以進(jìn)一步探討如何將人工智能技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的趣味性和實(shí)效性。另外，教師還需要加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)評(píng)價(jià)，全面了解實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果和學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的發(fā)展?fàn)顩r，為進(jìn)一步完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供有力支持。

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