基于學(xué)生核心素養(yǎng)培養(yǎng)的初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)

摘 要 物理是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然學(xué)科，物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng)具有非常重要的作用。以“聲音的產(chǎn)生與傳播”為例，探究如何在實(shí)驗(yàn)課中培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞 物理；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；聲音的產(chǎn)生與傳播；科學(xué)思維；核心素養(yǎng)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2024）17-0-04

0 引言

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》指出，物理學(xué)科核心素養(yǎng)是科學(xué)育人價(jià)值的集中體現(xiàn)，是學(xué)生通過學(xué)科學(xué)習(xí)逐步形成的正確價(jià)值觀、必備品格和關(guān)鍵能力[1]2。物理學(xué)科核心素養(yǎng)的提出體現(xiàn)了國(guó)家對(duì)創(chuàng)新型人才的要求。教育作為培養(yǎng)人才的主陣地，在提升學(xué)生的創(chuàng)新思維與創(chuàng)造能力方面具有非常重要的作用。初中物理作為一門基礎(chǔ)自然學(xué)科，是培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的載體，因此，要重視每節(jié)課堂教學(xué)。初中生已具有初步邏輯思維能力，但抽象思維能力水平不高，正處于由經(jīng)驗(yàn)型向理論型過渡的時(shí)期，是培養(yǎng)核心素養(yǎng)的最佳時(shí)期。物理是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然學(xué)科，物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng)具有非常重要的作用。本文以“聲音的產(chǎn)生與傳播”教學(xué)設(shè)計(jì)為例，探究如何在實(shí)驗(yàn)課中培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)。

1 教材分析

“聲音的產(chǎn)生與傳播”是整個(gè)聲學(xué)知識(shí)的基礎(chǔ)，對(duì)后續(xù)學(xué)習(xí)聲音的特性、聲音的利用和防止等知識(shí)具有重要的作用。高青縣第五中學(xué)使用的是山東科學(xué)技術(shù)出版社出版的教材，“聲音的產(chǎn)生與傳播”一節(jié)包括三塊內(nèi)容：聲音的產(chǎn)生、聲音的傳播、聲速。本節(jié)內(nèi)容是學(xué)生初步運(yùn)用觀察、分析、歸納總結(jié)等物理方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，親自體驗(yàn)科學(xué)探究過程，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生良好的思考、探究習(xí)慣和態(tài)度具有非常重要的作用。

2 教學(xué)目標(biāo)

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》對(duì)本節(jié)課的內(nèi)容要求是通過實(shí)驗(yàn)認(rèn)識(shí)聲的產(chǎn)生和傳播條件；學(xué)業(yè)要求則從物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四個(gè)方面進(jìn)行詳細(xì)規(guī)定[1]16，19。結(jié)合新課標(biāo)要求、教材內(nèi)容和學(xué)情，設(shè)定如下教學(xué)目標(biāo)[2]。

2.1 物理觀念

1）知道聲音是由物體的振動(dòng)產(chǎn)生的；

2）知道聲音的傳播需要介質(zhì)；

3）了解聲音是以波的形式傳播的；

4）知道空氣中聲音的傳播速度。

2.2 科學(xué)思維

1）培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行觀察、分析、歸納、科學(xué)探究的思維；

2）引導(dǎo)學(xué)生完成探究聲音的產(chǎn)生與傳播的實(shí)驗(yàn)要求。

2.3 科學(xué)探究

1）設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究聲音的產(chǎn)生與傳播；

2）通過觀察，能描述現(xiàn)象、總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)論；

3）通過實(shí)驗(yàn)，體驗(yàn)科學(xué)探究的過程，掌握科學(xué)探究的方法，并能用其解決以后遇到的一些問題。

2.4 科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

1）通過一系列的探究實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，培養(yǎng)學(xué)生的合作意識(shí)和主動(dòng)交流并發(fā)表自己觀點(diǎn)的意識(shí)；

2）培養(yǎng)善于利用日常物品進(jìn)行科學(xué)探究、熱愛科學(xué)的思維意識(shí)。

3 設(shè)計(jì)思路

根據(jù)上述教學(xué)目標(biāo)，本節(jié)課內(nèi)容分為四個(gè)教學(xué)活動(dòng)。1）實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)：發(fā)聲的物體正在振動(dòng)。2）小組探究活動(dòng)：真空不能傳聲。3）感知與模擬：聲音的傳播形式。4）手機(jī)輔助實(shí)驗(yàn)：聲音在空氣中的速度。課本上傳統(tǒng)的探究真空不能傳聲實(shí)驗(yàn)存在不足，如實(shí)驗(yàn)器材笨重、易老化漏氣、底座傳聲等，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)效果不夠明顯。針對(duì)上述不足，對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)成學(xué)生自主探究活動(dòng)。另外，對(duì)聲音在空氣中的傳播速度這部分內(nèi)容，設(shè)計(jì)一個(gè)手機(jī)輔助實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以直觀地觀察聲速。這節(jié)課的實(shí)驗(yàn)方法設(shè)計(jì)采用結(jié)構(gòu)化內(nèi)容設(shè)計(jì)，融合現(xiàn)代信息技術(shù)（如電子技術(shù)、手機(jī)軟件等），遵循初中生的認(rèn)知特點(diǎn)，“直觀感知—引導(dǎo)發(fā)現(xiàn)—科學(xué)探究—得出結(jié)論”。

4 教學(xué)過程

4.1 新課引入

播放動(dòng)畫，讓學(xué)生傾聽大自然的聲音，引出聲源的概念。

【問題設(shè)置】這些聲音是怎樣產(chǎn)生、傳播的？

【設(shè)計(jì)意圖】學(xué)生對(duì)自然界中的一些聲音比較熟悉，但對(duì)聲音的產(chǎn)生及傳播過程等知識(shí)并不了解。通過物理問題的引導(dǎo)，激發(fā)學(xué)生探究的興趣，讓學(xué)生對(duì)自然界、生活中的一些現(xiàn)象進(jìn)行理性思考，建立物理知識(shí)與生活的密切聯(lián)系，感受物理知識(shí)就在身邊。

4.2 探究聲音的產(chǎn)生

【問題設(shè)置】物體發(fā)聲與不發(fā)聲時(shí)有何不同？發(fā)聲體發(fā)聲時(shí)有何特征？

【實(shí)驗(yàn)器材】鋼尺、齒輪、一杯水、音叉、簡(jiǎn)易琴弦、學(xué)生課桌上的學(xué)習(xí)用品等。

【學(xué)生活動(dòng)】小組合作，體驗(yàn)讓上述物品發(fā)聲，觀察物體發(fā)聲時(shí)的特點(diǎn)，展示發(fā)聲過程并回答上述問題。

【設(shè)計(jì)意圖】讓學(xué)生成為探究的主體，通過親身體驗(yàn)、觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，自主分析現(xiàn)象，合作交流總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)論。在探究過程中，有學(xué)生發(fā)現(xiàn)有些物品（如音叉等）的發(fā)聲現(xiàn)象不易觀察，質(zhì)疑該類物體的發(fā)聲是否由振動(dòng)產(chǎn)生。針對(duì)學(xué)生的質(zhì)疑，教師可以引導(dǎo)學(xué)生思考解決方案，讓學(xué)生通過自主思考、合作交流加上教師點(diǎn)撥，提出解決方案：可以借助其他物體（如乒乓球等）將微小的、不易觀察的振動(dòng)放大。在這個(gè)過程中滲透重要的物理學(xué)方法——轉(zhuǎn)換法。通過上述探究活動(dòng)促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維發(fā)展，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。

4.3 探究聲音的傳播

【問題設(shè)置】聲音產(chǎn)生后是如何傳播到人耳的？

【教師點(diǎn)撥】我們生活環(huán)境中的物質(zhì)有三種存在形式——?dú)鈶B(tài)、液態(tài)、固態(tài)，這三種形式的物質(zhì)是否都能傳聲呢？

4.3.1 探究聲音在氣體中的傳播

【學(xué)生活動(dòng)1】小組合作驗(yàn)證聲音可以在氣體中傳播，并派代表展示驗(yàn)證成果。

【教師點(diǎn)評(píng)1】大部分學(xué)生通過生活中的現(xiàn)象（如我們?cè)诮淌依锟梢月牭奖舜说穆曇舻龋┳C明聲音可以在氣體中傳播。如果沒有空氣，我們還能聽到彼此的聲音嗎？

【學(xué)生活動(dòng)2】小組討論交流，部分學(xué)生想到去太空中驗(yàn)證一下。

【教師點(diǎn)評(píng)2】這個(gè)提議難度很大，我們能不能設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，在教室里驗(yàn)證該問題呢？

【學(xué)生活動(dòng)3】小組繼續(xù)討論交流，部分學(xué)生想到把發(fā)聲體放到一個(gè)密封裝置中，將里面的氣體抽走，對(duì)比聲音前后的變化。

此時(shí)，基本設(shè)計(jì)思路已經(jīng)形成，教師可以簡(jiǎn)要介紹提供的實(shí)驗(yàn)器材用法，讓學(xué)生小組合作完成探究實(shí)驗(yàn)。

【實(shí)驗(yàn)器材】簡(jiǎn)易的拔罐裝置、蜂鳴器、紐扣電池等。

【具體操作】學(xué)生把蜂鳴器和紐扣電池組裝好，讓其發(fā)聲，接著放到手掌中，用拔罐罩蓋住，可以聽到聲音比在空氣中有所減?。唤又贸闅庋b置把罐體中的空氣慢慢抽出，在這個(gè)過程中傾聽聲音的變化；最后，把罐體上端的活塞打開，進(jìn)入空氣，傾聽聲音的變化。

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生描述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并引導(dǎo)學(xué)生推理總結(jié)：真空不能傳聲。

【設(shè)計(jì)意圖】學(xué)生通過列舉日常生活中的一些現(xiàn)象，得出聲音可以在氣體中傳播。教師通過反證法引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證真空不能傳聲，有利于學(xué)生辯證思維的培養(yǎng)。另外，在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，教師對(duì)課本中傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)，利用生活化的材料，結(jié)合電子技術(shù)，進(jìn)行小組探究活動(dòng)，取得很好的實(shí)驗(yàn)效果。

4.3.2 探究聲音在液體中的傳播

【學(xué)生活動(dòng)1】小組合作，驗(yàn)證聲音可以在液體中傳播，并派代表展示驗(yàn)證成果。

【教師點(diǎn)評(píng)1】大部分學(xué)生結(jié)合生活經(jīng)驗(yàn)（如腳步聲嚇跑岸邊的魚等）證明液體可以傳聲。大家能否利用教室現(xiàn)有器材或物品設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證呢？

【學(xué)生活動(dòng)2】小組討論交流，大部分學(xué)生想到在水中放一個(gè)發(fā)聲體，檢驗(yàn)?zāi)芊衤牭铰曇簟?/p>

【教師點(diǎn)評(píng)2】方案很棒，但存在一定的不足之處，如我們需要用容器盛水，發(fā)聲體一般會(huì)跟容器接觸，這樣就不能排除固體傳聲的問題，有沒有更好的方案呢？

【學(xué)生活動(dòng)3】小組討論交流后，部分學(xué)生想到讓發(fā)聲體浸沒在水中浮著（懸浮）。

此時(shí)，教師可以展示實(shí)驗(yàn)器材——浮沉子，介紹其使用方法，并演示。

【實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)】將發(fā)聲體——蜂鳴器密封，并與小玻璃瓶結(jié)合在一起作為浮沉子放入裝水的塑料瓶中，捏塑料瓶，浮沉子會(huì)在水中懸浮，此過程中會(huì)一直聽到蜂鳴器發(fā)出的聲音，由此驗(yàn)證液體傳聲。此實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)可以排除傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中固體傳聲的影響。

最后，拓展液體傳聲在生活中的應(yīng)用——水下芭蕾舞。

【設(shè)計(jì)意圖】學(xué)生通過列舉日常生活中的一些現(xiàn)象，得出聲音可以在液體中傳播。在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，通過教師引導(dǎo)，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)探究態(tài)度。生活中的應(yīng)用——水下芭蕾舞，體現(xiàn)了物理來源于生活又服務(wù)于生活的理念。

4.3.3 探究聲音在固體中的傳播

【學(xué)生活動(dòng)1】小組合作，驗(yàn)證聲音可以在固體中傳播，并派代表展示驗(yàn)證成果。

【教師點(diǎn)評(píng)1】大部分學(xué)生通過生活中的現(xiàn)象（如隔墻有耳、醫(yī)生用聽診器等）證明聲音可以在固體中傳播。大家能否利用教室現(xiàn)有器材或物品設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證呢？

【學(xué)生活動(dòng)2】小組討論交流，部分學(xué)生想到伏桌，輕敲桌子聽聲等。

此時(shí)，教師出示“土電話”實(shí)驗(yàn)器材，讓學(xué)生實(shí)踐“土電話”驗(yàn)證固體傳聲。最后，拓展到固體傳聲在生活中的應(yīng)用——貝多芬用牙齒聽聲。

【設(shè)計(jì)意圖】利用周圍簡(jiǎn)單易得的物品帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行低成本的探究實(shí)驗(yàn)，讓物理實(shí)驗(yàn)走進(jìn)課堂、融入教學(xué)，在這個(gè)過程中培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和合作探究意識(shí)，有利于培養(yǎng)核心素養(yǎng)中倡導(dǎo)的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。生活中的應(yīng)用——貝多芬用牙齒聽聲，體現(xiàn)了物理來源于生活又服務(wù)于生活的理念。

4.4 探究聲音的傳播形式

聲音以波的形式在介質(zhì)中傳播是本節(jié)課的教學(xué)難點(diǎn)，這是因?yàn)椴▌?dòng)是一個(gè)抽象且復(fù)雜的概念，對(duì)學(xué)生來說較難理解[3]。因此，設(shè)計(jì)以下教學(xué)活動(dòng)：

1）結(jié)合現(xiàn)代信息技術(shù)，讓學(xué)生自己或借助物品發(fā)出各種聲音，利用手機(jī)軟件Oscilloscope展示這些聲音的波形，結(jié)合希沃投屏讓所有學(xué)生直觀感知聲波；

2）讓學(xué)生利用玩具彩虹圈模擬聲波；

3）通過視頻從微觀角度展示聲波，加深學(xué)生認(rèn)識(shí)。

【設(shè)計(jì)意圖】利用手機(jī)軟件直觀展示波形，有利于學(xué)生直觀感知聲波；通過彩虹圈玩具模擬聲波，讓學(xué)生親自動(dòng)手操作體驗(yàn)、觀察，對(duì)聲波加深理解；微觀視頻展示，進(jìn)一步加深理解。

4.5 探究聲音在空氣中的傳播速度

本部分內(nèi)容課本給學(xué)生提供的是一些圖片、資料，思考問題，學(xué)生缺少直觀的體驗(yàn)。如果能在課堂上呈現(xiàn)測(cè)量聲音速度的過程，那么必然會(huì)給學(xué)生帶來終生難忘的印象。鑒于此，通過查閱各種資料，利用手機(jī)軟件Phyphox自帶的“聲吶”程序測(cè)量聲音在空氣中的傳播速度，具體操作：取一根長(zhǎng)度約為56.3 cm的PVC管子（圖1），一端封閉，另一端放智能手機(jī)，打開測(cè)量程序（圖2）。圖3是測(cè)量的聲音在空氣中傳播的速度，受環(huán)境、PVC管子長(zhǎng)度等因素的影響，測(cè)量結(jié)果存在一定的誤差。

【設(shè)計(jì)意圖】利用手機(jī)軟件設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，在課堂中實(shí)時(shí)展示聲速，學(xué)生可以直觀感知聲速，一方面有利于學(xué)生加深印象，另一方面，有利于學(xué)生加強(qiáng)探究意識(shí)，發(fā)展科學(xué)思維，培養(yǎng)核心素養(yǎng)。

5 結(jié)束語

本節(jié)課以實(shí)驗(yàn)貫穿始終，采用問題引導(dǎo)、學(xué)生自主探究的方法，加強(qiáng)學(xué)生在課堂中的主體地位，一系列的實(shí)驗(yàn)探究讓學(xué)生對(duì)聲音的產(chǎn)生、傳播、聲速等知識(shí)有了系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。本節(jié)實(shí)驗(yàn)課體現(xiàn)了生活化（如體驗(yàn)聲音的產(chǎn)生——振動(dòng)，采用簡(jiǎn)易琴弦、齒輪、一杯水等器材）、簡(jiǎn)易化（探究真空不能傳聲，采用生活中的簡(jiǎn)易器材，結(jié)合電子技術(shù)）、可視化（探究聲音的傳播形式——聲波、在空氣中的傳播速度——聲速，結(jié)合手機(jī)軟件，讓學(xué)生直觀感知）的特點(diǎn)，讓學(xué)生在感知和發(fā)現(xiàn)過程中學(xué)會(huì)科學(xué)探究，提升物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

本節(jié)課的反思之處在于利用浮沉子驗(yàn)證液體能夠傳聲實(shí)驗(yàn)，聲音較小，可以尋找功率更大的蜂鳴器對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)。

6 參考文獻(xiàn)

[1] 中華人民共和國(guó)教育部.義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）[S].北京：北京師范大學(xué)出版社，2022.

[2] 丁玉玲，趙振宇.基于物理核心素養(yǎng)的教學(xué)設(shè)計(jì)：以“聲音的產(chǎn)生與傳播”為例[J].中學(xué)物理，2019，37（8）：56-59.

[3] 劉勇.發(fā)展學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)在初中物理教學(xué)中的實(shí)踐：以“聲音的產(chǎn)生和傳播”為例[J].中學(xué)物理，2018，36（20）：50-51.

*項(xiàng)目來源：高青縣教育科學(xué)規(guī)劃課題“核心素養(yǎng)視域下初中物理科學(xué)思維的培養(yǎng)研究”（課題批準(zhǔn)號(hào)：2021GQKT11）。

作者簡(jiǎn)介：秦娜娜，中學(xué)二級(jí)教師。