利用微實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，提升物理課堂探究效率

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》對物理學(xué)科核心素養(yǎng)進(jìn)行了凝練，要求依托觀察與實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生提出物理領(lǐng)域的相關(guān)問題，進(jìn)而構(gòu)建猜想和假設(shè).接著進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、規(guī)劃研究方案的工作，從而強(qiáng)化學(xué)生的“科學(xué)探究”能力[1.其中，實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力的重要途徑之一，但受限于課堂教學(xué)時長，教學(xué)中難以完成復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)過程.因此，利用規(guī)模較小、操作難度相對較低的微實(shí)驗(yàn)，可以快速激發(fā)學(xué)生積極性，進(jìn)而提升物理課堂探究效率.基于此，如何設(shè)計(jì)、利用微實(shí)驗(yàn)，成為物理課堂教學(xué)研究的新方向，

1物理微實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)原則

傳統(tǒng)高中物理實(shí)驗(yàn)多需要專業(yè)設(shè)備，并且操作步驟煩瑣、易出錯、耗時久，學(xué)生難以深入思考.且教學(xué)針對性欠佳，與課程重難點(diǎn)聯(lián)系不緊密.在利用微實(shí)驗(yàn)提升高中物理課堂探究效率過程中，教師應(yīng)遵循以下原則設(shè)計(jì)微實(shí)驗(yàn)：

其一，應(yīng)遵循簡單性原則.器材選取要常見、易獲取，減少復(fù)雜裝置.實(shí)驗(yàn)步驟應(yīng)簡潔明了，避免煩瑣操作.實(shí)驗(yàn)原理宜基礎(chǔ)、易懂，讓學(xué)生能輕松理解.如此，學(xué)生可快速上手，專注實(shí)驗(yàn)本質(zhì)，不被復(fù)雜準(zhǔn)備和操作干擾，高效達(dá)成實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo).

其二，應(yīng)遵循科學(xué)性原則.微實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)應(yīng)基于科學(xué)理論，確保原理正確無誤.實(shí)驗(yàn)方法應(yīng)嚴(yán)謹(jǐn)規(guī)范，符合科學(xué)研究流程.微實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)應(yīng)經(jīng)反復(fù)驗(yàn)證，可重復(fù)性強(qiáng)，向?qū)W生準(zhǔn)確傳遞科學(xué)知識，培養(yǎng)其科學(xué)思維.

其三，應(yīng)遵循針對性原則.微實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不僅應(yīng)緊扣教學(xué)內(nèi)容，圍繞特定知識點(diǎn)設(shè)計(jì)，助力學(xué)生理解重點(diǎn)、突破難點(diǎn)，更應(yīng)契合學(xué)生的認(rèn)知水平，難度適中，既具挑戰(zhàn)性又能讓學(xué)生通過努力完成實(shí)驗(yàn)探究.

其四，應(yīng)遵循趣味性原則.實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象應(yīng)新奇、有趣，能快速吸引學(xué)生注意力，并融入生活元素，讓學(xué)生感受物理與生活緊密相連.微實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)應(yīng)富有創(chuàng)意，使學(xué)生對物理實(shí)驗(yàn)充滿期待，主動參與探究，提升學(xué)習(xí)積極性[2].

2利用微實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)提升物理課堂探究效率的教學(xué)實(shí)踐

2.1 問題提出，猜想假設(shè)：生活情境驅(qū)動

科學(xué)探究核心素養(yǎng)強(qiáng)調(diào)基于真實(shí)情境的問題發(fā)現(xiàn)能力，而以生活現(xiàn)象為切入點(diǎn)可有效激活學(xué)生的問題發(fā)現(xiàn)、假設(shè)建構(gòu)能力.微實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)需遵循\"簡單性、針對性”原則，將抽象物理概念轉(zhuǎn)化為可觀察的生活化實(shí)驗(yàn)場景[3].因此，教師在設(shè)計(jì)微實(shí)驗(yàn)時，可從生活現(xiàn)象出發(fā)，創(chuàng)設(shè)情境，激活學(xué)生思維，使學(xué)生對實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生興趣

例如以必修一中“時間位移”為例，教師可以利用多媒體軟件，為學(xué)生播放 800m 賽跑的比賽視頻.視頻中，運(yùn)動員們在跑道上奔跑，起點(diǎn)不同，終點(diǎn)一致，路線各異.在學(xué)生觀看后，教師可以進(jìn)行引導(dǎo)：“怎樣精準(zhǔn)表述運(yùn)動員從起點(diǎn)到終點(diǎn)的位置變化？是依據(jù)跑過的彎曲跑道長度，還是有別的方法？比賽計(jì)時從發(fā)令槍響那一刻開始，流逝的時間與運(yùn)動員位置的改變有何聯(lián)系？”基于日常認(rèn)知，學(xué)生大膽猜想假設(shè).部分學(xué)生認(rèn)為，用運(yùn)動員跑過的總路程能表示位置變化，路程長的位置改變就大.有學(xué)生卻提出，應(yīng)關(guān)注起點(diǎn)到終點(diǎn)的直線距離，因其更能凸顯位置改變的實(shí)質(zhì).還有學(xué)生思索：時間與運(yùn)動員速度相關(guān)，速度影響位置變化，那時間和位置變化之間是否存在特定數(shù)學(xué)關(guān)系？在該微實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)里，教師借助 800m 賽跑視頻，使時間與位移的抽象知識具象化.學(xué)生置身于熟悉的生活情境中，主動思考問題、大膽假設(shè).此過程契合科學(xué)探究核心素養(yǎng)對學(xué)生敏銳發(fā)現(xiàn)問題、大膽假設(shè)能力的培養(yǎng)需求.學(xué)生不再被動接受知識，而是主動探索物理知識，極大提升了物理課堂探究效率.

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，方案制定：設(shè)計(jì)分層實(shí)驗(yàn)

“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行.”對于學(xué)生而言，在自己動手實(shí)驗(yàn)的過程中，才能夠更為深刻地理解相應(yīng)物理知識.同時，科學(xué)探究的過程也是不斷實(shí)驗(yàn)的過程.基于此，教師在利用微實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)提高探究效率時，可將微實(shí)驗(yàn)拆解成多個步驟，讓學(xué)生親自動手實(shí)驗(yàn)，以此引導(dǎo)學(xué)生思路，提高探索效率.

例如以必修一中“力的合成”為例，首先以A4紙為背景，用一個彈簧拉力器吊起木塊，在A4紙上標(biāo)記木塊位置.接著，讓學(xué)生逐次增加彈簧拉力器，同時保證木塊相對A4紙位置不變.學(xué)生在操作中，直觀感受多個彈簧拉力器的力共同作用效果等同于一個彈簧拉力器的力，從而理解“合力與分力”概念，初步建立關(guān)于力的合成的認(rèn)知.其次，進(jìn)一步拓展.教師提問：“在同一平面，力可分解至 x 軸和 軸，那三維空間中的力如何分解？”學(xué)生圍繞此問題，動手實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.通過嘗試改變彈簧拉力器的方向，在三維空間構(gòu)建不同方向的力，觀察木塊位置變化，思考如何將力合理分解.在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生學(xué)會控制變量，思考力的方向與大小變化對合成效果的影響.最后，教師引導(dǎo)學(xué)生深入探究力的合成規(guī)律.要求學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，精確驗(yàn)證力的合成的平行四邊形定則.學(xué)生自主選擇實(shí)驗(yàn)器材，如使用高精度力傳感器替代彈簧拉力器，更精準(zhǔn)測量力的大小、方向.通過多次改變力的角度、大小，運(yùn)用數(shù)學(xué)方法繪制平行四邊形，對比合力理論值與實(shí)驗(yàn)測量值，深入剖析力的合成本質(zhì).

2.3信息獲取，數(shù)據(jù)處理：協(xié)作處理數(shù)據(jù)

從物理學(xué)角度來看，科學(xué)探究的過程需要對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性.以往科學(xué)家們大多通過紙筆的原始方式處理數(shù)據(jù)，效率低下，還容易出現(xiàn)失誤4.而信息時代背景下，教師可組織學(xué)生合理運(yùn)用信息技術(shù)，收集、處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，提高探究效率.

例如以必修二中機(jī)械能守恒實(shí)驗(yàn)探究為例，設(shè)計(jì)微實(shí)驗(yàn).準(zhǔn)備可調(diào)節(jié)高度的斜面，斜面高度能按需調(diào)整.準(zhǔn)備質(zhì)量已知的小球，質(zhì)量數(shù)值明確.再準(zhǔn)備光電門傳感器與數(shù)據(jù)采集器.實(shí)驗(yàn)時，將小球從不同的斜面高度釋放.小球經(jīng)過光電門時，傳感器迅速記錄時間數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集器自動收集這些數(shù)據(jù).教師組織學(xué)生分組協(xié)作：一組學(xué)生專注設(shè)置斜面高度，每次都保證實(shí)驗(yàn)條件一致.一組學(xué)生專門負(fù)責(zé)小球釋放，釋放動作力求規(guī)范；一組學(xué)生緊盯數(shù)據(jù)采集器，準(zhǔn)確記錄數(shù)據(jù).數(shù)據(jù)收集結(jié)束后，進(jìn)人數(shù)據(jù)處理階段.學(xué)生運(yùn)用Excel軟件，將收集到的時間、高度等數(shù)據(jù)輸入軟件，借助軟件自帶的函數(shù)功能，快速算出小球在不同位置的速度，并依據(jù)速度算出動能與勢能.之后，利用軟件圖表功能，把數(shù)據(jù)繪制成動能一勢能變化曲線.從圖表中，學(xué)生能直觀看到，在誤差允許范圍內(nèi)，動能與勢能之和基本保持不變，由此驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律.此過程借助信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)協(xié)作處理數(shù)據(jù)，既提高了數(shù)據(jù)處理效率，又讓學(xué)生學(xué)會團(tuán)隊(duì)合作，還能清晰觀察物理量關(guān)系，提升了物理課堂探究效率，培養(yǎng)了學(xué)生科學(xué)探究的核心素養(yǎng).

2.4得出結(jié)論，闡釋原理：強(qiáng)化批判性思維

微實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生難免遇到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與預(yù)期不符的情況.

例如在\"滑動變阻器的使用”微實(shí)驗(yàn)中，滑動變阻器的滑片移動時，電路中的電流和電壓與理論值存在差距.此時，學(xué)生需要批判性思考實(shí)驗(yàn)步驟是否嚴(yán)謹(jǐn)、測量工具是否精準(zhǔn)、有無外界因素干擾.通過對所發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行深入分析，學(xué)生學(xué)會質(zhì)疑、反思，逐步構(gòu)建批判性思維體系，不再盲目接受既有結(jié)論，而是以科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度審視物理知識，實(shí)現(xiàn)從知識接收者到知識探索者的轉(zhuǎn)變，進(jìn)而提升物理課堂探究效率.

基于此，教師在微實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，應(yīng)注重引導(dǎo)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)所得結(jié)論進(jìn)行批判性思考.在“滑動變阻器的使用”微實(shí)驗(yàn)中，教師可提出問題：“當(dāng)滑動變阻器接入電路的方式改變時，電流和電壓的變化規(guī)律是否依然符合之前的結(jié)論？”該問題促使學(xué)生重新審視實(shí)驗(yàn)過程.學(xué)生開始嘗試將滑動變阻器由串聯(lián)改為并聯(lián)接入電路，并觀察到電流和電壓的變化情況與串聯(lián)時截然不同.此時，學(xué)生需要思考為何會出現(xiàn)差異.接著，教師引導(dǎo)學(xué)生檢查實(shí)驗(yàn)器材，對比不同品牌滑動變阻器的參數(shù).學(xué)生發(fā)現(xiàn)，不同滑動變阻器的電阻絲材質(zhì)、長度和橫截面積有所不同，可能影響其電阻特性，進(jìn)而影響電路中的電流和電壓.學(xué)生進(jìn)一步思考，在實(shí)際應(yīng)用中，是否需要根據(jù)不同需求選擇合適的滑動變阻器.

在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理階段，教師要求學(xué)生分析數(shù)據(jù)的離散程度.學(xué)生發(fā)現(xiàn)，多次測量的數(shù)據(jù)存在一定波動，并非完全一致.這促使學(xué)生思考測量誤差產(chǎn)生的原因是讀數(shù)時的人為誤差，還是實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的溫度、濕度等因素.教師還可引入拓展問題：“在復(fù)雜電路中，滑動變阻器與多個電阻同時存在時，如何準(zhǔn)確分析其對電路的影響？”學(xué)生嘗試構(gòu)建不同的復(fù)雜電路模型，在不斷嘗試和分析中，對滑動變阻器的理解更加深入，批判性思維也得到進(jìn)一步發(fā)展.

2.5評估反饋，反思提升：多元實(shí)驗(yàn)評價

評價反思是微實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的最后一環(huán)，同時也是后續(xù)微實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的起始環(huán)節(jié).為進(jìn)一步提升微實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的有效性，提升物理課堂探究效率，教師應(yīng)采用多元實(shí)驗(yàn)評價方式，全面、客觀地評價學(xué)生表現(xiàn).

其一，關(guān)注學(xué)生對實(shí)驗(yàn)知識的理解運(yùn)用.在微實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，設(shè)置相關(guān)的理論小測驗(yàn)，考查學(xué)生對實(shí)驗(yàn)原理、公式推導(dǎo)等基礎(chǔ)知識的掌握程度.

例如在探究\"滑動摩擦力”的微實(shí)驗(yàn)后，測驗(yàn)題目可包括滑動摩擦力公式的應(yīng)用場景、影響滑動摩擦力大小因素的分析等.依據(jù)測驗(yàn)成績，教師清晰了解學(xué)生知識層面的薄弱點(diǎn)，為后續(xù)針對性教學(xué)提供依據(jù)[5].

其二，重視學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作過程.觀察學(xué)生在微實(shí)驗(yàn)中的操作步驟是否規(guī)范，儀器使用是否正確.

其三，考量學(xué)生在小組合作中的表現(xiàn).在微實(shí)驗(yàn)多以小組形式開展的情況下，教師需要觀察學(xué)生間的分工協(xié)作情況.如是否有學(xué)生積極承擔(dān)任務(wù)，推動實(shí)驗(yàn)進(jìn)程；是否存在因溝通不暢導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)受阻的情況.小組互評與教師評價相結(jié)合，促使學(xué)生提升團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力.例如，小組內(nèi)成員相互評價在實(shí)驗(yàn)討論中貢獻(xiàn)觀點(diǎn)的多少、對他人意見的接納程度等.

其四，還可引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自我評價.讓學(xué)生回顧自己在微實(shí)驗(yàn)中的表現(xiàn)，思考自身的優(yōu)點(diǎn)與不足之處.

3結(jié)語

綜上所述，有效利用微實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)開展高中物理課堂探究活動，能有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、探究欲望，提升課堂探究效率，促進(jìn)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展.然而，微實(shí)驗(yàn)教學(xué)仍應(yīng)不斷探索完善.教師應(yīng)持續(xù)創(chuàng)新微實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，緊密結(jié)合教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生實(shí)際，優(yōu)化教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)，充分發(fā)揮微實(shí)驗(yàn)在物理教學(xué)中的優(yōu)勢，助力學(xué)生更好地掌握物理知識，培養(yǎng)其科學(xué)思維和實(shí)踐能力，為學(xué)生的未來發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ).

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