江蘇省溧水中等專業(yè)學校(211200)

楊永和

實驗教學

立足物理實驗教學落實學科核心素養(yǎng)

江蘇省溧水中等專業(yè)學校(211200)

楊永和

1 物理學科核心素養(yǎng)的內(nèi)涵

高中物理課程是普通高中自然科學領域的一門基礎課程，旨在進一步提升學生的物理核心素養(yǎng)，為學生的終身發(fā)展奠定基礎。物理核心素養(yǎng)是學生在接受物理教育過程中逐步形成的適應個人終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備品格和關鍵能力，是學生通過物理學習內(nèi)化的帶有物理學科特性的品質(zhì)。其主要由物理觀念、科學思維與創(chuàng)新能力、實驗探究能力、科學態(tài)度與責任等4個方面的要素構成，如圖1所示。

圖1 物理學科核心素養(yǎng)的構成

物理是一門以實驗為基礎的學科，實驗過程不僅能夠讓學生關注知識形成的過程，使學生真正理解物理知識結構，而且能夠讓學生深刻理解和反思物理概念和物理規(guī)律，形成物理觀念，還可以提高學生的科學探究技能，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識?？傊⒆阄锢韺嶒灲虒W能有效促進物理學科核心素養(yǎng)的落實。

2 立足實驗教學，落實學科核心素養(yǎng)的策略

2.1立足實驗，培養(yǎng)學生的物理觀念，促進學科核心素養(yǎng)養(yǎng)成

物理概念是物理核心素養(yǎng)的關鍵成分。通過學習物理幫助學生形成物理的物質(zhì)觀、運動觀、能量觀、相互作用觀等概念，并能用其解釋自然現(xiàn)象和解決實際問題。借助實驗可以幫助學生透過物理現(xiàn)象理解深層次的物理規(guī)律，促進物理觀念的形成。例如，憑學生的主觀想象，如果向2張平行放置的紙片之間吹氣，氣流會把2張紙片分開。這樣的想法是否正確呢？接下來，借助一個簡單的實驗加以驗證。將2張紙片平行放置，紙片之間留有一定的間隙，用嘴向2張紙片中間吹氣，引導學生觀察實驗現(xiàn)象。增大吹氣的流速，觀察紙片的變化。在實驗時，可以清楚地觀察到向紙片中間吹氣，紙片不但沒有被分開，反而相互靠攏，并且吹氣的流速越大，紙片靠得越緊。

通過實驗讓學生明白，在分析問題時，不能僅考慮事物的表面現(xiàn)象，而要運用所學的物理知識分析現(xiàn)象后面隱藏的規(guī)律及其實質(zhì)，要學會使用正確的物理思維方法解釋物理現(xiàn)象，進而解決實際問題。

2.2立足實驗，培養(yǎng)學生的實驗探究能力，促進學科核心素養(yǎng)養(yǎng)成

實驗探究能力是物理核心素養(yǎng)中最關鍵的構成要素，也是較難培養(yǎng)的一種能力。其要求學生具有科學的探究意識，能發(fā)現(xiàn)問題，提出合理猜測；具有設計實驗探究方案和獲取證據(jù)的能力，能正確實施實驗探究方案，使用各種科學手段和方法收集信息；具有分析論證的能力，會使用各種方法和手段分析、處理信息，描述、解釋實驗探究結果和變化趨勢；具有合作與交流的意愿與能力，能準確表述、評估和反思實驗探究過程與結果。

以探究胡克定律實驗為例，談談怎樣通過物理實驗培養(yǎng)學生的深度探究能力，促進其學科核心素養(yǎng)養(yǎng)成。

2.2.1 巧妙地發(fā)放實驗器材，為學生深度探究做準備

在胡克定律賓探究實驗中巧妙地準備實驗器材，給學生發(fā)放幾種不同型號的彈簧和幾種不同質(zhì)量的鉤碼，為學生開展探究實驗做準備。

2.2.2 巧妙地利用問題串，引導學生深度探究

實驗器材發(fā)放到位后，借助問題串引導學生通過自主設計實驗并進行探究。要求學生完成實驗后，認真記錄實驗數(shù)據(jù)，并按要求對實驗數(shù)據(jù)進行處理。

首先，改變所掛鉤碼的數(shù)量，重復進行實驗，并把實驗數(shù)據(jù)記入表1中。

表1 實驗數(shù)據(jù)記錄表

注意：①實驗時不要超過彈簧的彈性限度；②本實驗要求定量測量，因此要盡可能減小誤差。

其次，引導學生根據(jù)實驗數(shù)據(jù)做出F-x圖像，觀察F-x圖像的特征，并計算出圖線的斜率。

最后，教師引導學生對實驗結果進行分析。

教師：請大家觀察、分析所作F-x圖像有什么特征？

學生：一條傾斜的直線。

教師：說明F與x存在什么樣的關系？

學生：說明F與x成正比。

教師：在彈性限度內(nèi)，彈簧受到的彈力跟彈簧變化的長度成正比。斜線的斜率就是彈簧的勁度系數(shù)

2.2.3 巧妙地利用實驗數(shù)據(jù)，啟發(fā)學生深刻理解規(guī)律

接下來，看看直線斜率的大小跟哪些因素有關？此時，教師在全班同學中選擇表2～4中的3組數(shù)據(jù)及其圖像(見圖2、3)，通過實物投影向?qū)W生展示。

表2 利用彈簧一實驗所得數(shù)據(jù)

表3 利用彈簧二實驗所得數(shù)據(jù)

表4 利用彈簧三實驗所得數(shù)據(jù)

圖2 F-x圖像1

圖3 F-x圖像2

教師引導學生對以上3組實驗數(shù)據(jù)進行分析比較：彈簧一與彈簧二型號相同，但是所掛鉤碼的質(zhì)量不同，受到不同的拉力，因而彈簧的伸長量不一樣。但是，圖像的斜率是一樣的，都是0.625 N/cm。說明彈簧的勁度系數(shù)與彈簧受到的彈力大小無關，與彈簧的型號有關。彈簧一和彈簧三的型號不同，受到的拉力相同，彈簧的伸長量不同，圖像的斜率也不一樣，彈簧一圖像的斜率是0.625 N/cm，彈簧三圖像的斜率為0.25 N/cm。說明彈簧的勁度系數(shù)與彈簧的種類(型號)有關。

利用這種方式教學，沒有添加任何新的實驗器材，而讓實驗器材更大限度地發(fā)揮了其作用，為學生的深度探究提供了保障。精心設計的問題串能層層遞進式地引導學生進行深度探究。教師巧妙地引導學生將全班學生的實驗數(shù)據(jù)進行比較、分析，自然而然地得出彈簧的勁度系數(shù)只跟彈簧本身的性質(zhì)有關，而不是把實驗結論強塞給學生，讓學生機械地記憶。這樣的教學既能培養(yǎng)學生科學探究的意識，又能培養(yǎng)學生設計實驗探究方案和獲取實驗數(shù)據(jù)的能力，從而正確實施實驗探究方案，準確表述和反思實驗探究過程與結果。

2.3立足實驗，培養(yǎng)學生的科學思維，促進學科核心素養(yǎng)養(yǎng)成

科學思維是物理核心素養(yǎng)中的重要構成要素，要求學生能正確使用物理思維方法，從定性和定量兩個方面進行科學推理、找出規(guī)律、形成結論。完成物理實驗需要透過現(xiàn)象看到本質(zhì)，讓學生的科學思維能力得到充分的鍛煉。比如在完成探究感應電流的產(chǎn)生條件實驗時，在培養(yǎng)學生各項操作技能的同時，還能培養(yǎng)學生利用信息化手段分析問題的能力。通過實驗學生發(fā)現(xiàn)：磁極插入螺線管時產(chǎn)生感應電流；磁極拔出螺線管時也產(chǎn)生感應電流；當磁極靜止不動時不產(chǎn)生感應電流。

為了幫助學生探索實驗現(xiàn)象背后隱藏的物理規(guī)律和實質(zhì)，我們利用信息化手段將假想的磁感線模擬出來，形象地展現(xiàn)在學生面前，為學生探究感應電流產(chǎn)生條件的規(guī)律提供幫助。為了引導學生自主通過實驗現(xiàn)象分析得出物理規(guī)律，指導學生借助思維導圖進一步分析：磁極插入或拔出的過程中都會產(chǎn)生感應電流，它們的共同點是穿過閉合導體回路的磁通量都發(fā)生了變化。磁極靜止不動時磁通量沒有發(fā)生變化，也就無法產(chǎn)生感應電流。最終得出結論：產(chǎn)生感應電流的條件是穿過閉合導體回路的磁通量要發(fā)生變化。

在實驗過程中，引導學生使用各種手段和方法收集信息，并采用適當?shù)姆椒ǚ治?、處理信息，描述、解釋實驗探究結果和變化趨勢，促進他們核心素養(yǎng)的養(yǎng)成。

2.4立足創(chuàng)新實驗，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力，促進學科核心素養(yǎng)養(yǎng)成

創(chuàng)新能力也是物理核心素養(yǎng)的關鍵構成要素之一，經(jīng)過“二次開發(fā)”，物理實驗不僅能培養(yǎng)學生的實驗技能，更能有效培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。由于“密度的測量”實驗涉及的實驗方案眾多，不同的實驗方案所用的器材不同，不同的實驗方案測量的難易程度不同，不同的實驗方案實驗誤差不一樣。現(xiàn)以測量物體的密度為例，說明如何通過對課本中的實驗進行創(chuàng)新，來提升學生的學科核心素養(yǎng)。

2.4.1 改用天平測固體的密度，減小實驗誤差

如果被測物體不溶于水，可先用天平測出其在空氣中的質(zhì)量M。再用細線將被測物體懸掛在水中(被測物體全部浸入水中)稱量，如圖4所示，測出其在水中的質(zhì)量m。已知水在當時溫度下的密度為ρ水，物體體積為V。

圖4 測量物體的密度實驗示意圖

根據(jù)阿基米德定律有：

Vρ水g=(M-m)g

變形可得：

得出：

2.4.2 改用天平測液體的密度，提高學生解決問題的能力

先用天平稱出一固體(該固體與水和被測液體不能發(fā)生化學反應)在空氣中的質(zhì)量mo，然后用細線將固體懸掛在水中(固體全部浸入水中)，測出其在水中的質(zhì)量M。再用細線將固體懸掛在待測液體中(固體全部浸入液體中)，測出其在待測液體中的質(zhì)量m。已知水在當時的溫度下的密度ρ水，固體體積為V。

根據(jù)阿基米德定律：

(mo-M)g=Vρ水g

(1)

(mo-m)g=Vρ液g

(2)

由(1)、(2)兩式可得：

在用此方法測量液體密度時，只要測出固體在3種環(huán)境下的質(zhì)量mo、m、M，代入上式就可精確算出待測液體的密度。

通過改變實驗的思路，用常見的天平就能方便、準確地測出液體的密度，激發(fā)了學生的發(fā)散性思維，培養(yǎng)了學生解決問題的能力。

2.4.3 改用天平測氣體的密度，克服常規(guī)實驗手段的弊端

先用天平稱出一固體在空氣中的質(zhì)量m和在待測氣體中的質(zhì)量m氣。然后用細線將它懸掛在水中(全部浸入水中)，讀出其在水中的質(zhì)量m水。再用細線將其懸掛到某種已知密度的液體中(固體全部浸入液體中)，讀出其在該液體中的質(zhì)量m液。已知水在當時溫度下的密度ρ水，液體在當時溫度下的密度ρ液，固體體積為V。

根據(jù)阿基米德定律：

(m-m水)g=Vρ水g

(3)

(m-m液)g=Vρ液g

(4)

(m-m氣)g=Vρ氣g

(5)

由(3)、(4)兩式可得：

m液-m水=V(ρ水-ρ液)

再與(5)式聯(lián)立，可得：

采用此法測量氣體密度，不需要直接測量出氣體的質(zhì)量，而只要測出固體在不同環(huán)境下的質(zhì)量就可以算出氣體的密度。

2.5改用彈簧秤直接測不規(guī)則固體的密度，提高實驗的可操作性

設有質(zhì)量為m，體積為V，密度為ρ的一個物體，假設該物體在空氣中的重力為G，物體完全浸沒在水中時彈簧秤的讀數(shù)為G水。根據(jù)阿基米德定律可知：

Vgρ水=G-G水

變形可得：

得出：

如果水的密度以g/cm3為單位，那么，測出物體在空氣中的重力及物體浸沒在水中時對彈簧秤的拉力，就能求出待測液體的密度。

2.6立足實驗，培養(yǎng)學生的科學態(tài)度，促進學科核心素養(yǎng)養(yǎng)成

科學態(tài)度是物理核心素養(yǎng)的關鍵構成。其要求學生能正確認識科學的本質(zhì)；具有學習和研究物理的好奇心與求知欲，實事求是，不迷信權威。物理實驗是最能激發(fā)學生學習興趣，培養(yǎng)學生實事求是的科學態(tài)度的教學活動。比如在完成探究牛頓第三定律實驗時，為了培養(yǎng)學生實事求是的科學態(tài)度，進行本課教學時讓學生通過一系列的實驗探究兩個不同物體之間的作用力與反作用力滿足的規(guī)律。首先，教師啟發(fā)學生通過自主設計的實驗探究兩個大小相等的物體之間作用力與反作用力的關系，通過實驗探究，學生得出結論：發(fā)生在兩個大小相等的物體之間的作用力與反作用力大小相等、方向相反、作用線在同一直線上。為了驗證此規(guī)律是否滿足一般性，接著教師提出發(fā)生在兩個大小不相等的物體之間作用力與反作用力滿足怎樣的關系呢？啟發(fā)學生通過自主設計的實驗探究兩個大小不相等的物體之間作用力與反作用力的關系。通過探究，學生得出相同的結論：發(fā)生在兩個大小不相等的物體之間的作用力與反作用力也是一對大小相等、方向相反且作用線在同一直線上的相互作用力。為了進一步驗證規(guī)律的客觀性，教師再次提出：如果兩個物體是運動的，那么它們之間的作用力與反作用力又滿足怎樣的關系呢？教師再啟發(fā)學生通過自主設計實驗探究處于運動狀態(tài)的兩個物體之間作用力與反作用力的關系。通過探究，學生得出了相同的結論。由此說明，為了驗證一個規(guī)律是否滿足一般性，要從多個不同的方面加以驗證，不能以偏概全。

總之，一個實驗只有實驗目標是確定的，而實驗的原理、實驗方法及步驟都可以是靈活多變的。只有將各種實驗思想靈活地綜合運用和創(chuàng)造性地發(fā)揮，才能達到理想的教學效果。教師要對課本中的實驗進行創(chuàng)新，引導學生從不同的角度來思考物理問題，認識物理規(guī)律，拓寬學生解決問題的思路，培養(yǎng)學生的科學思維能力和解決實際問題的能力，有助于學生學科核心素養(yǎng)的養(yǎng)成。

2017-08-02