陳蒼鵬

摘 要：中國學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)包括三個方面六大核心素養(yǎng)，這些核心素養(yǎng)在初中物理教學(xué)中，可以通過實驗探究教學(xué)得以落實或滲透。在實驗探究中，使科學(xué)概念在實驗觀察中形成，在實驗過程中讓學(xué)生養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)品質(zhì)，通過實驗創(chuàng)新讓學(xué)生掌握多元的科學(xué)方法，通過實驗反思提升學(xué)生獨立的思維能力。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng)；實驗探究；物理教學(xué)

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2018）7-0003-5

中國學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)主要是指學(xué)生應(yīng)具備的能夠適應(yīng)終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力，概括為三個方面六大核心素養(yǎng)：三個方面即文化基礎(chǔ)、自主發(fā)展、社會參與，六大核心素養(yǎng)是指人文底蘊、科學(xué)精神、學(xué)會學(xué)習(xí)、健康生活、責(zé)任擔(dān)當(dāng)、實踐創(chuàng)新。

在《科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》中也明確指出“全面提高每一個學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)是科學(xué)課程的核心理念”。物理教學(xué)是以實驗教學(xué)為著力點，全面培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，使學(xué)生的“理性思維、批判質(zhì)疑、勇于探究”等素養(yǎng)得到發(fā)展，也使學(xué)生解決問題的能力在實驗中完善，情感、態(tài)度與價值觀在實驗中得到錘煉，培養(yǎng)學(xué)生主動參與、樂于探究、勤于動手、實踐創(chuàng)新、自主學(xué)習(xí)的能力，扎扎實實地提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

1 重視實驗觀察，在實驗探究中理解科學(xué)概念

概念的形成乃至理解，不是一蹴而就的事情，不是老師說一下或者課件放一下學(xué)生就懂了。為了幫助學(xué)生建構(gòu)與理解科學(xué)概念，在物理教學(xué)中需要選擇許多相關(guān)的材料進(jìn)行實驗，讓實驗教學(xué)有序開展，讓學(xué)生在實驗過程中觀察記錄自己想要的東西，從而悟出概念的本質(zhì)。有學(xué)者說：“我聽過，我忘記了；我看過，我記住了；我實踐過，我理解了?！焙芏鄦栴}，特別是科學(xué)概念教學(xué)，盡管教師講得很精彩，仍不如讓學(xué)生通過自己動手實驗、自己觀察從而獲取概念的基本內(nèi)涵與外延。所以，要充分發(fā)揮實驗的“動手、動腦”特殊功效，創(chuàng)設(shè)條件讓學(xué)生自己動手實驗、動腦思考，讓學(xué)生在實驗探究的過程中逐漸形成概念，排除前概念帶來的負(fù)面影響，理解概念的本質(zhì)與內(nèi)涵。

例如，初中生對摩擦力的方向總是搞不清楚，因為摩擦力的方向是由相對運動方向或者相對運動趨勢決定的，而運動又是相對的，是相對于參照物而言的。在這個過程中，涉及到“運動、參照物”等相關(guān)因素，因此，對于初學(xué)者來說是比較難的。調(diào)查發(fā)現(xiàn)學(xué)生在生活中已有摩擦的初步認(rèn)識，大多認(rèn)為摩擦力總是起到阻礙作用的，是一個阻力。

我們可以取一把牙刷，把牙刷的毛朝下，向下壓牙刷毛并向前拉動（或者使其有向前運動的趨勢），牙刷毛向后傾斜，學(xué)生就初步理解“摩擦力的方向與相對運動的方向或者相對運動趨勢方向相反”。這樣或許學(xué)生還看的懂，但在實際判斷兩個做相對運動的物體各自的摩擦力方向時，學(xué)生錯誤率很高。我們?nèi)钥梢杂醚浪碜鰧嶒灒砂蜒浪?，使它們的刷毛部分充分接觸，分別用力向左右拉開。在這里讓學(xué)生認(rèn)真觀察牙刷的相對運動方向與牙刷毛的變化情況，上面牙刷向左運動，摩擦力方向向右，下面的向右運動，摩擦力方向向左。總之，各個受力物體的摩擦力與各自相對運動的方向都相反。如圖1所示（這里只強(qiáng)調(diào)摩擦力的方向與相對運動方向的關(guān)系，沒有嚴(yán)格畫在受力面上）。做好這個實驗及其分析后，讓學(xué)生把兩把牙刷受到的摩擦力進(jìn)一步抽象出來，形成模型圖，如圖2。

基于此，進(jìn)一步分析人走路時兩腳受到的摩擦力。人走路時兩只腳的前后位置會交替變化，后腳離開地面前會用力向后蹬地，此時地面對后腳會產(chǎn)生一個向前的摩擦力f2，正是這個力f2才使得人可以向前運動；而向前邁開的前腳著地時，前腳主要作用是支持人體大部分的重力，同時地面對前腳會產(chǎn)生一個向后的摩擦力，正是這個力f1，才使前腳不會向前打滑，前腳就停止了向前的運動（如圖3）。在這個實例中，讓學(xué)生親自重新“探究”走路，對照靜摩擦力的概念并體驗受力的感覺，辨清摩擦力的方向及摩擦力的作用，理解人在行走時，幫助人前行的動力乃是摩擦力。同理，體育課中學(xué)生爬桿運動，也是因為有摩擦力人才能向上爬行。若課間能讓學(xué)生體驗一下爬桿運動就更好了。

學(xué)習(xí)是個體由經(jīng)驗而引起的相對持久的心理結(jié)構(gòu)及其外顯行為的變化。學(xué)習(xí)首先使人發(fā)生變化，引起這種變化的是經(jīng)驗，這個經(jīng)驗不是教師給學(xué)生講述“他人的經(jīng)驗”，而是學(xué)習(xí)者的一種“經(jīng)歷”，這種經(jīng)歷是由學(xué)生與外界的相互作用來獲得經(jīng)驗的過程。所以，在組織教學(xué)中，特別要求教師把學(xué)習(xí)內(nèi)容與實際生活以及學(xué)生原有的經(jīng)驗結(jié)合起來，實現(xiàn)直接經(jīng)驗與間接經(jīng)驗的結(jié)合。物理實驗教學(xué)就是通過學(xué)生親自做實驗，給學(xué)生創(chuàng)造了邊實驗、邊思考、邊探索、邊創(chuàng)造的學(xué)習(xí)環(huán)境，激發(fā)了學(xué)生主動學(xué)習(xí)的積極性，培養(yǎng)了學(xué)生的實驗操作能力，提高了課堂效率。

2 注重實驗探究過程，在探究中培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)品質(zhì)

六大核心素養(yǎng)中，科學(xué)精神包括理性思維、批判質(zhì)疑、勇于探究三個方面。其中，理性思維是指：崇尚真知，能理解和掌握基本的科學(xué)原理和方法；尊重事實和證據(jù)，有實證意識和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)那笾獞B(tài)度；邏輯清晰，能運用科學(xué)的思維方式認(rèn)識事物、解決問題、指導(dǎo)行為等。實驗探究過程由提出問題、建立假設(shè)、設(shè)計方案、獲取事實與證據(jù)、得出結(jié)論等過程組成，顯然符合核心素養(yǎng)的要求，所以實驗探究是一個值得大力提倡的教學(xué)方法。當(dāng)然，我們也不能拘泥于探究的幾個過程，而是要在探究過程中，無論是提出問題還是建立假設(shè)以及其他的步驟，都需要學(xué)生嚴(yán)肅對待、認(rèn)真務(wù)實、尊重客觀事實、用事實來說話。

學(xué)習(xí)平面鏡成像的特點后，在進(jìn)一步探究平面鏡成像的光學(xué)原理時，往往困難重重。對于光路圖，學(xué)生有一種畏懼感，原因是此時學(xué)生還沒有學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)中的幾何對稱圖形。還有一個原因是，這些光線前后有一定的邏輯關(guān)系，比如，反射光線來自于入射光線，虛像來自于“反射光線的反向延長線的交點”，物距等于像距是由于平面鏡成像具有對稱性，等等。完成一個平面鏡成像的原理圖，確確實實是比較難的。我們可以與實驗結(jié)合起來，讓學(xué)生自己主動設(shè)計實驗、進(jìn)行實驗、及時記錄光的現(xiàn)象。首先，引導(dǎo)學(xué)生畫出由點光源射向平面鏡的2條入射光線及其反射光線、法線（如圖4），然后用2支激光筆把光對準(zhǔn)入射光線，進(jìn)行觀察（如圖5）。此時，可以設(shè)計幾個問題，促進(jìn)學(xué)生思考與理解，給學(xué)生搭建一個思考的“支架”。例如，反射光線與原來設(shè)計的光路圖是否重合？反射光線與入射光線與法線有什么關(guān)系？點光源A與像A'是否具有對稱性？反射光線的反向延長線是否交于一點？物距與像距是否相等？如何理解虛像？等等問題。學(xué)生循著這些思路，結(jié)合實際的光路圖，就容易理解平面鏡成像的光學(xué)原理了。學(xué)生畫圖，并在實驗結(jié)束后利用同屏技術(shù)在銀幕上進(jìn)行展示，及時根據(jù)學(xué)生的一些問題進(jìn)行修正與正強(qiáng)化，讓學(xué)生提出畫圖的問題并加以改正，促進(jìn)課堂生成，加強(qiáng)師生、生生交流。最后能形成一個平面鏡成像的光路圖模型（圖6）。

布魯納認(rèn)為，學(xué)習(xí)一般的理論知識固然重要，但是形成發(fā)現(xiàn)事物規(guī)律的態(tài)度與方法更為重要。要養(yǎng)成在探究新情境時的嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度，能作出猜想與假設(shè)，推測各個因素之間的內(nèi)在關(guān)系，要充分發(fā)揮學(xué)生的自身能力去發(fā)現(xiàn)問題與解決問題。在求知過程中去組織屬于他自己的知識結(jié)構(gòu)，這是一種主動求知的活動歷程，而不是被動地接受知識。

3 激發(fā)實驗創(chuàng)新，在創(chuàng)新中形成多元的科學(xué)方法

關(guān)于創(chuàng)新教育，成人與學(xué)生還是有很大的區(qū)別。一般認(rèn)為，成年人的創(chuàng)新是要求創(chuàng)造從來沒有過的新事物，而學(xué)生的創(chuàng)新只要學(xué)生提出自己從沒有見過、聽過或接觸過的“新事物”，當(dāng)然不是去模仿與抄襲他人現(xiàn)成的成果。學(xué)生在創(chuàng)新的過程中，必然會動用各種方法來解決遇到的問題，這樣通過不斷地實驗創(chuàng)新過程，逐漸建立自己的方法體系。

比如，在物理教學(xué)中，經(jīng)常要處理與解決一些問題，但這些問題往往是復(fù)雜的、隱性的、微小的，這就需要教師引導(dǎo)學(xué)生更好地把它們轉(zhuǎn)換為簡單的、顯性的、放大的現(xiàn)象，以便于觀察、比較、分析，更好地理解事物的本質(zhì)。例如，盧瑟福為了證實湯姆孫原子模型的正確性，做了一個著名的α粒子散射實驗。在當(dāng)時的科技水平下原子內(nèi)部是不能被直接觀察到的，盧瑟福為了了解原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)，尋找到一種能射到原子內(nèi)部的試探粒子，即α粒子。他使α粒子準(zhǔn)直地轟擊薄金箔，發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)的α粒子能直穿金箔，少數(shù)a粒子發(fā)生小角度偏轉(zhuǎn)，有極少數(shù)α粒子發(fā)生很大角度的偏轉(zhuǎn)。這些現(xiàn)象無法用湯姆孫的“棗糕模型”來說明。本想為湯姆孫證明原子模型的準(zhǔn)確性，結(jié)果卻成了否定湯姆孫原子模型的實驗，基于此，盧瑟福提出了原子核式結(jié)構(gòu)模型。這個著名的實驗為物理研究提供了很大的啟示。

在初中物理教學(xué)中，這些科學(xué)思想無處不在。比如，在磁鐵周圍存在磁場，可磁場是看不見摸不著的，這時可以在磁鐵周圍撒一些鐵屑來顯示其分布規(guī)律。我們可以在一個玻璃板上均勻地撒一些鐵屑，把磁鐵輕輕地放在其中，并輕輕地敲打玻璃板，鐵屑就很乖巧地排列在磁鐵周圍（圖7）。此時，引導(dǎo)學(xué)生把這些鐵屑分布的形狀畫下來，就可以知道磁鐵周圍磁場分布的基本規(guī)律了。比如，兩極磁場強(qiáng)，鐵屑分布就較密，中間磁場弱，鐵屑分布就疏，而且這些線條不會相交。但是，這些鐵屑還不能顯示磁場的方向，學(xué)生很快就會想到用已知的指南針來檢測其方向，于是取較多個小磁針放在磁鐵周圍（圖8），發(fā)現(xiàn)不同點的磁場方向是不一樣的，然后就可以在剛剛畫好的基礎(chǔ)上標(biāo)上箭頭以示方向。在這個“磁場”內(nèi)容的教學(xué)中，兩次用到轉(zhuǎn)換的思想，把不易看到的、隱性的物質(zhì)或現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為直觀的現(xiàn)象，可以很好地幫助學(xué)生理解磁場的規(guī)律。

上述介紹的轉(zhuǎn)換法實際上是一種“轉(zhuǎn)換觀察對象”的方法，即把A轉(zhuǎn)換成B，通過B來反映A的本質(zhì)。還有以下方法可以參考：一是通過“變量轉(zhuǎn)換法”來實現(xiàn)，比如我們要測量固體壓強(qiáng)，我們可以把壓強(qiáng)轉(zhuǎn)化為“壓力與受力面積”來測量；測量物體在液體中受到的浮力，可以轉(zhuǎn)化為“排開液體的重力”；測量物質(zhì)的密度，可以轉(zhuǎn)化為測量“物體的質(zhì)量與體積”，等等，這就是通過變量轉(zhuǎn)換的思想來實現(xiàn)。二是“能量轉(zhuǎn)化法”，即把一種形式的能量轉(zhuǎn)化為另一種形式的能量來實現(xiàn)轉(zhuǎn)化，比如電子秤就是通過壓敏電阻將壓力轉(zhuǎn)換為敏感的電流，再通過電表予以顯示出來，這里就是把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能；又如，熱敏溫度計就是利用熱敏電阻將熱能轉(zhuǎn)化為電能來實現(xiàn)測量，等等。三是通過形變的方法來進(jìn)行轉(zhuǎn)化，比如毛發(fā)濕度計就是利用毛發(fā)對濕度較為敏感，當(dāng)濕度變化時，毛發(fā)長度發(fā)生變化，從而可以判斷天氣濕度的變化情況。

皮亞杰學(xué)派指出，認(rèn)知結(jié)構(gòu)的核心是數(shù)理邏輯結(jié)構(gòu)，學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)主要是通過動作而不是通過文字與符號的學(xué)習(xí)形成。六大核心素養(yǎng)中關(guān)于“勇于探究”是指具有好奇心和想象力；能不畏困難，有堅持不懈的探索精神；能大膽嘗試，積極尋求有效的問題解決方法等。我們可以通過各種各樣的實驗創(chuàng)新，讓學(xué)生在實驗創(chuàng)新的教學(xué)環(huán)境中受益，得到各種各樣的體驗與思考，有利于其核心素養(yǎng)的發(fā)展與提高。

4 立足實驗反思，在反思中培養(yǎng)獨立思考的能力

在六大核心素養(yǎng)中，“批判質(zhì)疑”作為科學(xué)精神的素養(yǎng)之一，要求學(xué)生具有問題意識；能獨立思考、獨立判斷；思維縝密，能多角度地、辯證地分析問題，作出選擇和決定等。在實驗教學(xué)中也應(yīng)如此，要不斷地進(jìn)行反思，培養(yǎng)學(xué)生的獨立思考能力，通過仔細(xì)觀察、提出問題、實驗設(shè)計、獲取科學(xué)事實等過程，培養(yǎng)學(xué)生的思維能力，長此以往，學(xué)生會逐漸形成縝密思維、辯證地分析問題與解決問題的習(xí)慣。

例如，學(xué)生在做“摩擦力大小與什么因素有關(guān)”的實驗時，按照教材上提供的方法，采取了圖9所示的方法進(jìn)行實驗，在長木板C上依次用木板本身、棉布、毛巾以及重物（鐵塊）等材料進(jìn)行實驗，獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù)后再進(jìn)行分析得到影響摩擦力大小的因素。

實驗后，教師可以讓學(xué)生反思，這個實驗采用了什么原理？用到了哪些科學(xué)方法？實際上，教材設(shè)計這個實驗有其合理之處，因為要測量木塊受到的摩擦力大小，也用到了“變量轉(zhuǎn)換法”，即利用二力平衡的原理，把測量摩擦力大小轉(zhuǎn)化為測量拉力的大小。這樣設(shè)計學(xué)生比較好接受，符合“最近發(fā)展區(qū)”教育原理。在此實驗的基礎(chǔ)上，我們可以繼續(xù)追問，這個實驗中導(dǎo)致測量的摩擦力誤差過大的原因什么？引導(dǎo)學(xué)生繼續(xù)思考，回到測量的基本要求上來。學(xué)生交流后可以得出兩個原因：一是用彈簧測力計拉動小木塊很難做到勻速拉動，從而造成彈簧測力計的示數(shù)不穩(wěn)定，只能是近似地看成二力平衡狀態(tài)；二是在拉動小木塊的過程中，彈簧測力計隨著小木塊一起運動，眼睛會隨之移動，在動態(tài)中讀數(shù)造成的誤差較大。在此基礎(chǔ)上，教師進(jìn)一步提出如何改進(jìn)這個實驗，才能解決以上兩個問題？學(xué)生觀察了整個實驗裝置后，思考“能不能讓木塊與彈簧秤靜止”“能不能讓彈簧測力計豎直起來”。組織學(xué)生進(jìn)行小組合作與交流，在大家的智慧碰撞下設(shè)計了如圖10到圖13的一系列實驗方案，并進(jìn)行實驗。我們不難發(fā)現(xiàn)，以下設(shè)計從圖10到圖13有一定的思維飛躍，可以看到學(xué)生創(chuàng)新思維的一方面。圖10中彈簧秤由于自身重力導(dǎo)致其不可能處于水平狀態(tài)，造成“非二力平衡”，還是會造成一定的誤差；圖11中采取拉長木板C，彈簧秤處于豎直狀態(tài)，讀數(shù)很穩(wěn)定，當(dāng)然是一個好的方案；圖12在圖11的基礎(chǔ)上采取微型馬達(dá)來拉長木板C，使雙手解放出來，但是比較麻煩的是馬達(dá)不好找，還是圖11方便省事；圖13的方案，測出小燒杯和水（或沙）的質(zhì)量，可以用水（或沙）來調(diào)節(jié)拉力的大小，這不失為一種思維突破。

人是在不斷地糾正自己的錯誤與改善自己行為的過程中成長起來的。每一個實驗都蘊含著很多的科學(xué)原理與科學(xué)方法以及其他教育因素，如果只是看熱鬧走過場式的實驗，那就會使實驗效果大打折扣，收效甚微。為此，教師除了引導(dǎo)學(xué)生做好充分的預(yù)案，認(rèn)真地實驗與觀察外，還要有一個積極的反思過程。思考自己在實驗過程中所記錄的現(xiàn)象與數(shù)據(jù)是否客觀？這些數(shù)據(jù)是否符合自己的設(shè)想？能否有更好的方法來改進(jìn)這個實驗？與教材上的原理是否吻合？與其他小組所得的數(shù)據(jù)是否接近？等等。通過反思與交流，使學(xué)生的思維能力得到真正的提高，同時也幫助學(xué)生形成批判的思維。

對于核心素養(yǎng)的形成，情況會比較復(fù)雜，不可能一蹴而就。初中生的認(rèn)知圖式還處在由具體運算階段向形式運算階段的發(fā)展過程中，所以在初中物理教學(xué)中，要注意讓學(xué)生動手、動腦、動口，結(jié)合學(xué)生熟悉的生活情境展開實驗探究教學(xué)。我們?yōu)閷W(xué)生提供具體的感性的實驗活動時，必然會用到多種理性思維的方法，所以教師所采用的實驗探究教學(xué)不僅要簡明扼要，還要循序漸進(jìn)，在一個實驗中先突出某一主要方法，不要一哄而上，免得學(xué)生無所適從。

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（欄目編輯 趙保鋼）