周智良 王建 張小龍

摘? ?要：文章以一節(jié)全國性的教學比賽獲獎?wù)n例為例，詳細介紹了授課教師設(shè)計的五個創(chuàng)新實驗，結(jié)合《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》，論述了物理教學中如何借力創(chuàng)新物理實驗，培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：創(chuàng)新實驗;核心素養(yǎng);渦流

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2021）7-0001-5

2020年，教育部正式頒布了《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》（后文簡稱為《標準》）?！稑藴省分刑岢隽恕拔锢韺W科核心素養(yǎng)”這一名詞。物理學科核心素養(yǎng)主要包括“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態(tài)度與責任”四個方面。學科核心素養(yǎng)是學科育人價值的集中體現(xiàn)，是學生通過學科學習而逐步形成的正確價值觀、必備品格和關(guān)鍵能力[1]。

觀察實驗及實驗方法是物理學發(fā)展的基礎(chǔ)，實驗既是建立物理概念、探索物理規(guī)律、認識物理世界、解決具體問題的最基本的手段，又是驗證物理假說、檢驗物理理論真理性的唯一標準。學生通過觀察和實驗，感受科學家探索、發(fā)現(xiàn)的歷程，培養(yǎng)其觀察能力、思辨能力和科學探究能力，是物理所獨有的學科特征[2]。

在物理實驗中，或原理，或器材，或方法，能讓之前的實驗操作變得更簡單，實驗現(xiàn)象變得更明顯，實驗結(jié)果變得更準確，更能激發(fā)學生的探索興趣，都可以稱之為“創(chuàng)新實驗”。在一次全國性的教學比賽中，來自重慶市育才中學的張老師展示了一節(jié)題為《渦流 電磁阻尼和電磁驅(qū)動》的精彩課例，他借助大量的創(chuàng)新實驗，讓學生獲得了別具一格的學習體驗，學科核心素養(yǎng)也得以較好地培養(yǎng)和提升。

1? ? 課例的教材與學情分析

1.1? ? 教材分析

本節(jié)選自人教版高中二年級《物理選修3-2》第四章第7節(jié)，也是本章的最后一節(jié)。學生已經(jīng)學習掌握了感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件、楞次定律、法拉第電磁感應(yīng)定律等知識。通過對本節(jié)的學習，學生進一步加深對前面知識的理解，教材中包括渦流、電磁阻尼、電磁驅(qū)動三部分，從內(nèi)容上看，側(cè)重點是電磁感應(yīng)現(xiàn)象的實際應(yīng)用。

1.2? ? 學情分析

高中二年級的學生已經(jīng)完整地學習了電磁感應(yīng)中的法拉第電磁感應(yīng)定律、楞次定律和焦耳定律的相關(guān)知識，具備了觀察能力與對新奇實驗現(xiàn)象的好奇心，具有通過協(xié)作完成簡單實驗、獨立思考、交流協(xié)作的能力，他們在教師的引導(dǎo)下，可以對渦流、電磁阻尼、電磁驅(qū)動實驗現(xiàn)象進行理論分析。當然，讓學生運用所學知識分析解決實際問題，是一個具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，有一定的難度。

2? ? 課例創(chuàng)新實驗的介紹

2.1? ? 實驗一：神奇的魚

如圖1所示，張老師用普通的玻璃自制了一個特殊的“魚缸”，用透明的豎直隔板將玻璃缸對稱地分為兩個區(qū)，一個區(qū)域底部水平放置一鐵片，另一區(qū)域底部沒有鐵片，還帶著一個拆了螺絲的家用電磁爐。實驗時，先向“魚缸”中注入一定量的水，幾尾金魚置于無鐵片的區(qū)域，再將“魚缸”放在電磁爐之上后整體置于講臺上，學生從無鐵片區(qū)域的側(cè)面觀察“魚缸”。通電加熱一段時間至冷水沸騰，學生觀察到神奇的現(xiàn)象：金魚竟然在沸水中逍遙地游來游去。

2.2? ? 實驗二：時空隧道

張老師在表演這個魔術(shù)時，在講臺上放了幾個外形相同的小物體，左手拿著一根一米長的鋁管，豎直放置（圖2）。老師先讓學生用自由落體運動的知識估算物體從靜止開始下落通過鋁管的時間，接著進行實驗，小物體很快就從另一端落出，學生估計了時間，不超過0.5 s。老師又“隨手”抓起另一物體從同一位置靜止釋放，學生驚訝地發(fā)現(xiàn)，這個物體過了大約10 s才從管中落出，像穿越了時空隧道一樣。

2.3? ? 實驗三：隔空移物

張老師特制了一個實驗桌，其外形和普通課桌一模一樣，里面隱藏著兩塊能繞豎直軸旋轉(zhuǎn)的超強磁鐵，磁鐵上方用2 mm厚的有機玻璃貼上木紋紙做成普通桌面的樣子。實驗時悄悄地用遙控器閉合電路，電機帶動兩磁鐵旋轉(zhuǎn)起來，右手假裝在桌面上空施展魔力，學生觀察到桌面上的幾枚鋁制硬幣像是被魔法帶動了一樣，跟著老師的手旋轉(zhuǎn)起來。

2.4? ? 實驗四：金屬探測儀

張老師帶來了育才中學學生的一個小發(fā)明，學生根據(jù)網(wǎng)上的電路圖，用一些電子小元件自制了一個金屬探測儀。張老師在演示時，先調(diào)節(jié)了探測儀的靈敏度，再用金屬探頭去接觸課桌、眼鏡、筆等物品。學生發(fā)現(xiàn)當探測器接觸金屬時都發(fā)出了嘯叫，而且電路中的發(fā)光二極管也跟著亮了起來。

2.5? ? 實驗五：電磁炮

如圖3所示，張老師帶來了他自己的科技小制作——電磁炮。一個藍色的暗箱套住一木制的底座，鐵管做成炮管，小鋁環(huán)是炮彈。張老師實驗時先把小鋁環(huán)套在鐵管上，再接通電源，學生觀察到在通電的一瞬間，鋁環(huán)就被彈射出去了。接著，張老師用一捆細鐵絲捆成一個鐵棒插入鐵管，再次將小鋁環(huán)套在鐵管上，接通電源，學生觀察到鋁環(huán)彈出去的距離更遠了。

3? ? 創(chuàng)新實驗達成核心素養(yǎng)培養(yǎng)目標

在課例中，張老師整合了重慶市育才中學教研團隊的集體智慧，通過多次的研討、制作、整改，設(shè)計制作的五個創(chuàng)新實驗在這節(jié)課的不同階段各自扮演了舉足輕重的角色，得到了充分的展示，五個創(chuàng)新實驗給學生、評委和在場觀眾留下了非常深刻的印象。這五個創(chuàng)新實驗對學生能力的培養(yǎng)和素養(yǎng)的提升，都是畫龍點睛的精彩之筆。

認真觀看課例錄像，結(jié)合《標準》進行反思，得到了五個創(chuàng)新實驗和核心素養(yǎng)培養(yǎng)目標的對應(yīng)關(guān)系，如表1所示。

4? ? 創(chuàng)新物理實驗培養(yǎng)學生核心素養(yǎng)

結(jié)合對本課例的所看、所聽、所想，認為借力創(chuàng)新物理實驗培養(yǎng)學生核心素養(yǎng)是新時代創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的有效途徑。下面將從幾個視角分析這些精彩的創(chuàng)新實驗是如何培養(yǎng)學生的物理學科核心素養(yǎng)的。

4.1? ? 借力創(chuàng)新物理實驗形成物理觀念

蘇霍姆林斯基在《給教師的建議》一書中指出：“如果老師不想辦法使學生產(chǎn)生情緒高昂和智力振奮的內(nèi)心狀態(tài)，就急于傳授知識，那么這種知識只能使人產(chǎn)生冷漠的態(tài)度，而給不動情感的腦力勞動帶來疲倦。”當前物理課堂教學的困境之一在于缺乏真實教學情境，阻礙學生形成“ 物理觀念”[3]。教材對本節(jié)內(nèi)容的陳述中所提及的器材或儀器有：真空冶煉爐、金屬探測器、磁電式儀表、交流感應(yīng)電動機等，其中的某些器材或儀器很多學生和老師都未見過，大多數(shù)老師在課堂上被迫以圖片或視頻的形式進行教學，真實情境的缺失，除了會令學生難以理解知識、建立觀念，久而久之，還會讓學生失去學習物理的熱情。

張老師稱前三個創(chuàng)新實驗為“魔術(shù)”，懸念重重，極大地激發(fā)了學生的學習興趣和熱情，達到了上課伊始趣味頓生的良好效果，學生在這節(jié)課中最大限度地發(fā)揮了主觀能動性去探索新問題，掌握新知識，形成新觀念。實驗一的鐵片中產(chǎn)生了渦流，渦流的熱效應(yīng)使水沸騰;另一區(qū)域沒有渦流，水依然是冷的，所以金魚能安然無恙。實驗二中的磁性小物體之所以下落緩慢，是因為它處于鋁管產(chǎn)生的渦流磁場中，受到了阻礙其下落的安培力，此即是渦流的應(yīng)用，也是電磁阻尼現(xiàn)象。實驗三旋轉(zhuǎn)磁體上方的硬幣中產(chǎn)生渦流，電流處于磁場中會受到安培力的作用，因此硬幣會跟著磁體旋轉(zhuǎn)起來，此乃電磁驅(qū)動現(xiàn)象。學生在張老師很有技巧性的引導(dǎo)下，認真觀察，充分討論，認識和理解了這些來自生活中的渦流、電磁阻尼、電磁驅(qū)動等現(xiàn)象，潛移默化地形成了物質(zhì)觀、運動與相互作用觀和能量觀，對自然和生活中的現(xiàn)象也有了更為充分的理解和認識。

4.2? ? 借力創(chuàng)新物理實驗培養(yǎng)科學思維

《標準》中指出：“科學思維”主要包括模型建構(gòu)、科學推理、科學論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素。隨著技術(shù)的發(fā)展，一些老師借助計算機模擬來代替實驗，優(yōu)點是方便快捷，有助于分析，結(jié)果得來較快，缺點是學生在實驗過程中僅停留在視覺上的認識，由于沒有親自動手參與，缺乏對規(guī)律的深層認識與理解，科學思維并沒有得到有效培養(yǎng)。

張老師設(shè)計的“時空隧道”和“隔空移物”兩個創(chuàng)新實驗，既讓學生產(chǎn)生了視覺沖擊，又培養(yǎng)了學生的科學思維。兩套不同的器材，兩種不同的操作，看似彼此沖突的現(xiàn)象，實則本質(zhì)統(tǒng)一。實驗結(jié)束后，立即帶著學生從物理學的視角去探究、去分析，尋找不同現(xiàn)象的本質(zhì)屬性。最終師生一起推理、論證出在這些現(xiàn)象中都產(chǎn)生了感應(yīng)電流，都是電磁感應(yīng)現(xiàn)象的具體應(yīng)用。需要進一步肯定的是，張老師在課例的后階段，花了近三分鐘辯證地介紹了渦流的一大應(yīng)用——感應(yīng)熔煉爐。播放完視頻后，張老師先介紹了感應(yīng)熔煉爐的優(yōu)點——能在真空中進行，能冶煉出高品質(zhì)的合金，但我們是不是就因此而大規(guī)模地推廣這一技術(shù)了呢？張老師話鋒一轉(zhuǎn)，“不，它的能耗非常大，功率相當于一千盞日光燈……所以，科學技術(shù)的發(fā)展，給我們帶來便利的同時，也帶來了能源消耗、環(huán)境污染等問題。凡事都有兩面，我們要辯證地看待?！狈浅＞实脑O(shè)計，質(zhì)疑和思辨，對立與統(tǒng)一，這正是學生所需要培養(yǎng)的科學思維。張老師設(shè)計的創(chuàng)新實驗對于學生科學思維的培養(yǎng)，其效果是較為顯著的。

4.3? ? 借力創(chuàng)新物理實驗讓學生學會科學探究

《標準》中還指出：高中物理課程引導(dǎo)學生經(jīng)歷科學探究過程，體會科學研究方法，養(yǎng)成科學思維習慣，增強創(chuàng)新意識和實踐能力。然而，當前固化的實驗教學阻礙學生“科學探究”的發(fā)展，實驗中教師設(shè)計好實驗原理、目的、步驟、器材、數(shù)據(jù)與表格等，學生只需按部就班地進行程序化的實驗流程。

張老師設(shè)計的五個創(chuàng)新實驗，其中三個是演示實驗，兩個是分組實驗。分組實驗時，張老師將四套兩類器材分配給四組學生，先簡短介紹了實驗器材，說明了操作注意事項，之后就把器材交給學生，學生較為開放地完成對“神奇的魚”和“時空隧道”的實驗探究。探究過程中，學生是主體，教師只是協(xié)助者、參與者。實驗一中，學生拆開電磁爐，發(fā)現(xiàn)里面有纏在一起的線圈，水之所以沸騰，是因為線圈中變化的電流產(chǎn)生了變化的磁場，鐵片相當于若干鐵環(huán)，變化的磁場使鐵環(huán)中產(chǎn)生了感應(yīng)電流。實驗二中，兩個小物體，一個有磁性能吸引鐵質(zhì)物體，而另一個沒有，磁鐵下落，鋁管就處于變化的磁場中，鋁管相當于若干鋁環(huán)，鋁環(huán)中產(chǎn)生了感應(yīng)電流，感應(yīng)電流再產(chǎn)生磁場，磁鐵放入其中，就受到了阻礙其下落的安培力。這些現(xiàn)象和結(jié)論，都不是教師強加給學生的，是學生經(jīng)歷了科學探究的整個過程，學到了知識，獲得了技能，發(fā)展了實驗?zāi)芰Γ黾恿藢W生之間的交流協(xié)作，合作學習有實效，提高了科學探究素養(yǎng)。

4.4? ? 借力創(chuàng)新物理實驗強化科學態(tài)度與責任

《標準》中強調(diào)：高中物理課程要引領(lǐng)學生認識科學的本質(zhì)以及科學·技術(shù)·社會·環(huán)境（STSE）的關(guān)系，形成科學態(tài)度、科學世界觀和價值觀，為做有責任感的社會公民奠定基礎(chǔ)，“科學態(tài)度與責任”是學生在認識科學本質(zhì)的過程中，逐漸形成的一種科學態(tài)度和社會責任感。

張老師在這方面也有亮點。一是在演示了學生自制的金屬探測儀后，他鼓勵在場的學生“你也可以的，原理很清楚，器材很簡單，人家能做你也能做啊?！睆埨蠋熀啙嵱钟辛Φ脑捳Z，激發(fā)了學生的探索熱情和學科擔當，使學生成為發(fā)現(xiàn)者、探索者、研究者。二是介紹感應(yīng)熔煉爐時，既介紹了感應(yīng)熔煉爐的優(yōu)點，又強調(diào)了其帶來的能源消耗、環(huán)境污染等問題，所以“我們要有可持續(xù)發(fā)展的意識，要堅持科學發(fā)展，做到綠色環(huán)?！?。這就激發(fā)了學生理解科學、技術(shù)、社會、環(huán)境的關(guān)系，增強了學生的社會責任意識。

5? ? 結(jié)束語

本節(jié)課的亮點還有很多很多，比如張老師語言精練，幽默風趣，引導(dǎo)和鼓勵學生，基本功強;兩組學生的展示交流非常精彩;本節(jié)課師生配合默契，幾個學生在課堂結(jié)束前的收獲總結(jié)也非常精辟……

物理基于觀察與實驗，構(gòu)建物理模型，應(yīng)用數(shù)學工具，通過科學推理和論證，形成系統(tǒng)的研究方法和理論體系，而創(chuàng)新物理實驗是物理學科永葆青春的源泉。物理教學借力于創(chuàng)新物理實驗，既能保持學生的求知欲，又能培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng)，促進學生創(chuàng)新意識的提高。因此，物理教師應(yīng)加強教研能力，不斷學習，積極創(chuàng)新，收集整理，協(xié)作交流，用一個又一個“靚麗”的創(chuàng)新實驗為學生的物理學習開啟美好的“實驗之旅”。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）[M].北京：人民教育出版社，2020：4-5.

[2]詹先斌.基于核心素養(yǎng)培養(yǎng)的物理創(chuàng)新實驗設(shè)計[J].中學物理教學參考，2020，49（10）：67-68.

[3]陸奮立，彭曉春.創(chuàng)新物理實驗課堂培養(yǎng)學生核心素養(yǎng)——以電學為例[J].中學物理教學參考，2021，50（12）：1-3.

（欄目編輯? ? 廖伯琴）