以实验探究为主线促进学生物理学科核心素养整合发展

1、 以实验探究为主线促进学生物理学科核心素养整合发展 肖祖祥摘 要：物理学科核心素养由“物理观念”、“科学思维”、“实验探究”、“科学态度与责任”等四个方面的要素构成，实验探究不仅是物理学科核心素养之一，在教学中还可以实验探究为主线，促进学生物理学科核心素养的整合发展。以高中物理“超重与失重”为例进行教学实践，展示以促进学生学科核心素养整合发展为目标的实验探究课的特点。Key：物理学科核心素养；实验探究；整合发展；“超重与失重”1问题提出物理学科核心素养是学生在接受物理过程中逐步形成的适应个人终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力，是学生通过物理学习内化的带有物理学科特性的品质。物理学科核心

2、素养包括“物理观念”、“科学思维”“实验探究”、“科学态度与责任”等四个方面。在教学设计中要促进物理学科核心素养整合发展的这一目标，需要根据对课程目标和实际学情的分析，系统规划教学活动的开展过程和关键节点，科学引导学生核心素養的发展。在科学教育领域，可以通过围绕实验探究中的提出科学问题，形成猜想和假设，设计实验与制定方案，获取和处理信息，基于证据得出结论并做出解释，以及对科学探究过程和结果进行交流、评估、反思的实践过程，来统筹学生学科核心素养的整合发展。2“超重与失重”教学设计案例以人教版高中物理必修“超重与失重”为例，展示以实验探究为主线，促进学生学科核心素养整合发展为目标的教学设计。2.1

3、提出科学问题播放视频1教师播放聂海胜和王亚平在太空舱内进行高难度动作的视频：悬空打坐与大力神功。提出问题1太空中的生活非常奇妙，为什么宇航员在太空中可以轻而易举的完成这些高难度动作？这背后隐藏着怎样的秘密呢？播放视频2教师播放游乐场内跳楼机的视频。提出问题2坐过跳楼机的同学会感受到自己身体和座椅之间压力的变化，为什么会变化呢。在平时的生活当中，哪里还有这样的感受？学生作答电梯在启动和停止时；飞机在起飞和降落时。播放视频3教师播放视频：电梯中有一台秤，台秤上放一重物，电梯从一楼上升到六楼过程中，台秤的示数在不断变化。提出问题3台秤的示数表示台秤所受到的压力的大小，当电梯静止时，压力的大小（称为视

4、重）与重物的重力（称为实重）大小相等，但在电梯上升和下降过程中，示数为什么会在向上加速和向上减速过程中，发生不同的变化？提出科学问题重力怎样测量？视重与实重在所有情况都相等吗？设计意图：教师通过三段视频，第一段王亚平的空中授课能够很好的激发学生探索科学问题的学习兴趣和爱国热情，第二段视频是学生生活中亲身体会的经历，体现了从生活走向物理的理念；第三段视频充分利用了实验现象让学生形成了感性认识。三段视频层层推进，符合学生的认知习惯，学生自然提出重力如何测量，视重与实重之间关系的科学问题。2.2形成猜想和假设学生体验学生桌上都有一个砝码盒，学生将砝码盒放在手上，猛地向上、向下运动时，体验砝码盒对手压

5、力的变化。分享体验手感受到的压力会随着运动的不同而变大或变小。分析现象通常我们会用台秤或弹簧测力计来测量物体的重力，但是我们实际测量时，台秤测得的是重物给其的压力，弹簧测力计测得的是重物给弹簧秤的拉力，这个压力和拉力即为视重。在静止状态时，重力和压力或拉力相等，即视重=实重。实重是指物体实际上所受的重力，是由物体的质量和物体所处的位置决定，即G=mg；视重是指物体对支持物的压力或对悬挂物的拉力。引出概念在刚刚的视频3中，当电梯静止时，视重=实重；当电梯刚刚启动，向上加速时，台秤示数变大，即物体对支持物的压力（或对悬挂物的拉力）大于物体所受重力的情况，称为超重现象；当电梯向上减速时，台秤示数变小

6、，即物体对支持物的压力（或对悬挂物的拉力）小于物体所受重力的情况，称为失重现象。提出问题超重与失重状态，物体的重力会改变吗？学生回答重力不会改变，改变的是视重。教师追问视重在什么情况下大于重力，什么情况下小于重力呢？超重与失重与哪些运动参量有关？表述猜想根据播放的视频和体验实验，引导学生准确表述猜想：超重与失重与速度方向有关；超重与失重与加速度方向有关。设计意图：从视频到亲身体验，给学生提供了充分的感性认识，在感性认识的基础上，抓住问题的实质，视重和实重之间的关系，引导学生完成从感性认识到理性分析的转变。学生在对实际问题展开分析的基础上，引出超重和失重的概念，在猜想过程中，强调要基于证据展开猜

7、想和准确表述的习惯，体现了物理学科核心素养中科学思维应基于经验事实建构概念；基于事实证据展开推理的特点。2.3设计实验与制定方案布置任务教师布置实验探究设计任务，要求学生分组讨论设计实验验证：超重与失重与速度方向有关；超重与失重与加速度方向这两个的猜想是否正确，并请小组汇报讨论后的实验方案。实验器材弹簧秤，钩码。注意事项弹簧秤需调零；弹簧秤拉力不超过弹簧秤的最大量程；称量钩码实际重力时要使钩码保持静止。实验方案1小组进行分享：为了检验超重与失重是与速度方向有关还是与加速度方向有关，我们小组分别进行了四种运动状态的实验：向上加速、向上减速、向下加速、向下减速，在这四个过程中，分别记录弹簧秤的示数

8、（即视重）与实重的关系。实验方案2小组进行分享：我们小组除了研究了上个小组的四种运动状态下的视重与实重的关系，即超重与失重的条件外，还研究了匀速上升和匀速下降过程中，弹簧秤的示数。 分析实验方案全班师生讨论两个方案，实验方案2的设计更加全面。设计意图：在猜想的基础上，教师提供给学生建议的实验器具，引导学生以小组为单位设计实验方案，小组间不同实验方案的分享和分析，可以激活学生的思维，实现思维的互补，让学生们学会从更完整角度设计实验方案，并促进学生实验方案设计能力和小组合作能力的整体提升。2.4获取和处理信息，基于证据得出结论并做出解释获取和处理信息学生设计实验表格，对实验数据进行记录与处理（见表

9、1）。分析论证学生基于实验过程中获得的重要证据，进行分析论证。例如：在速度方向均为竖直向上时，三种运动状态，得出的视重和实重的关系均不一样，超重和失重的结果也不一样。但是，在加速度方向相同的情况下，例如向上加速和向下减速，加速度方向均为竖直向上时，得出的视重和实重的关系一样，超重和失重的结果也一样得出结论学生在分析论证基础上，得出结论：超重与失重的现象与速度方向无关，与加速度方向有关，上升加速或下降减速时，超重；上升减速或下降加速时，失重。教师追问超重时，视重能不能无限大呢？失重时，视重是否有极限呢？分析论证理论上，超重时，视重是没有极限的，但在实际生活中，需要考虑到器材的承受能力，因此视重是

10、有极限的；而失重时，视重的最小值就是零。引出概念当物体对支持物的压力（或对悬挂物的拉力）为零的情况，称为完全失重现象。设计意图：学生在自主設计实验方案的基础上，设计实验记录表格，掌握获取和处理数据的方法，并逐步养成基于证据开展分析论证，从而得出结论的习惯。有效激活了学生的思维，促进了学生对超重、失重、完全失重概念的理解。2.5理论论证教师提问教师指出上述结论是实验结果，若想得到一个完备的结论，离不开理论的推导，在研究力和运动的过程中，应该应用什么物理规律进行分析？引导理论论证教师给出向上加速情况的分析过程，让学生自行分析向下减速，向下加速和向上减速三种情况。得出结论学生在理论论证基础上，得出结

11、论：物体产生超重现象的条件是：加速度方向向上；物体产生失重现象的条件是：加速度方向向下，超重或失重现象与速度方向无关，与加速度方向有关。设计意图：在实验分析的基础上，教师继续引导学生展开理论分析，从科学本质上展示了在科学发展过程中实验和理论论证的同等重要性，也告知了学生在实验和生活中的任何问题，都应可以用已学的知识去解释。2.6对结果进行应用、交流、评估、反思课堂小结教师引导学生对学习过程和结果进行交流，并小结在知识和方法上的收获。评估反思教师布置两个任务检测学生对知识的掌握情况：一纸带挂住钩码，说明纸带能够承受钩码的重力，是否能够应用今天所学知识让纸带断裂；两本夹在一起的书，由于静摩擦力，很难将两本书拉开，是否能够应用今天所学知识很容易将两本书拉开。设计意图：教师通过组织学生自己对学生过程和结果进行交流、评估和反思，课堂小结关注了学生在知识和方法上的收获，并通过两个实际问题对学生的知识掌握情况进行评估和反思，注重学生物理学科核心素养的提升。3教学反思物理学科核心素养是学生在适应个人终身发展和社会发展需要的必要品格和关键能力。实验探究不仅是科学学习的主要方式，在物理教学中也可以通过围绕实验探究，让学生经历学习过程，形成物理观念，培养科学思维，学会合作交往，培养科学态度和责任，关注实际问题，从而促进学生学科核心素养的整合发展。Reference：1彭前程.积极探