核心素养导向下的高中物理实验教学策略探究

摘要：本文将新版课程标准的贯彻实施作为研究背景，以学科核心素养为导向，围绕高中物理教学以实验教学为例从培养切入点、培养方法两个维度展开分析，旨在发挥出物理实验教学对于学生核心素养培养所存在的积极作用。关键词：新课改；核心素养；高中物理；实验教学核心素养导向下的物理学科教学并非侧重于学生牢固地掌握一系列的解题方式与公式，而是侧重于学生能够利用物理定理与观念去解决现实生活中所存在的问题，学生通过物理学科知识的学习能够形成一定的物理观念，涵盖能量观念、运动观念等，应能够科学地去思考某一物理现象，并积极地探究物理过程，理解科学的本质，养成责任意识。由此可见，核心素养导向下的物理教学是以生为本的教学。新课改下如何基于核心素养导向科学开展物理实验教学已经成为现阶段一线任课教师教学实践中亟待解决的关键问题，而这一问题也将是本文所要研究解决的核心问题。一、物理实验教学中核心素养培养切入点如若将物理学科核心素养比作一辆汽车，那么物理观念素养则是这辆汽车的“发动机”，如果无法形成正确的物理观念，那么学生在物理学习这条道路上将会举步维艰。课程标准中明确指出物理观念素养涵盖物质观念、运动观念、相互作用观念以及能量观念，绝大多数学生在进入高中学段之前，一直是直观地认识世界，并在认识世界的过程中形成物理观念，例如：将小石子与纸片在同一高度做同时下落，绝大多数的学生均会结合生活经验认为小石子质量大，所以下落的速度更快；再如：用手推动课桌的现象，当力消失时课桌的运动也将会停止，学生会普遍地认为力是维持物体运动状态的关键性原因。实质上，诸如此类的物理现象在学生日常生活中极为常见，当这些物理现象发生时，学生往往不会注意到其他因素对物理现象的影响，因而形成错误的观念。所以高中学段的物理学科教学需要对学生物理观念的养成予以高度重视[1]。结合以往的高中物理教学实践可知绝大多数的物理学科知识均是通过实验分析而得出结论，虽然物理实验占用课堂教学时间的比例较多，但本研究认为，教师与其为了节省时间要求学生机械性地记忆实验过程、背诵实验结论，不如将实验情境再现，给予学生动手操作的机会强化学生的知识获得体验。学生在物理实验的过程中通过了解实验器材的结构与用途，分析实验过程、获得实验原理能够弥补学生所欠缺的概念或规律，如此查漏补缺促进学生知识体系的重新建构，从而助力学生形成正确的物理观念。例如：在必修一第二章“自由落体运动”的实验教学中，教师可以通过引导学生关注物体下落过程中的影响因素，使学生明确除重力因素影响外，空气阻力、物体的形状均会影响物体的下落速度。那么回顾以往的物理观念，从空气阻力的角度去考量小石子与纸片下落速度，因纸片受空气阻力的影响更大，所以纸片下落的速度慢于小石子。如果忽略空气阻力对两个物体的影响，为了探究两个物体的下落是何种情况，教师可以将实验过程设计如下三个演示实验：①将小石子与纸片（水平摆放）在同一高度下同时松开任其下落；②将纸片随意团成纸团，而后将小石子与纸团在同一高度下同时松开任其下落；③将小石子与纸片在同一高度下同时松开任其下落。并引导学生自主开展上述三个演示实验，观察并记录实验现象，结合实验现象对三个演示小实验做合理的实验猜想：演示实验①，通过实验演示学生可观测到小石子先落地的实验现象，那么绝大多数学生均会产生“物体下落速度的快或慢可能与物体自身的质量存在关系”这一实验猜想；演示实验②，通过实验演示学生可观测到小石子与纸团同时落地的实验现象，那么基于这一实验现象，绝大多数学生则会产生认知矛盾，在否定以往的质量影响下落速度的认知上又产生“物体下落速度的快或慢可能与物体的形状存在关系”这一猜想；演示实验③，通过实验演示学生可观测到小石子与竖直下放的纸片同时落地的实验现象，那么基于这一实验现象，班级学生将会再一次地产生认知矛盾，在否定以往的质量、形状影响下落速度的认知上又产生“物体下落速度的快或慢可能与空气阻力存在关系”这一猜想。在上述實验现象观测与实验猜想环节中，三个演示实验虽然致使学生产生两次认知矛盾，但学生均直观地观测到了实验现象，所以认知矛盾的产生与形成新的实验猜想是学生构建完整知识体系，形成正确物理观念的切入点。在掌握正确物理观念之后学生能够于之后的“牛顿第一定律”实验分析中更为肯定空气阻力对于物体运动所存在的影响。（二）科学思维素养培养切入点结合以往的高中物理教学实践可知在师讲生听的模式下学生的科学思维素养较为薄弱，绝大多数学生并不能够独立选择科学的方法去分析物理问题，同时关于某些物理现象的推理也需要依靠教材提示与教师指导。究其原因不仅在于师讲生听的授课模式，还在于教师忽视了学生科学思维的训练。那么在物理实验教学中教师应重视在有所启发且留有余地的情况下突破教材的局限性对学生进行教学指导，以此使学生能够更为主动地去思考问题。例如：在“小车运动规律与因素”的实验教学环节中，依照教材内容教师大多会准备四组实验器材，并在实验教学开始阶段利用多媒体设备告知学生打点计时器的工作原理，课堂教学氛围较为沉闷，那么如果此时教师向学生提出“频率为50Hz的打点计时器其时间间隔是多少”的教学问题，绝大多数学生均能够快速答复教师“0.02s”，然而在“频率变小时打点计时器的周期如何变”这一问题中，绝大多数学生则无法快速回答，且回答错误者较多[2]。说明传统的授课模式并不能够使学生真正地理解打点计时器的周期与频率之间的关系。对此，本研究建议教师在实验教学伊始直接向班级学生呈现打点计时器，并鼓励班级学生结合本次实验的目的自主安装实验器材，从而使学生在操作的过程中掌握打点计时器的用途与方法。而在此之后学生也可以较为轻易地回忆起本次实验课程中所应用的方法，如：“测量自由落体加速度”实验中回忆起“纸带法计算加速度”。由此可见，实验教学除能够培养学生的科学思维素养外，还能够强化物理学科各章节知识间的关联性，有利于学生构建完整的知识体系，优化学生的思维逻辑性。（三）科学探究素养培养切入点教师在物理实验教学中可以于每一个实验环节中，关注学生探究问题、收集证据、解释证据以及交流结论。例如：在“探究小车速度随时间变化规律”的实验教学中，本次实验的核心问题在于观察、猜想小车速度随时间变化的规律，那么这一问题也将是学生所要探究的核心问题。在解决问题的环节中教师需引导学生逐一介绍实验器材、实验原理，引导学生阅读教材呈现的实验步骤等，而后鼓励各小组学生开展实验。那么在此环节中打点计时器在纸带上打下一系列小点的过程即是探究证据产生的过程，学生筛选较为理想的一条纸带并舍掉初始阶段比较密集的点的过程即是探究证据收集的过程。在数据处理环节，学生需计算各点的速度并填入数据处理表。而后学生可以将实验数据处理表中的数据作为基础解释小车速度随时间变化的规律，并与同桌间、小组间交流自己的观点。在本次实验教学中若教师想要提升学生科学探究素养的培养效果，还可以将实验巡视过程中发现的问题作为探究问题，与班级学生交互[3]。如：“实验过程中为什么有些纸带上的一部分存在没有点迹的现象，而出现点迹后时间距已经较大？”由此探究问题引起学生对小车释放与打点计时器打开顺序的关注（先释放小车、后打开打点计数器）。再如：关于v-t图像与x-t图像存在争议性的问题“在两个图像中图像有的是曲线，代表的是物体做何种运动？”由此探究问题加深学生对“无论图像是直线还是曲线均代表物体做直线运动”的认知。由上述实验教学过程可知，学生参与物理实验的过程即学生探究知识的过程，而教师结合学生的实验操作过程所提出的探究问题，进一步提升了整个实验的探究性，从而保证了学生科学探究素养培养的有效性。二、物理实验教学中核心素养培养方法（一）演示实验教学法1.情境导入促进科学探究由上文的理论分析可知科学探究素养所对应的探究过程，第一环节为发现问题，那么高中物理实验教学实践中教师可以将演示实验作为一个教学情境，于课堂教学初始阶段邀请班内学生按照教师的指导做演示实验，而后结合演示实验现象发现探究问题，以此在调动班内学生学习兴趣的基础上为学生科学探究素养的形成奠定良好的基础[4]。例如：在执教《超重和失重》一课中教师可以预先准备四个体重测量器，并将班内学生平均划分为四个大组，随机在四个大组内选取四名学生，要求四名学生上前做演示实验，各组其他学生分别上前围观演示实验。实验进程中，教师要求四名学生站在体重测量器上，并做下蹲动作。要求其他围观学生观察四名学生在做下蹲动作的过程中体重测量器的计数变化。为保证四组演示实验得出统一结论（显示的计数先变小再变大，而后再变小），教师可允许四名学生尝试做2—3次演示实验。待演示实验结束后教师要求班级学生回到自己的座位，并提出“四名学生下蹲过程中他们的体重发生了变化？”“体重没有变化，为何体重测量器上所显示的计数发生了变化？”的探究问题，从而为学生后续理解“视重”“超重”“失重”做好探究兴趣准备。2.课件呈现建立物理观念对于一些不易于师生参与的物理实验，教师在课堂教学中可以借助多媒体设备，以微视频课件的形式为学生演示某一实验原理，并通过1—3个演示实验的连续呈现帮助学生快速建立某一物理观念。例如：在执教《曲线运动》一课中教师可以通过连续呈现以下三个演示实验帮助学生建立曲线运动的速度方向为沿着圆周的切线方向。实验①：多媒体呈现砂轮打磨金属块的过程。学生可直观地观测到脱落“火星”的运动轨迹，“火星”脱落前的瞬间速度方向为沿着圆周的切线方向。实验②：多媒体呈现雨天雨伞转动的过程。学生可直观地观测到雨伞上的水滴从雨伞四周脱落的运动轨迹，“水滴”脱落前的瞬间速度方向为沿着圆周的切线方向；实验③：多媒体呈现带有墨水的陀螺转动过程。学生可直观地观测到脱落“墨水”的运动轨迹，“墨水”脱落前的瞬间速度方向为沿着圆周的切线方向。上述三个演示实验的连续呈现，保证了演示实验内涵的统一性与实验结论的科学性，相较于单一的多媒体演示实验而言，三个演示实验可强化实验内涵的可信度，从而帮助学生快速建立曲线运动速度方向的物理观念。（二）学生实验教学法在高中物理实验教学中学生实验教学法也是一种较为常用的教学方法，教师可以通过强化学生的实验参与培养学生的科学思维素养。科学思维素养的内涵还指向了模型建构，在物理实验教学中实验方案是某一物理实验得以顺利开展的框架，所以教师可以通过归还学生的主体地位，将实验方案设计权利交还给学生，由此促使学生在构建模型的过程中形成科学思维素养。例如：在执教《机械能守恒定律》一课中，教师可以鼓励学生自主设计实验方案培养学生的科学思维素养。首先，教师板书实验原理。其次，教师提出“怎样设计实验才能够验证机械能守恒定律？”的教学问题，以此教学问题引导班级学生结合实验原理验证机械能守恒定律。最后教师给予班级学生思考設计实验方案的时间并在师生交互后总结三种实验方案，见下述内容：实验方案①：可以任取物体下落过程中的两个时刻，比较两个时刻初态与末态机械能。若学生应用该方案开展实验仅需测出物体下落过程中两个时刻的初态、末态动能与初态、末态高度之间的差即可验证机械能守恒定律。实验方案②：可以将物体刚下落的瞬间设定为初态，而后任取物体下落过程中的某一个时刻作为末态。若学生应用该方案开展实验仅需比较初态与末态之间的势能差即可，同时，如果学生在实验过程中所应用的实验器具为打点计时器，那么物体下落的初速度为0。实验方案③：可以计算物体的加速度，如果物体的加速度为9.8m/s2则可验证机械能守恒定律。若学生应用该方案在计算物体加速度的过程中学生可以绘制图像，而后基于线性拟合的方法验证机械能守恒定律。实质上除上述三种实验方案外，学生也可以使方案①、方案②的物体沿斜面下落，而后基于方案①、方案②的操作思路开展实验，同样可