基于核心素養(yǎng)的高中物理實驗教學(xué)探究

摘要：21世紀(jì)教育關(guān)注學(xué)生核心素養(yǎng)，在知識獲取的基礎(chǔ)上能力的培養(yǎng)與科學(xué)素養(yǎng)的形成更加重要。在物理課堂教學(xué)中注重對“物理核心素養(yǎng)”的培養(yǎng)是當(dāng)前教學(xué)改革的重點。鑒于物理實驗的特殊教學(xué)功能，物理實驗對物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)有至關(guān)重要的作用。本文以“平拋運動”一節(jié)物理實驗課為例，就物理核心素養(yǎng)組成的四部分闡述在物理實驗教學(xué)中如何培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：平拋運動；實驗教學(xué)；物理核心素養(yǎng)

自21世紀(jì)以來，“核心素養(yǎng)”成為各國各地區(qū)教育改革的一個熱門話題。我國于十八大報告中首次提出將立德樹人作為教育的根本任務(wù)。因此在我國新一輪課程改革中，培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)是至關(guān)重要的。

學(xué)生總是抱怨學(xué)習(xí)物理有什么用處，教師也在不斷思考我們究竟要將學(xué)生培養(yǎng)成什么樣的人。其實在學(xué)生離開物理課堂走向社會最終留下的東西才是我們要培養(yǎng)的所謂的“核心素養(yǎng)”。關(guān)于物理學(xué)科的核心素養(yǎng)，全國有很多學(xué)者進行過研究與定義。在教育部下發(fā)了《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)修訂稿》內(nèi)部征求意見稿中提出：物理核心素養(yǎng)是學(xué)生在接受物理教育過程中逐步形成的適應(yīng)個人終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力，是學(xué)生通過物理學(xué)習(xí)內(nèi)化的帶有物理學(xué)科特性的品質(zhì)，是學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的關(guān)鍵成分。結(jié)合物理學(xué)科的特點與教學(xué)要求，物理核心素養(yǎng)的內(nèi)涵包括物理觀念、科學(xué)思維、實驗探究和科學(xué)態(tài)度及責(zé)任這四方面。下面筆者以人教版高中物理必修二“探究平拋運動運動規(guī)律”為例，就物理核心素養(yǎng)組成的四個部分，詳細(xì)闡述下以培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)為基礎(chǔ)如何進行物理實驗教學(xué)設(shè)計。

一、 實驗教學(xué)過程

本節(jié)課的教學(xué)過程由三個實驗部分構(gòu)成，依次從觀察平拋運動運動軌跡到定性探究平拋運動運動規(guī)律到定量研究運動規(guī)律與驗證。三個實驗的設(shè)計環(huán)環(huán)相扣，體現(xiàn)對學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

1. 物理觀念

物理觀念是指從物理學(xué)視角形成的關(guān)于物質(zhì)、運動與相互作用、能量等的基本認(rèn)識，是物理概念和規(guī)律等在頭腦中的提煉和升華。

在實驗設(shè)計中第一環(huán)節(jié)是學(xué)生自行選擇方案觀察物體做平拋運動的軌跡，雖然學(xué)生在生活中觀察到的曲線運動并不少，但卻是在學(xué)習(xí)了直線運動后首次深入學(xué)習(xí)曲線運動。學(xué)生在設(shè)計實驗方案使物體做平拋運動中有助于對物理觀念中“運動觀念”的培養(yǎng)。平拋運動也是學(xué)生首次將生活中常見運動進行分析研究，是學(xué)習(xí)運動合成與分解十分重要的一節(jié)。實驗教學(xué)過程中水平與豎直方向上“小球運動對比實驗”的進行不僅讓學(xué)生具有“運動觀”并知道可以靈活應(yīng)用“運動觀”分析問題和解決問題，除此之外，學(xué)生在實驗過程中會發(fā)現(xiàn)不僅是人、小球等物體可以用來做平拋運動的研究對象，細(xì)小的水流也可以，有助于培養(yǎng)學(xué)生的“物質(zhì)觀”。

2. 科學(xué)思維

科學(xué)思維是物理核心素養(yǎng)的中心?？茖W(xué)思維主要指高中物理中重要的思維方法，包括建模的思想、理想化方法、分析綜合、抽象概括、批判性思維、推理論證等思維與方法。

本教學(xué)設(shè)計中在學(xué)生初步了解平拋運動運動軌跡之后進一步探究平拋運動的運動規(guī)律，其中教師以前一節(jié)“紅蠟塊運動”實驗引導(dǎo)學(xué)生思考如何將相對復(fù)雜的平拋運動化為簡單的直線運動進行研究。學(xué)生進行思考教師加以引導(dǎo)得出將其化解為水平與豎直方向的直線運動，巧妙應(yīng)用“化曲為直”的思想將復(fù)雜運動化解為學(xué)生熟悉的直線運動。

接下來引導(dǎo)學(xué)生對小球進行受力分析，從理論上推測出平拋運動豎直與水平方向應(yīng)是什么運動。下面教師采用演示實驗的方式進行實驗驗證，用事先準(zhǔn)備好的iPhone手機拍攝下兩小球運動在水平與豎直方向運動對比視頻，數(shù)據(jù)直接連接到大屏幕上用慢動作播放的方式驗證理論猜想是否正確。如圖1和圖2所示。

在此實驗過程中教師始終采取引導(dǎo)的教學(xué)方式讓學(xué)生自行進行猜測，學(xué)生可以自由猜測并說出自己的觀點。實驗過程中將平拋運動分解為水平與豎直方向的運動，這種將復(fù)雜的曲線運動化解為學(xué)生熟悉的便于解決的直線運動培養(yǎng)了學(xué)生“化曲為直”的思維方法。教師在向?qū)W生展示實驗儀器之前讓學(xué)生先自行進行儀器設(shè)計，提出如果自己要驗證猜想會設(shè)計什么樣的實驗儀器，鍛煉學(xué)生的思維能力。本實驗在用iPhone手機拍攝視頻播放對比分析對小球進行定性分析后又應(yīng)用DIS實驗儀器對實驗進行了定量分析驗證，培養(yǎng)學(xué)生從定性和定量兩方面進行科學(xué)推理找出物理規(guī)律的科學(xué)思維。

3. 實驗探究

實驗探究是核心素養(yǎng)培養(yǎng)的關(guān)鍵部分。實驗探究主要指高中物理中通過實驗發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律的方法，包括發(fā)現(xiàn)問題、合理猜測、設(shè)計實驗探究方案和獲取證據(jù)、分析論證、合作與交流、評估和反思等。實驗探究素養(yǎng)的培養(yǎng)又是必須通過實驗探究過程來進行的，也反映了實驗教學(xué)在培養(yǎng)核心素養(yǎng)中不可缺少的地位。

本次實驗教學(xué)設(shè)計由學(xué)生自主探究實驗與師生共同探究兩部分組成。第一環(huán)節(jié)中教師讓學(xué)生利用可以得到的資源自行設(shè)計實驗方案得到平拋運動的軌跡進行分析。學(xué)生在相互討論與參考資料后主要提出了以下幾個實驗方案。

方案一：用實驗室中提供的“平拋運動實驗儀”探究小球做平拋運動的運動軌跡，使小球多次從斜槽上同一位置滾下，則小球每次的運動軌跡相同。觀察幾遍小球的運動軌跡之后，

將帶有吸鐵石的夾子放在運動軌跡上，小球撞擊夾子后便會在墊有復(fù)寫紙的白紙上留有痕跡，改變夾子的位置，多次釋放，便會得到一系列的痕跡點，之后將這些點用平滑的曲線連接起來得到小球平拋運動軌跡。

方案二：用生活中常見的礦泉水瓶裝入部分水，在瓶蓋上扎出一個孔，再在瓶下端側(cè)面扎出一個小圓孔，松開瓶蓋孔發(fā)現(xiàn)水噴出來，并且水流做平拋運動。由此可以觀察水流平拋運動的軌跡。

方案三：參照書中的案例使用數(shù)碼相機，將小球放在桌面上，用尺子擊打它，使它離開桌面做平拋運動，這時另一位同學(xué)用數(shù)碼相機拍攝下小球做平拋運動后幾張連續(xù)的照片，觀察小球運動軌跡。

學(xué)生在進行平拋運動軌跡研究過程中不僅鍛煉了提出問題、進行猜測的能力，更加培養(yǎng)了設(shè)計實驗方案與數(shù)據(jù)處理分析得出結(jié)論的能力。在教師帶領(lǐng)學(xué)生共同探究平拋運動運動規(guī)律中教師啟發(fā)性的提問讓學(xué)生不斷進行思考，一切實驗方案的提出總是在學(xué)生思考與優(yōu)化之后給出的實驗設(shè)計，學(xué)生不是觀察者的角色，而是整個實驗探究的參與者。學(xué)生整堂課做到緊跟教師思路不斷進行思考探究有助于深入理解學(xué)習(xí)平拋運動的知識。

4. 科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

科學(xué)態(tài)度與責(zé)任則是物理核心素養(yǎng)的靈魂所在，在各種能力培養(yǎng)之上，教師更希望學(xué)生在學(xué)習(xí)一堂物理課后形成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度與研究物理的好奇心與求知欲。希望學(xué)生既能正確認(rèn)識科學(xué)的本質(zhì)，還能主動與他人合作，實事求是，不迷信權(quán)威，具有保護環(huán)境、節(jié)約資源、促進可持續(xù)發(fā)展的責(zé)任感等。對于科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的培養(yǎng)絕不是一朝一夕便可以做到的，這就需要教師在每堂教學(xué)設(shè)計中都要注重此素養(yǎng)的培養(yǎng)，在潛移默化中培養(yǎng)學(xué)生的“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”。

本堂課在實驗器材選用上先進DIS實驗儀器與生活物品的融合使用是設(shè)計的一大創(chuàng)新。在使用了生活中常見的iPhone手機拍攝視頻進行定性研究之后，采用了數(shù)字化儀器DIS對實驗進行了定量研究。在使用DIS實驗儀器前讓學(xué)生分析引起實驗誤差的原因，再向?qū)W生介紹能減小實驗誤差，使數(shù)據(jù)處理更方便的實驗儀器。

教師將待研究的物體釋放，物體離開平直軌道之后做平拋運動，通過數(shù)據(jù)傳感器將物體運動的橫縱坐標(biāo)展示在電腦上，將數(shù)據(jù)和圖像展示給學(xué)生。

（如圖3、圖4）

得到數(shù)據(jù)之后，點擊“加速度”一項，程序便可直接計算出物體平拋運動在豎直方向的加速度數(shù)值，并與當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣冗M行比較。利用DIS實驗軟件直接進行數(shù)據(jù)計算，可以較為清楚明了地看出平拋運動水平方向是平拋運動、豎直方向是自由落體運動。

即：x=vt，h=12gt2

在使用DIS實驗儀器進行數(shù)據(jù)采集時所得到的實驗數(shù)據(jù)相對來說精確了許多，同時也省去了繁雜的計算過程，可以為教學(xué)節(jié)省很多時間。DIS實驗軟件還能得出水平和豎直方向上的vt圖，快速、形象、直觀。而這一點是其他實驗器材所無法比擬的。

此環(huán)節(jié)的設(shè)計不僅是用數(shù)據(jù)計算的方式再一次驗證平拋運動的運動規(guī)律，加深學(xué)生的印象，同樣讓學(xué)生知道用生活用品與數(shù)字化儀器都能進行實驗得出結(jié)論，視頻拍攝方式更便于定性研究，實驗現(xiàn)象直觀，符合學(xué)生的認(rèn)知特點，學(xué)生便于得出實驗結(jié)論。DIS實驗儀器則是十分的快速便捷，誤差小。兩種方法可謂是各有側(cè)重，各有千秋。兩種實驗方法同時展示也讓學(xué)生體會到課堂教學(xué)當(dāng)中是秉承著嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。另一方面是在體現(xiàn)物理與生活緊密聯(lián)系的同時擴寬了學(xué)生的視野。啟發(fā)學(xué)生在日常生活中可用常見的物品來解決物理問題，有利于激發(fā)學(xué)生的好奇心與求知欲，培養(yǎng)學(xué)生的“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”。整個教學(xué)過程中生生之間、師生之間的合作也培養(yǎng)學(xué)生與他人合作的精神。

二、 結(jié)語

在新的教育改革中，學(xué)校學(xué)習(xí)的重點還是在于高考所考查的內(nèi)容，但現(xiàn)如今高考題目不單單是考查學(xué)生知識的掌握，更多時候是考查學(xué)生的科學(xué)思維以及是否能靈活應(yīng)用所學(xué)知識。對于能力、科學(xué)思維以及科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的培養(yǎng)絕不是在題海中能學(xué)習(xí)到的。只有給學(xué)生機會讓學(xué)生真正去實踐，從“做中學(xué)”才能培養(yǎng)學(xué)生的探究意識、創(chuàng)新思維和實踐精神。實驗是物理教學(xué)的核心部分，創(chuàng)新物理實驗培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng)是當(dāng)前物理教學(xué)中培養(yǎng)核心素養(yǎng)的關(guān)鍵與有效途徑。如何在設(shè)計物理實驗時培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)是我們要不斷研究與探索的事情。

（指導(dǎo)教師：韓玖榮、王景躍）

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作者簡介：蔣東營，江蘇省揚州市，揚州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院。