優(yōu)化設(shè)計型實驗教學(xué)提升學(xué)科核心素養(yǎng)

黃火根

摘? ?要：進(jìn)階優(yōu)化設(shè)計型實驗教學(xué)，能讓學(xué)生經(jīng)歷實驗設(shè)計過程，體會設(shè)計思想與方法，形成創(chuàng)新意識，提高學(xué)科思維能力，進(jìn)而提升學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：設(shè)計型實驗;進(jìn)階設(shè)計;學(xué)科核心素養(yǎng)

引言

設(shè)計型實驗[ 1 ]即指給定實驗?zāi)康?、要求和條件，由學(xué)生自行進(jìn)行的實驗設(shè)計。如果能優(yōu)化此類課堂的教學(xué)過程，進(jìn)行有意識的進(jìn)階設(shè)計[ 2 ]，充分挖掘其中的教育功能，則能很好地培養(yǎng)學(xué)生的實驗思維能力，形成創(chuàng)新意識，進(jìn)而提升學(xué)科的核心素養(yǎng)。

下面就以優(yōu)化四種類型的設(shè)計型實驗教學(xué)為例，淺談教學(xué)的進(jìn)階優(yōu)化設(shè)計，旨在改進(jìn)傳統(tǒng)教學(xué)的一些不足，以促進(jìn)課堂的有效生成，提升實驗?zāi)芰Α?/p>

1? 經(jīng)典設(shè)計型

卡文迪許扭秤實驗，是物理學(xué)十大最美實驗之一，其中蘊含豐富的物理學(xué)思想與方法，對實驗素養(yǎng)的形成是一次很好的契機(jī)。但傳統(tǒng)的教學(xué)則是直接給出此實驗裝置，教師點出其中的方法，學(xué)生則被動接受，不能達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果。教學(xué)實踐中，筆者進(jìn)行以下的進(jìn)階優(yōu)化設(shè)計，起到了很好的效果。

問題1：引力常量G為什么很難測量？如何解決這一問題，提出你的設(shè)計？設(shè)計意圖：讓學(xué)生明確實驗?zāi)康呐c設(shè)計方向，體會并思考測量的困難在哪里，為后面體驗經(jīng)典的設(shè)計埋下伏筆。

問題2：同學(xué)們共同討論與欣賞卡文迪許扭秤實驗裝置，并提出你們的疑問。設(shè)計意圖：提出問題并為后面解決問題做好準(zhǔn)備。

同學(xué)一：為什么要四球而不是兩球？同學(xué)二：為什么要用長長的T型架？同學(xué)三：石英纖維的作用是什么？平面鏡的作用又是什么？同學(xué)四：為什么要在密室里……

小組討論：共同討論并解決大家提出的問題，提煉出實驗設(shè)計的方法與思想。設(shè)計意圖：充分發(fā)揮學(xué)生主體地位，讓學(xué)生的實驗思想與方法實現(xiàn)正向的遷移與應(yīng)用。

小組展示，教師總結(jié)：本實驗用了二次放大法、轉(zhuǎn)化法等實驗方法。

如此設(shè)計能最大限度地讓學(xué)生經(jīng)歷設(shè)計過程，體會到方法思想的形成過程，享受經(jīng)典實驗之美，同時培養(yǎng)實驗思維，提升實驗素養(yǎng)。

2? 改進(jìn)設(shè)計型

滑動摩擦力的測量，初中的教學(xué)是用水平彈簧稱勻速拉水平桌面上的木塊，根據(jù)二力平衡的知識，得出摩擦力大小即為彈簧稱示數(shù)。高中本環(huán)節(jié)的教學(xué)則應(yīng)注重初高中的銜接，通過教學(xué)的進(jìn)階設(shè)計，引導(dǎo)學(xué)生逐步完善書本的實驗設(shè)計。

教師：回顧并展示初中實驗裝置與方法，同學(xué)們討論實驗誤差來源及提出改進(jìn)設(shè)計。設(shè)計意圖：注重學(xué)生知識的最近發(fā)展區(qū)，調(diào)動學(xué)生的主動性，進(jìn)行有效思維。

學(xué)生一：很難控制勻速運動。學(xué)生二：不方便讀數(shù)。學(xué)生三：彈簧稱下垂，導(dǎo)致示數(shù)指針與外殼有較大的摩擦，增大了實驗誤差……

教師：針對以上誤差來源，同學(xué)們進(jìn)行討論并提出改進(jìn)措施及設(shè)計方案。設(shè)計意圖：發(fā)揮小組集體的智慧，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維。

小組改進(jìn)一：木塊不動而讓下板移動。設(shè)計理由是下板只要運動，兩者間就會產(chǎn)生不變的滑動摩擦力同時也方便讀數(shù)。

小組改進(jìn)二：讓彈簧豎直固定，下端通過定滑輪與木塊相連接。設(shè)計目的是解決了小組一的彈簧稱下垂導(dǎo)致的摩擦。

小組改進(jìn)三：用轉(zhuǎn)動的皮帶代替下板，理由是下板長度有限，讀數(shù)時間很短。

小組改進(jìn)四：用力的傳感器代替彈簧測力計。理由是用力傳感器測量更精確……

這樣的課堂優(yōu)化充分調(diào)動了學(xué)生的思維，并在思維的碰撞中產(chǎn)生耀眼的創(chuàng)新火花，整個課堂給學(xué)生以全新的感受與體驗。

3? 探究設(shè)計型

教材中楞次定律的得出，大部分教師則是先說明實驗?zāi)康?，再給出準(zhǔn)備好的器材，介紹器材，展示已設(shè)計好的表格，根據(jù)書本實驗步驟進(jìn)行實驗。如此探究則失去了教學(xué)應(yīng)有的效益，學(xué)生思維被動，其中蘊含的設(shè)計思想更沒有凸顯。

環(huán)節(jié)一：教師演示條形磁鐵先以N極向下插入螺線管，再以S極向下插入螺線管.目的讓學(xué)生感受到感應(yīng)電流方向會產(chǎn)變化。

環(huán)節(jié)二：引導(dǎo)學(xué)生猜想影響感應(yīng)電流方向的有關(guān)因素。經(jīng)討論歸納為與磁通量變化有關(guān)。

環(huán)節(jié)三：共同明確探究的目的即探究磁通量變化與感應(yīng)電流方向的關(guān)系。

環(huán)節(jié)四：小組進(jìn)行實驗設(shè)計，包括原理的設(shè)計、實驗器材的選擇與設(shè)計、表格的設(shè)計。

環(huán)節(jié)五：討論交流設(shè)計的方案。討論焦點（1）：感應(yīng)電流方向的研究應(yīng)轉(zhuǎn)換為其產(chǎn)生磁場方向的研究，這樣探究方向轉(zhuǎn)換為探究感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場方向與磁通量變化的關(guān)系。討論焦點（2）：感應(yīng)電流方向與電流表指針偏轉(zhuǎn)方向的關(guān)系應(yīng)通過實驗進(jìn)行判斷，所以要明確螺線管的繞向。

環(huán)節(jié)六：小組自主實驗。最后從實驗得出的表格數(shù)據(jù)中共同討論得出感應(yīng)電流方向的規(guī)律。

這種進(jìn)階設(shè)計讓學(xué)生經(jīng)歷了猜想、設(shè)計實驗、驗證猜想、得出結(jié)論的完整探究過程，注入了自己的思考與創(chuàng)新，教學(xué)效果顯著。

4? 開放設(shè)計型

測重力加速度[ 3 ]的實驗設(shè)計，高三的復(fù)習(xí)課中很多此類開放型實驗設(shè)計，如能重視此類設(shè)計的教學(xué)，將對學(xué)生形成知識的系統(tǒng)性及提升實驗綜合能力有很大的促進(jìn)作用。

教師：請同學(xué)根據(jù)已學(xué)知識，討論并設(shè)計測量教室處重力加速度大小的方案。闡述原理及簡單步驟。

設(shè)計一：紙帶法。原理：Δs=aT2。步驟：讓連著紙帶的重錘自由下落，測出相鄰兩計數(shù)點間的距離差，代入公式即可。

設(shè)計二：測重力法。原理：G=mg。步驟：用彈簧稱測出已知質(zhì)量的鉤碼的重力。代入公式便可。

設(shè)計三：單擺測量法。原理：T=2π。步驟：用螺旋測微器測出擺球的直徑，半徑加上繩長即為擺長。用累積法求出單擺30次全振動時間Δt，根據(jù)T=，代入即求出g。

設(shè)計四：平拋法。原理：s=v0t，h=。步驟：用光電門測出水平拋出的速度，再測出小球下落高度與水平位移，代入公式g=即可。

設(shè)計五：滴水法。原理：h=gt2?g=。步驟：調(diào)節(jié)水龍頭閥門的大小，使得水滴與管口分離時，正好為前一滴掉落在瓷盤底部發(fā)出響聲的時刻，測量出連續(xù)N=30滴水落到盤里的總時間t總，算出T=及測出下落高度h，代入即可。

學(xué)生在整個設(shè)計過程中，綜合應(yīng)用了所學(xué)的知識，發(fā)散思維，形成設(shè)計，養(yǎng)成了獨立思考和正確判斷的良好學(xué)習(xí)習(xí)慣，提升了學(xué)科素養(yǎng)。

設(shè)計型實驗重點在于設(shè)計，在于突出實驗的思想和精髓，而不是具體的實驗操作與步驟。教師應(yīng)提供一個自由、民主、和諧的課堂，通過優(yōu)化教學(xué)設(shè)計，讓學(xué)生各項實驗?zāi)芰﹂L時間得以訓(xùn)練，形成學(xué)科的思維方法，達(dá)到預(yù)期的教學(xué)目標(biāo)，進(jìn)而提高學(xué)科的核心素養(yǎng)[ 3 ]。

參考文獻(xiàn)：

[1]蔣志年.物理設(shè)計型實驗的開發(fā)與實踐[J].西昌學(xué)院學(xué)報，2014（6）：2.

[2]柯曉露.基于“學(xué)習(xí)進(jìn)階”的物理概念教學(xué)[J].中學(xué)理科園地，2018.（6）：6-7.

[3]劉杰.重力加速度測定方法的分析與比較[D]貴陽：貴州民族學(xué)院，2010.