改進(jìn)物理實驗教學(xué) 落實課程育人目標(biāo)
——以“力的分解”教學(xué)為例

余耿華

(廣東省教育研究院，廣東 廣州 510375)

1 問題的提出

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》指出：學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)科育人價值的集中體現(xiàn)，物理學(xué)科核心素養(yǎng)主要包含物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四個方面。實驗是物理學(xué)的基礎(chǔ)，也是物理教學(xué)的基礎(chǔ)，筆者以“力的分解”教學(xué)為例，繼承傳統(tǒng)實驗教學(xué)中簡單、方便、直擊物理概念規(guī)律理解的優(yōu)點，通過改進(jìn)、創(chuàng)新實驗教學(xué)的細(xì)節(jié)，以達(dá)到提高學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)之目標(biāo)。

2 落實物理課程育人目標(biāo)的教學(xué)實踐

2.1 改進(jìn)實驗教學(xué)細(xì)節(jié)，在活動中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”主要包括科學(xué)本質(zhì)、科學(xué)態(tài)度、社會責(zé)任等要素，筆者結(jié)合教學(xué)案例展開探討。

2.1.1 以鄭和下西洋的壯舉引入逆風(fēng)行舟課題，滲透愛國主義教育

案例：課堂引入1

傳統(tǒng)教學(xué)：一般以拖拉機(jī)對耙的拉力的分解引入新課，或直接從力的平行四邊形定則出發(fā)引入新課。

優(yōu)點：以生活生產(chǎn)事例引入新課，體現(xiàn)了從生活走向物理的理念。

缺點：缺乏學(xué)生的現(xiàn)場具身體驗，很多學(xué)生沒有見過拖拉機(jī)拉耙，學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和求知欲不能被充分調(diào)動起來。

改進(jìn)措施：以鄭和下西洋的圖片引入，以問題引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)：在大海中航行，難免會遇到逆風(fēng)，當(dāng)時船的動力往往不足，怎么辦？

改進(jìn)意圖：傳統(tǒng)教學(xué)中一般將逆風(fēng)行舟作為力的分解應(yīng)用拓展，我們將這個實驗前置作為課堂引入，展現(xiàn)鄭和下西洋的壯舉，提升學(xué)生的民族自信心和自豪感，激發(fā)其愛國主義情感。

2.1.2 調(diào)整實驗演示順序，激發(fā)學(xué)生好奇心和求知欲

案例：課堂引入2

改進(jìn)措施：引入逆風(fēng)行舟實驗，以問題引導(dǎo)學(xué)生猜想、觀察、解釋。實驗教學(xué)過程如下：(1) 如圖1所示，實驗器材有：光滑導(dǎo)軌、小車(模擬船)、帆(用一次性筷子和PVC板制作)、大功率吹風(fēng)機(jī)。請學(xué)生觀察、思考、討論,提出問題：在圖1中4個不同位置吹風(fēng)，帆船將如何運動？(2) 學(xué)生分組探究，每組確定一個風(fēng)向，然后每組選一個代表，上臺演示并驗證猜想。

圖1

改進(jìn)意圖：傳統(tǒng)教學(xué)往往采用演示實驗的方式，先用電腦展示逆風(fēng)行舟動畫，然后觀察，再解釋，演示只是起驗證的作用，強調(diào)教師的教。筆者的演示策略為：學(xué)生先猜想，再觀察，最后作出解釋，強調(diào)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)。實驗時從不同角度吹風(fēng)，實驗結(jié)果是不同的，更容易激發(fā)學(xué)生的求知欲。

2.1.3 改例題為理論探究，增加定量實驗探究，培養(yǎng)學(xué)生良好的科學(xué)態(tài)度和與人交往的能力

案例：從理論和實驗兩方面探究重力分解

在傳統(tǒng)教學(xué)中，一般通過例題應(yīng)用力的分解知識，質(zhì)量為m的物體放在固定的斜面上，根據(jù)力的作用效果，求解物體所受重力的兩個分力大小和方向，沒有實驗探究環(huán)節(jié)。

優(yōu)點：教學(xué)簡潔，利于學(xué)生自學(xué)，利于培養(yǎng)學(xué)生的計算能力。

缺點：未能很好地培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和交流合作能力、促進(jìn)學(xué)生探究能力的提升。

改進(jìn)措施：將例題改為理論探究，探究斜面上物體所受重力的兩個分力大小和方向，在此基礎(chǔ)上增加如圖2所示的實驗，師生一起利用力傳感器定量探究重力的兩個分力。

圖2

改進(jìn)意圖：(1) 保留例題并改為理論探究重力的兩個分力，繼承教材中重視學(xué)生理論分析和計算能力培養(yǎng)的傳統(tǒng)；(2) 定量研究斜面上物體所受重力的分解，在探究實驗中有些實驗數(shù)據(jù)可能不是很完美，可以多次實驗，分析其中原因，培養(yǎng)學(xué)生實事求是、不畏艱難、勇于挑戰(zhàn)的科學(xué)態(tài)度；(3) 在定量探究實驗中，通過小組討論等環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生基于證據(jù)發(fā)表自己見解、尊重他人、主動與人合作交流的能力。

2.2 改進(jìn)實驗教學(xué)細(xì)節(jié)，在探究活動中提高學(xué)生的科學(xué)探究能力

“科學(xué)探究”主要包括問題、證據(jù)、解釋、交流等要素，筆者仍應(yīng)用2.1.3中的案例予以說明。

傳統(tǒng)教學(xué)過程如下：(1) 用實驗演示放在斜面上的物體所受重力產(chǎn)生的兩個效果，將小車用橡皮筋拉著放到傾斜的、較軟的塑料板上，根據(jù)觀察，得到重力的兩個效果。(2) 解析例題：定量計算放在斜面上的物體所受重力的兩個分力。(3) 利用演示實驗展示斜面上物體所受重力的兩個分力。

優(yōu)點：利于學(xué)生自學(xué)和知識傳授。

缺點：未能充分體現(xiàn)學(xué)生的主體地位，在培養(yǎng)學(xué)生探究能力方面存在不足。

改進(jìn)措施：利用進(jìn)階問題鏈引導(dǎo)學(xué)生研究，教學(xué)流程如下：(1) 用實驗演示裝滿水的桶放在手推車上，教師提出問題：該桶所受的重力產(chǎn)生了什么效果？學(xué)生猜想：可能壓緊斜面和擋板。設(shè)計實驗方案：在手推車的斜面和擋板上分別放置海綿。獲取證據(jù)：兩海綿均被壓扁，得出結(jié)論和解釋：重力在沿斜面方向和垂直斜面方向均產(chǎn)生了效果，重力的分力方向分別沿斜面向下和垂直斜面向下。(2) 理論探究該重力的兩個分力大小，可得Gx=mgsinθ,Gy=mgcosθ。(3) 利用演示實驗定量探究重力的兩個分力。教師提出問題：剛才理論探究得到的重力的兩個分力是否可靠？可否用定量實驗予以證明？如何測量兩個分力大??？學(xué)生回答：可用力傳感器或彈簧測力計等進(jìn)行測量，師生一起進(jìn)行實驗，獲取數(shù)據(jù)，形成結(jié)論。

改進(jìn)意圖：(1) 演示斜面上物體所受重力產(chǎn)生的效果時，改用水桶放到手推車上，觀察沿斜面和垂直斜面方向上海綿的形變，確定重力的作用效果，改進(jìn)后的模型與后面定量研究的模型相同，避免學(xué)生在不同模型間轉(zhuǎn)換時產(chǎn)生混淆。(2) 改進(jìn)后的實驗教學(xué)符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，即先定性再定量、先感性再抽象、先理論探究再實驗探究。(3) 使學(xué)生經(jīng)歷完整的實驗探究過程，提升其科學(xué)探究能力。

2.3 改進(jìn)實驗教學(xué)細(xì)節(jié)，提高學(xué)生的科學(xué)思維能力

“科學(xué)思維”主要包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素，筆者結(jié)合教學(xué)案例進(jìn)行探討。

2.3.1 運用思維導(dǎo)圖顯化思維過程，提升思維品質(zhì)

案例：揭秘“逆風(fēng)行舟”的物理原理

改進(jìn)措施：利用環(huán)環(huán)相扣的問題鏈，引導(dǎo)學(xué)生運用思維導(dǎo)圖顯化思維過程(圖3)。

圖3

改進(jìn)意圖：運用任務(wù)驅(qū)動，教師設(shè)計思維進(jìn)階問題鏈，學(xué)生在問題鏈的引導(dǎo)下揭示逆風(fēng)行舟的物理原理(圖4)，學(xué)生思維的廣闊性、深刻性、邏輯性不斷得到了提升。

圖4

2.3.2 增加體驗式實驗，促進(jìn)學(xué)生遷移能力和創(chuàng)新思維能力的發(fā)展

案例：體驗“逆風(fēng)行舟”模擬實驗

改進(jìn)措施：增加如圖5所示的學(xué)生分組實驗，利用直角三角板、直尺、紙、筆等，模擬逆風(fēng)行舟。

圖5

改進(jìn)意圖：體現(xiàn)杜威的“做中學(xué)”思想，學(xué)生通過具身體驗，先做后思或邊做邊思或先思后做，學(xué)生運用“力的分解”原理，研究自然界中的力學(xué)問題，做中“悟”理，促進(jìn)遷移能力和創(chuàng)新思維能力的發(fā)展。

2.3.3 改課后練習(xí)為體驗式實驗，促進(jìn)學(xué)生建模能力的發(fā)展

案例：體驗塔吊模型實驗

改進(jìn)措施：(1) 先展示塔吊圖片或視頻；(2) 引導(dǎo)學(xué)生建模；(3) 學(xué)生分組進(jìn)行塔吊實驗(圖6)，讓橡皮筋掛在手指的不同位置，感受掌心和手指所受力的不同;(4) 通過理論分析，解釋實驗現(xiàn)象。

圖6

改進(jìn)意圖：(1) 本案例若只是作為課后練習(xí)，學(xué)生缺少從情境到建模的訓(xùn)練，我們改為讓學(xué)生經(jīng)歷從實際情境到建模的全過程；(2) 學(xué)生根據(jù)構(gòu)建的模型，計算兩個分力大小，再根據(jù)計算結(jié)果，分析夾角變化時，理論計算結(jié)果與實際體驗到的分力效果是否相符，經(jīng)歷模型驗證、修正的過程。

2.4 改進(jìn)實驗教學(xué)細(xì)節(jié)，促進(jìn)學(xué)生形成物理觀念

“物理觀念”主要包括物質(zhì)觀、運動與相互作用觀、能量觀等要素，依靠言傳的方式進(jìn)行教學(xué)，很難使學(xué)生形成物理觀念，需要學(xué)生具身體驗，凝練物理觀念。

2.4.1 通過拓展實驗，促進(jìn)物理觀念的形成

案例：“一兩撥千斤”實驗

改進(jìn)措施：(1) 以武俠電影中的“一兩撥千斤”視頻引起學(xué)生質(zhì)疑：是真的嗎？能否用實驗驗證？(2) 創(chuàng)設(shè)真實情境：女孩直接用繩拉汽車，很難拉動它，而將拉汽車的繩的另一端綁在大樹上，在繩中間就可輕易地拉動汽車；(3) 安排體驗性實驗：三人拔河，學(xué)生具身體驗“一兩撥千斤”；(4) 用“力的分解”知識解釋物理現(xiàn)象。

改進(jìn)意圖：(1) 實驗中“千斤”是指汽車，“一兩”是指女孩在中間用小力拉繩，有利于學(xué)生領(lǐng)悟“一兩撥千斤”中的力，促進(jìn)學(xué)生形成相互作用觀念；(2) 案例采用質(zhì)疑方式展開，更易引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突和深度思考。

2.4.2 增加對比實驗游戲，促進(jìn)物理觀念的形成

案例：關(guān)于“磨刀不誤砍柴工”的對比實驗

改進(jìn)措施：(1) 古語道：“磨刀不誤砍柴工”，能否用實驗驗證？(2) 開展“磨刀不誤砍柴功”游戲比賽，利用3D打印出很鈍的和鋒利的小刀，分別用來切蘿卜，看誰切得快、切得多，體驗和觀察兩把小刀切蘿卜的過程，用“力的分解”知識予以解釋。

改進(jìn)意圖：(1) 采用3D打印制作小刀，主要考慮了安全問題；(2) 通過實驗，展示效果對比反差大的物理現(xiàn)象，可促進(jìn)學(xué)生形成物理觀念。

3 結(jié)語

筆者從改進(jìn)創(chuàng)新實驗教學(xué)的細(xì)節(jié)入手，落實物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)目標(biāo)，取得了一定成效。