基于核心素養(yǎng)下高中物理實(shí)驗(yàn)的有效教學(xué)模式

摘 要：核心素養(yǎng)是學(xué)科育人的集中體現(xiàn)，文章基于物理學(xué)科素養(yǎng)中科學(xué)思維和科學(xué)探究能力的要求，將高中物理實(shí)驗(yàn)依據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康姆譃閷W(xué)習(xí)儀器使用型、測(cè)量物理量型、探究規(guī)律型三類，總結(jié)出其教學(xué)流程。此流程有助于學(xué)生掌握物理實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)方法，培養(yǎng)進(jìn)一步學(xué)習(xí)的能力。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng);實(shí)驗(yàn)教學(xué);教學(xué)模式

一、 引言

2017年普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)提出物理核心素養(yǎng)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(gè)方面。物理學(xué)是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的一門學(xué)科，實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。高中物理實(shí)驗(yàn)大多按照操作者進(jìn)行分類，分為三類：教師演示實(shí)驗(yàn)、學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)、課外實(shí)驗(yàn)。新課標(biāo)將原來(lái)教材中許多教師演示實(shí)驗(yàn)改為學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)。隨著國(guó)家對(duì)教育的投入，很多學(xué)校的學(xué)生有條件完成原來(lái)只供教師演示的實(shí)驗(yàn)。

當(dāng)今社會(huì)對(duì)人才的核心能力是創(chuàng)新能力，創(chuàng)新能力需要在實(shí)踐中培養(yǎng)。新的高考評(píng)價(jià)體系明確指出高考的核心功能是立德樹(shù)人、服務(wù)選才、引導(dǎo)教學(xué)。比如2020年全國(guó)卷Ⅱ物理高考試題，第一道目的是測(cè)量加速度，第二道的實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖茄芯啃襞莸姆蔡匦郧€，都屬于測(cè)量物理量類實(shí)驗(yàn)。不管實(shí)驗(yàn)題如何創(chuàng)新，實(shí)驗(yàn)的原理和操作方法都能在課本中找到原型。下面對(duì)2020全國(guó)卷Ⅱ的實(shí)驗(yàn)題對(duì)應(yīng)的課本實(shí)驗(yàn)、考查能力分析如表1。

由表1可知，為了幫助學(xué)生做好高中物理實(shí)驗(yàn)題，提高學(xué)生科學(xué)探究能力，需要將高中物理實(shí)驗(yàn)按照實(shí)驗(yàn)?zāi)康倪M(jìn)行分類。

二、 高中物理實(shí)驗(yàn)類型的分類

依據(jù)人教版高中物理教材將實(shí)驗(yàn)按照目的分成三類：學(xué)習(xí)儀器使用型、測(cè)量物理量型、探究規(guī)律型。下面對(duì)人教版高中物理教材中出現(xiàn)的主要實(shí)驗(yàn)分類見(jiàn)表2。

三、 三種類型實(shí)驗(yàn)的教學(xué)流程

（一）學(xué)習(xí)儀器使用型實(shí)驗(yàn)

儀器使用型實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖亲寣W(xué)生認(rèn)識(shí)儀器的構(gòu)造，了解其原理，同時(shí)學(xué)生實(shí)踐，掌握儀器的正確操作方法。該類型的實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程分為以下三步。（圖1）

第一步：接觸儀器、認(rèn)識(shí)構(gòu)造、明白原理。學(xué)生在觀察儀器和閱讀儀器使用說(shuō)明的基礎(chǔ)上，理解儀器的構(gòu)造。比如在游標(biāo)卡尺的使用教學(xué)中，部分學(xué)生搞不清游標(biāo)卡尺是否需要估讀，部分學(xué)生不知道所選游標(biāo)卡尺的分度值。經(jīng)過(guò)與學(xué)生交談，發(fā)現(xiàn)這些學(xué)生大多是由于在學(xué)習(xí)過(guò)程中沒(méi)有接觸游標(biāo)卡尺，不了解其結(jié)構(gòu)。比如在10分度游標(biāo)尺的教學(xué)中，首先讓學(xué)生測(cè)量標(biāo)尺的0到10的長(zhǎng)度，得出是9mm比其主尺的10mm差1mm，每格就差0.1mm。在此基礎(chǔ)上總結(jié)出10分度的讀數(shù)原則。采用此方法教學(xué)后，學(xué)生理解難點(diǎn)，很容易讀出讀數(shù)l。這里l0為標(biāo)尺0刻度前主尺的刻度數(shù)（mm），n為標(biāo)尺與主尺的對(duì)齊格子數(shù)，d為游標(biāo)卡的精度。

l=l0+n×d（1）

第二步：學(xué)習(xí)使用方法。在明白原理的基礎(chǔ)上，讓學(xué)生測(cè)量，教師記錄下學(xué)生不規(guī)范的操作步驟，然后集中討論，總結(jié)出正確的使用步驟，培養(yǎng)學(xué)生交流、反思的能力。

第三步：練習(xí)使用儀器。在此過(guò)程中，讓學(xué)生測(cè)量實(shí)物。一方面激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)物理的熱情，另一方面培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力。比如在游標(biāo)卡尺的使用中，讓學(xué)生測(cè)量一根頭發(fā)的直徑和一個(gè)杯子的深度等問(wèn)題。

（二）測(cè)量物理量型實(shí)驗(yàn)

這類實(shí)驗(yàn)所要測(cè)量的物理量一般無(wú)法用儀器直接測(cè)量，需要通過(guò)測(cè)量與它相關(guān)的其他物理量，結(jié)合物理規(guī)律計(jì)算得出。這類實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的主要是培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)處理的能力。為了達(dá)成教學(xué)目標(biāo)，該類實(shí)驗(yàn)的教學(xué)流程有以下三步。（圖2）

第一步：明確原理。由于所要測(cè)量的物理量無(wú)法直接測(cè)量，因此第一步需要確定采用什么樣的方法來(lái)測(cè)量。比如用單擺來(lái)測(cè)量重力加速度實(shí)驗(yàn)中，需要測(cè)量的物理量是重力加速度，但是高中階段無(wú)法用實(shí)驗(yàn)儀器直接測(cè)量。但是可以根據(jù)學(xué)過(guò)的單擺的周期公式的變形式公式（2），可以通過(guò)測(cè)量出單擺的擺長(zhǎng)l和用秒表測(cè)量出50個(gè)周期的時(shí)間t。根據(jù)公式（3）計(jì)算出周期T，再利用公式（4）計(jì)算重力加速度。

T=2πl(wèi)g（2）

T=tn（3）

g=4π2lT2（4）

第二步：設(shè)計(jì)方案、分組實(shí)驗(yàn)。目的是培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和制定方案的能力。在確定實(shí)驗(yàn)原理的基礎(chǔ)上，接著設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，學(xué)生分小組完成實(shí)驗(yàn)。比如用單擺測(cè)量加速度實(shí)驗(yàn)中，我們?cè)诖_定了需要測(cè)量的物理量是擺長(zhǎng)l和多個(gè)周期所用的時(shí)間t后。學(xué)生設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)方案：

A. 用細(xì)線的一端穿過(guò)小球后打一個(gè)結(jié)，細(xì)線和小球構(gòu)成了一個(gè)單擺。

B. 將單擺綁在鐵架臺(tái)上后，使單擺保持豎直向下。

C. 測(cè)量單擺的擺長(zhǎng)l：用游標(biāo)卡尺分別選三個(gè)不同方向測(cè)出小球的直徑后計(jì)算平均值d，再用直尺測(cè)出從固定點(diǎn)至小球上端的細(xì)線的長(zhǎng)度，則擺長(zhǎng)。

l=l1+d2（5）

D. 在平衡位置處放置量角器，把單擺從平衡位置拉開(kāi)5°左右，讓單擺在豎直平面內(nèi)擺動(dòng)，從擺球經(jīng)過(guò)平衡位置開(kāi)始計(jì)為零，用秒表記下單擺50次同一速度經(jīng)過(guò)平衡位置的時(shí)間，根據(jù)公式求出周期的平均值。

E. 將測(cè)出的時(shí)間t和擺長(zhǎng)l代入公式（3）和（4）中求出重力加速度g的值。

第三步：處理數(shù)據(jù)、分析誤差。得出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后，采用公式（3）和公式（4）計(jì)算得出g的值，也可以根據(jù)l-T2的圖像計(jì)算斜率的g值。教師引導(dǎo)學(xué)生分析誤差產(chǎn)生的原因、提出減小誤差的實(shí)驗(yàn)方案或操作規(guī)范。

（三）探究規(guī)律型實(shí)驗(yàn)

該類實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的是讓學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究的過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。該類實(shí)驗(yàn)是高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的核心內(nèi)容，其教學(xué)流程有下面四個(gè)步驟。（圖3）

第一步：創(chuàng)設(shè)情境、引出問(wèn)題。捷克著名教育家夸美紐斯曾說(shuō)“一切知識(shí)都是從感官開(kāi)始的”，學(xué)生的認(rèn)知過(guò)程是從感性到理性的過(guò)程。物理原理往往比較抽象，但原理涉及的物理現(xiàn)象有些學(xué)生早已認(rèn)識(shí)，有些比較稀奇。教師通過(guò)將精心創(chuàng)設(shè)的情境展示給學(xué)生，引起他們的好奇心，喚醒他們?cè)械恼J(rèn)知基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上提出問(wèn)題有助于激發(fā)學(xué)生的探究熱情。

第二步：提出假設(shè)、設(shè)計(jì)方案。物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)過(guò)程中，物理學(xué)家創(chuàng)造性的假說(shuō)發(fā)揮了十分重要的作用。針對(duì)教師提出的問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合自己的生活經(jīng)驗(yàn)給出假說(shuō)。教師進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案來(lái)驗(yàn)證自己的假說(shuō)是否正確。比如探究導(dǎo)體電阻與其影響因素之間的定量關(guān)系實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生猜想導(dǎo)體的電阻可能與橫截面積、長(zhǎng)度、導(dǎo)體的材料和外界的溫度有關(guān)。教師引導(dǎo)學(xué)生采用控制變量法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案來(lái)驗(yàn)證自己的假說(shuō)。

第三步：設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、記錄結(jié)果。巧妙地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)是發(fā)現(xiàn)規(guī)律的關(guān)鍵。比如在電磁感應(yīng)規(guī)律的發(fā)現(xiàn)過(guò)程中，物理學(xué)家?jiàn)W斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)之后，包括奧斯特在內(nèi)的很多物理學(xué)家都在思考磁能不能生電的問(wèn)題，但他們都沒(méi)有設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證自己的猜想，法拉第不懈地努力設(shè)計(jì)出了實(shí)驗(yàn)方案，發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象。因此設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維能力。

第四步：分析數(shù)據(jù)、得出結(jié)論。規(guī)律就像沙堆中的鉆石一樣埋藏在數(shù)據(jù)中，需要明銳的洞察力去發(fā)現(xiàn)。比如我們?cè)谔骄考铀俣扰c質(zhì)量、受力的關(guān)系實(shí)驗(yàn)中，為了得出加速度與質(zhì)量的關(guān)系。需要引導(dǎo)學(xué)生畫(huà)a-m圖像、a-m2圖像和a-l/m圖像等，最終發(fā)現(xiàn)a-l/m圖像是一條直線后得出結(jié)論。

三、 小結(jié)

高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)有助于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力，文章基于高中物理學(xué)科素養(yǎng)，對(duì)人教版物理教材中的主要實(shí)驗(yàn)按照實(shí)驗(yàn)?zāi)康姆譃槿?，總結(jié)出每一類的教學(xué)流程。可以為青年物理教師提供參考，也可以幫助學(xué)生掌握物理實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)方法，發(fā)展終生學(xué)習(xí)的能力。

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作者簡(jiǎn)介：

趙剛，甘肅省慶陽(yáng)市，北京師范大學(xué)慶陽(yáng)附屬學(xué)校。