江蘇省溧水中等專業(yè)學(xué)校(211200)

楊永和

實(shí)驗(yàn)教學(xué)

立足物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)

江蘇省溧水中等專業(yè)學(xué)校(211200)

楊永和

1 物理學(xué)科核心素養(yǎng)的內(nèi)涵

高中物理課程是普通高中自然科學(xué)領(lǐng)域的一門基礎(chǔ)課程，旨在進(jìn)一步提升學(xué)生的物理核心素養(yǎng)，為學(xué)生的終身發(fā)展奠定基礎(chǔ)。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(gè)人終身發(fā)展和社會(huì)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)。其主要由物理觀念、科學(xué)思維與創(chuàng)新能力、實(shí)驗(yàn)探究能力、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任等4個(gè)方面的要素構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 物理學(xué)科核心素養(yǎng)的構(gòu)成

物理是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，實(shí)驗(yàn)過程不僅能夠讓學(xué)生關(guān)注知識(shí)形成的過程，使學(xué)生真正理解物理知識(shí)結(jié)構(gòu)，而且能夠讓學(xué)生深刻理解和反思物理概念和物理規(guī)律，形成物理觀念，還可以提高學(xué)生的科學(xué)探究技能，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)?？傊⒆阄锢韺?shí)驗(yàn)教學(xué)能有效促進(jìn)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的落實(shí)。

2 立足實(shí)驗(yàn)教學(xué)，落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)的策略

2.1立足實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的物理觀念，促進(jìn)學(xué)科核心素養(yǎng)養(yǎng)成

物理概念是物理核心素養(yǎng)的關(guān)鍵成分。通過學(xué)習(xí)物理幫助學(xué)生形成物理的物質(zhì)觀、運(yùn)動(dòng)觀、能量觀、相互作用觀等概念，并能用其解釋自然現(xiàn)象和解決實(shí)際問題。借助實(shí)驗(yàn)可以幫助學(xué)生透過物理現(xiàn)象理解深層次的物理規(guī)律，促進(jìn)物理觀念的形成。例如，憑學(xué)生的主觀想象，如果向2張平行放置的紙片之間吹氣，氣流會(huì)把2張紙片分開。這樣的想法是否正確呢？接下來，借助一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。將2張紙片平行放置，紙片之間留有一定的間隙，用嘴向2張紙片中間吹氣，引導(dǎo)學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。增大吹氣的流速，觀察紙片的變化。在實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以清楚地觀察到向紙片中間吹氣，紙片不但沒有被分開，反而相互靠攏，并且吹氣的流速越大，紙片靠得越緊。

通過實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生明白，在分析問題時(shí)，不能僅考慮事物的表面現(xiàn)象，而要運(yùn)用所學(xué)的物理知識(shí)分析現(xiàn)象后面隱藏的規(guī)律及其實(shí)質(zhì)，要學(xué)會(huì)使用正確的物理思維方法解釋物理現(xiàn)象，進(jìn)而解決實(shí)際問題。

2.2立足實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力，促進(jìn)學(xué)科核心素養(yǎng)養(yǎng)成

實(shí)驗(yàn)探究能力是物理核心素養(yǎng)中最關(guān)鍵的構(gòu)成要素，也是較難培養(yǎng)的一種能力。其要求學(xué)生具有科學(xué)的探究意識(shí)，能發(fā)現(xiàn)問題，提出合理猜測(cè)；具有設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究方案和獲取證據(jù)的能力，能正確實(shí)施實(shí)驗(yàn)探究方案，使用各種科學(xué)手段和方法收集信息；具有分析論證的能力，會(huì)使用各種方法和手段分析、處理信息，描述、解釋實(shí)驗(yàn)探究結(jié)果和變化趨勢(shì)；具有合作與交流的意愿與能力，能準(zhǔn)確表述、評(píng)估和反思實(shí)驗(yàn)探究過程與結(jié)果。

以探究胡克定律實(shí)驗(yàn)為例，談?wù)勗鯓油ㄟ^物理實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生的深度探究能力，促進(jìn)其學(xué)科核心素養(yǎng)養(yǎng)成。

2.2.1 巧妙地發(fā)放實(shí)驗(yàn)器材，為學(xué)生深度探究做準(zhǔn)備

在胡克定律賓探究實(shí)驗(yàn)中巧妙地準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)器材，給學(xué)生發(fā)放幾種不同型號(hào)的彈簧和幾種不同質(zhì)量的鉤碼，為學(xué)生開展探究實(shí)驗(yàn)做準(zhǔn)備。

2.2.2 巧妙地利用問題串，引導(dǎo)學(xué)生深度探究

實(shí)驗(yàn)器材發(fā)放到位后，借助問題串引導(dǎo)學(xué)生通過自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行探究。要求學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)后，認(rèn)真記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并按要求對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

首先，改變所掛鉤碼的數(shù)量，重復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并把實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記入表1中。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表

注意：①實(shí)驗(yàn)時(shí)不要超過彈簧的彈性限度；②本實(shí)驗(yàn)要求定量測(cè)量，因此要盡可能減小誤差。

其次，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做出F-x圖像，觀察F-x圖像的特征，并計(jì)算出圖線的斜率。

最后，教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

教師：請(qǐng)大家觀察、分析所作F-x圖像有什么特征？

學(xué)生：一條傾斜的直線。

教師：說明F與x存在什么樣的關(guān)系？

學(xué)生：說明F與x成正比。

教師：在彈性限度內(nèi)，彈簧受到的彈力跟彈簧變化的長(zhǎng)度成正比。斜線的斜率就是彈簧的勁度系數(shù)

2.2.3 巧妙地利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，啟發(fā)學(xué)生深刻理解規(guī)律

接下來，看看直線斜率的大小跟哪些因素有關(guān)？此時(shí)，教師在全班同學(xué)中選擇表2～4中的3組數(shù)據(jù)及其圖像(見圖2、3)，通過實(shí)物投影向?qū)W生展示。

表2 利用彈簧一實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)

表3 利用彈簧二實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)

表4 利用彈簧三實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)

圖2 F-x圖像1

圖3 F-x圖像2

教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)以上3組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較：彈簧一與彈簧二型號(hào)相同，但是所掛鉤碼的質(zhì)量不同，受到不同的拉力，因而彈簧的伸長(zhǎng)量不一樣。但是，圖像的斜率是一樣的，都是0.625 N/cm。說明彈簧的勁度系數(shù)與彈簧受到的彈力大小無關(guān)，與彈簧的型號(hào)有關(guān)。彈簧一和彈簧三的型號(hào)不同，受到的拉力相同，彈簧的伸長(zhǎng)量不同，圖像的斜率也不一樣，彈簧一圖像的斜率是0.625 N/cm，彈簧三圖像的斜率為0.25 N/cm。說明彈簧的勁度系數(shù)與彈簧的種類(型號(hào))有關(guān)。

利用這種方式教學(xué)，沒有添加任何新的實(shí)驗(yàn)器材，而讓實(shí)驗(yàn)器材更大限度地發(fā)揮了其作用，為學(xué)生的深度探究提供了保障。精心設(shè)計(jì)的問題串能層層遞進(jìn)式地引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行深度探究。教師巧妙地引導(dǎo)學(xué)生將全班學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較、分析，自然而然地得出彈簧的勁度系數(shù)只跟彈簧本身的性質(zhì)有關(guān)，而不是把實(shí)驗(yàn)結(jié)論強(qiáng)塞給學(xué)生，讓學(xué)生機(jī)械地記憶。這樣的教學(xué)既能培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究的意識(shí)，又能培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究方案和獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的能力，從而正確實(shí)施實(shí)驗(yàn)探究方案，準(zhǔn)確表述和反思實(shí)驗(yàn)探究過程與結(jié)果。

2.3立足實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，促進(jìn)學(xué)科核心素養(yǎng)養(yǎng)成

科學(xué)思維是物理核心素養(yǎng)中的重要構(gòu)成要素，要求學(xué)生能正確使用物理思維方法，從定性和定量?jī)蓚€(gè)方面進(jìn)行科學(xué)推理、找出規(guī)律、形成結(jié)論。完成物理實(shí)驗(yàn)需要透過現(xiàn)象看到本質(zhì)，讓學(xué)生的科學(xué)思維能力得到充分的鍛煉。比如在完成探究感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件實(shí)驗(yàn)時(shí)，在培養(yǎng)學(xué)生各項(xiàng)操作技能的同時(shí)，還能培養(yǎng)學(xué)生利用信息化手段分析問題的能力。通過實(shí)驗(yàn)學(xué)生發(fā)現(xiàn)：磁極插入螺線管時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電流；磁極拔出螺線管時(shí)也產(chǎn)生感應(yīng)電流；當(dāng)磁極靜止不動(dòng)時(shí)不產(chǎn)生感應(yīng)電流。

為了幫助學(xué)生探索實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象背后隱藏的物理規(guī)律和實(shí)質(zhì)，我們利用信息化手段將假想的磁感線模擬出來，形象地展現(xiàn)在學(xué)生面前，為學(xué)生探究感應(yīng)電流產(chǎn)生條件的規(guī)律提供幫助。為了引導(dǎo)學(xué)生自主通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析得出物理規(guī)律，指導(dǎo)學(xué)生借助思維導(dǎo)圖進(jìn)一步分析：磁極插入或拔出的過程中都會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，它們的共同點(diǎn)是穿過閉合導(dǎo)體回路的磁通量都發(fā)生了變化。磁極靜止不動(dòng)時(shí)磁通量沒有發(fā)生變化，也就無法產(chǎn)生感應(yīng)電流。最終得出結(jié)論：產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件是穿過閉合導(dǎo)體回路的磁通量要發(fā)生變化。

在實(shí)驗(yàn)過程中，引導(dǎo)學(xué)生使用各種手段和方法收集信息，并采用適當(dāng)?shù)姆椒ǚ治觥⑻幚硇畔?，描述、解釋?shí)驗(yàn)探究結(jié)果和變化趨勢(shì)，促進(jìn)他們核心素養(yǎng)的養(yǎng)成。

2.4立足創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，促進(jìn)學(xué)科核心素養(yǎng)養(yǎng)成

創(chuàng)新能力也是物理核心素養(yǎng)的關(guān)鍵構(gòu)成要素之一，經(jīng)過“二次開發(fā)”，物理實(shí)驗(yàn)不僅能培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能，更能有效培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。由于“密度的測(cè)量”實(shí)驗(yàn)涉及的實(shí)驗(yàn)方案眾多，不同的實(shí)驗(yàn)方案所用的器材不同，不同的實(shí)驗(yàn)方案測(cè)量的難易程度不同，不同的實(shí)驗(yàn)方案實(shí)驗(yàn)誤差不一樣?，F(xiàn)以測(cè)量物體的密度為例，說明如何通過對(duì)課本中的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行創(chuàng)新，來提升學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。

2.4.1 改用天平測(cè)固體的密度，減小實(shí)驗(yàn)誤差

如果被測(cè)物體不溶于水，可先用天平測(cè)出其在空氣中的質(zhì)量M。再用細(xì)線將被測(cè)物體懸掛在水中(被測(cè)物體全部浸入水中)稱量，如圖4所示，測(cè)出其在水中的質(zhì)量m。已知水在當(dāng)時(shí)溫度下的密度為ρ水，物體體積為V。

圖4 測(cè)量物體的密度實(shí)驗(yàn)示意圖

根據(jù)阿基米德定律有：

Vρ水g=(M-m)g

變形可得：

得出：

2.4.2 改用天平測(cè)液體的密度，提高學(xué)生解決問題的能力

先用天平稱出一固體(該固體與水和被測(cè)液體不能發(fā)生化學(xué)反應(yīng))在空氣中的質(zhì)量mo，然后用細(xì)線將固體懸掛在水中(固體全部浸入水中)，測(cè)出其在水中的質(zhì)量M。再用細(xì)線將固體懸掛在待測(cè)液體中(固體全部浸入液體中)，測(cè)出其在待測(cè)液體中的質(zhì)量m。已知水在當(dāng)時(shí)的溫度下的密度ρ水，固體體積為V。

根據(jù)阿基米德定律：

(mo-M)g=Vρ水g

(1)

(mo-m)g=Vρ液g

(2)

由(1)、(2)兩式可得：

在用此方法測(cè)量液體密度時(shí)，只要測(cè)出固體在3種環(huán)境下的質(zhì)量mo、m、M，代入上式就可精確算出待測(cè)液體的密度。

通過改變實(shí)驗(yàn)的思路，用常見的天平就能方便、準(zhǔn)確地測(cè)出液體的密度，激發(fā)了學(xué)生的發(fā)散性思維，培養(yǎng)了學(xué)生解決問題的能力。

2.4.3 改用天平測(cè)氣體的密度，克服常規(guī)實(shí)驗(yàn)手段的弊端

先用天平稱出一固體在空氣中的質(zhì)量m和在待測(cè)氣體中的質(zhì)量m氣。然后用細(xì)線將它懸掛在水中(全部浸入水中)，讀出其在水中的質(zhì)量m水。再用細(xì)線將其懸掛到某種已知密度的液體中(固體全部浸入液體中)，讀出其在該液體中的質(zhì)量m液。已知水在當(dāng)時(shí)溫度下的密度ρ水，液體在當(dāng)時(shí)溫度下的密度ρ液，固體體積為V。

根據(jù)阿基米德定律：

(m-m水)g=Vρ水g

(3)

(m-m液)g=Vρ液g

(4)

(m-m氣)g=Vρ氣g

(5)

由(3)、(4)兩式可得：

m液-m水=V(ρ水-ρ液)

再與(5)式聯(lián)立，可得：

采用此法測(cè)量氣體密度，不需要直接測(cè)量出氣體的質(zhì)量，而只要測(cè)出固體在不同環(huán)境下的質(zhì)量就可以算出氣體的密度。

2.5改用彈簧秤直接測(cè)不規(guī)則固體的密度，提高實(shí)驗(yàn)的可操作性

設(shè)有質(zhì)量為m，體積為V，密度為ρ的一個(gè)物體，假設(shè)該物體在空氣中的重力為G，物體完全浸沒在水中時(shí)彈簧秤的讀數(shù)為G水。根據(jù)阿基米德定律可知：

Vgρ水=G-G水

變形可得：

得出：

如果水的密度以g/cm3為單位，那么，測(cè)出物體在空氣中的重力及物體浸沒在水中時(shí)對(duì)彈簧秤的拉力，就能求出待測(cè)液體的密度。

2.6立足實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度，促進(jìn)學(xué)科核心素養(yǎng)養(yǎng)成

科學(xué)態(tài)度是物理核心素養(yǎng)的關(guān)鍵構(gòu)成。其要求學(xué)生能正確認(rèn)識(shí)科學(xué)的本質(zhì)；具有學(xué)習(xí)和研究物理的好奇心與求知欲，實(shí)事求是，不迷信權(quán)威。物理實(shí)驗(yàn)是最能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度的教學(xué)活動(dòng)。比如在完成探究牛頓第三定律實(shí)驗(yàn)時(shí)，為了培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，進(jìn)行本課教學(xué)時(shí)讓學(xué)生通過一系列的實(shí)驗(yàn)探究?jī)蓚€(gè)不同物體之間的作用力與反作用力滿足的規(guī)律。首先，教師啟發(fā)學(xué)生通過自主設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)探究?jī)蓚€(gè)大小相等的物體之間作用力與反作用力的關(guān)系，通過實(shí)驗(yàn)探究，學(xué)生得出結(jié)論：發(fā)生在兩個(gè)大小相等的物體之間的作用力與反作用力大小相等、方向相反、作用線在同一直線上。為了驗(yàn)證此規(guī)律是否滿足一般性，接著教師提出發(fā)生在兩個(gè)大小不相等的物體之間作用力與反作用力滿足怎樣的關(guān)系呢？啟發(fā)學(xué)生通過自主設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)探究?jī)蓚€(gè)大小不相等的物體之間作用力與反作用力的關(guān)系。通過探究，學(xué)生得出相同的結(jié)論：發(fā)生在兩個(gè)大小不相等的物體之間的作用力與反作用力也是一對(duì)大小相等、方向相反且作用線在同一直線上的相互作用力。為了進(jìn)一步驗(yàn)證規(guī)律的客觀性，教師再次提出：如果兩個(gè)物體是運(yùn)動(dòng)的，那么它們之間的作用力與反作用力又滿足怎樣的關(guān)系呢？教師再啟發(fā)學(xué)生通過自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的兩個(gè)物體之間作用力與反作用力的關(guān)系。通過探究，學(xué)生得出了相同的結(jié)論。由此說明，為了驗(yàn)證一個(gè)規(guī)律是否滿足一般性，要從多個(gè)不同的方面加以驗(yàn)證，不能以偏概全。

總之，一個(gè)實(shí)驗(yàn)只有實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)是確定的，而實(shí)驗(yàn)的原理、實(shí)驗(yàn)方法及步驟都可以是靈活多變的。只有將各種實(shí)驗(yàn)思想靈活地綜合運(yùn)用和創(chuàng)造性地發(fā)揮，才能達(dá)到理想的教學(xué)效果。教師要對(duì)課本中的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行創(chuàng)新，引導(dǎo)學(xué)生從不同的角度來思考物理問題，認(rèn)識(shí)物理規(guī)律，拓寬學(xué)生解決問題的思路，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力和解決實(shí)際問題的能力，有助于學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的養(yǎng)成。

2017-08-02