陳海

【摘 要】本文就創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方法，培養(yǎng)物理核心素養(yǎng)進(jìn)行研究，提出在高中物理教學(xué)中，教師可以通過(guò)測(cè)量法、模型法、控制變量法等多種實(shí)驗(yàn)方法優(yōu)化學(xué)生的物理意識(shí)，使抽象概念具象化、知識(shí)對(duì)比得到升華。

【關(guān)鍵詞】創(chuàng)新實(shí)驗(yàn) 核心素養(yǎng) 高中物理

【中圖分類號(hào)】G ?【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】0450-9889（2019）08B-0071-02

隨著全面教育的發(fā)展，物理學(xué)的學(xué)科地位也在逐年上升，其中大部分的物理知識(shí)都是從實(shí)驗(yàn)室中獲取的。動(dòng)手實(shí)驗(yàn)不僅能夠增強(qiáng)學(xué)生的知識(shí)貫徹度，還可以適應(yīng)當(dāng)代素質(zhì)教育的要求去培養(yǎng)有動(dòng)手能力、實(shí)驗(yàn)探究能力的高中生。但是對(duì)于學(xué)生而言，實(shí)驗(yàn)往往是晦澀枯燥的，因此，在高中物理的課堂上教師需要引領(lǐng)學(xué)生創(chuàng)新試驗(yàn)方法，用各種新穎的、有效的方式帶領(lǐng)學(xué)生獲取知識(shí)，以培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng)。筆者將從以下幾個(gè)方面進(jìn)行簡(jiǎn)要論述。

一、測(cè)量法，優(yōu)化意識(shí)

（一）應(yīng)用變換原理，轉(zhuǎn)換測(cè)量。在高中物理的實(shí)驗(yàn)中有很多物理量是不方便測(cè)量的，但是我們可以通過(guò)轉(zhuǎn)換去測(cè)量易獲得的物理量，再根據(jù)已知條件推導(dǎo)計(jì)算出所需要的數(shù)據(jù)。這樣實(shí)驗(yàn)難度會(huì)大大降低，測(cè)量數(shù)據(jù)也變得更加簡(jiǎn)便，但需要學(xué)生比較透徹地理解物理量的轉(zhuǎn)化和內(nèi)在關(guān)系。

例如，在講授高中物理必修 2“探究平拋運(yùn)動(dòng)的規(guī)律”時(shí)，需要測(cè)量物體拋出時(shí)的瞬時(shí)速度 v，這個(gè)物理量我們?nèi)绾蔚玫侥?？顯然直接測(cè)量是沒(méi)有相關(guān)工具的，因此，筆者引導(dǎo)學(xué)生考慮能否換一種思路不直接測(cè)量而是由其他物理量推斷呢？同學(xué)們根據(jù)我們之前學(xué)過(guò)的知識(shí)提出：要想得到平拋運(yùn)動(dòng)拋出時(shí)的速度，可以通過(guò)測(cè)量平拋運(yùn)動(dòng)的距離得到。將其分解可知：水平方向的位移 x=v0t，vx=v0，豎直方向的速度 vy=gt，我們首先利用秒表記錄該平拋運(yùn)動(dòng)的時(shí)間 t，再測(cè)量出水平、豎直方向的位移，最后根據(jù)公式 ，即可得到瞬時(shí)速度。這樣復(fù)雜的速度問(wèn)題可以簡(jiǎn)化，測(cè)量的數(shù)據(jù)也便于獲得且更加準(zhǔn)確，學(xué)生只需要把握好所用的公式和思路即可得到最后的結(jié)論。

可以看到，學(xué)生在進(jìn)行物理量的測(cè)量時(shí)不必鉆牛角尖，我們可以采取“曲線救國(guó)”的方式，通過(guò)測(cè)量簡(jiǎn)便的物理量，剖析其內(nèi)在聯(lián)系計(jì)算出所需物理量。這不僅能提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力，能使學(xué)生鞏固基礎(chǔ)知識(shí)和對(duì)物理量之間相互關(guān)系的合理應(yīng)用，優(yōu)化學(xué)生的實(shí)驗(yàn)意識(shí)。

（二）應(yīng)用相似原理，模擬測(cè)量。在高中物理學(xué)習(xí)過(guò)程中并不是所有的物理量都是可以測(cè)量的，由于環(huán)境條件的局限性有很多數(shù)據(jù)我們沒(méi)辦法獲取，這時(shí)教師可以培養(yǎng)學(xué)生模擬測(cè)量。運(yùn)用相似原理人為地構(gòu)建模型，可以將實(shí)際物體按照一定的比例縮小或者放大測(cè)量數(shù)據(jù)反推結(jié)論，還可以構(gòu)建性質(zhì)相似模型。

例如，在講授高中物理選修 3-1“磁現(xiàn)象和磁場(chǎng)”時(shí)，要想讓學(xué)生知道磁感線是如何分布的，我們可以利用鐵屑的分布去推斷。在課堂上筆者先帶領(lǐng)學(xué)生回顧一下我們已經(jīng)學(xué)過(guò)的磁場(chǎng)對(duì)處于其中的磁極產(chǎn)生力的作用的現(xiàn)象，類比電場(chǎng)可以推斷磁極與磁極之間的相互作用是由于磁場(chǎng)的存在而產(chǎn)生的。在進(jìn)行了一系列的小實(shí)驗(yàn)以后我們驗(yàn)證了這個(gè)假設(shè)，由此讓學(xué)生思考電場(chǎng)中可用電場(chǎng)線來(lái)表示電場(chǎng)方向，磁場(chǎng)中用什么來(lái)表示呢？這就是所謂的磁感線了。我們?cè)谝粡埌准埳暇鶆虻厝錾翔F屑，將電磁鐵放在上面可以看到鐵屑受到磁場(chǎng)力的作用形成一條一條的線狀，這樣的線條就是其中的磁感線?？梢钥吹酱鸥芯€是封閉的曲線，利用鐵屑就可以得到它的路線，這大大方便了我們之后的磁場(chǎng)探究。

在這個(gè)過(guò)程中教師需要注意，一定要引導(dǎo)學(xué)生分析出其中的相似點(diǎn)，透徹了解其聯(lián)系才能更好地運(yùn)用好模擬測(cè)量這一方法。這在一定程度上降低了物理測(cè)量難度和實(shí)驗(yàn)成本，可以在條件有限時(shí)加以利用，讓學(xué)生的實(shí)驗(yàn)思維活躍起來(lái)，嘗試多角度思考，而不局限于物理量本身。

二、模型法，形象直觀

（一）替代模型，突出主要矛盾。所謂替代模型就是將某個(gè)物理概念放大或者縮小，但是其本質(zhì)和特性保持不變，便于物理實(shí)驗(yàn)過(guò)程分析的物理模型。這個(gè)過(guò)程主要傾向于突出物體本質(zhì)的特征和主要矛盾，將次要的、不必要的那部分縮小甚至是忽略，使得我們實(shí)驗(yàn)所需要研究的對(duì)象從客觀實(shí)體中抽離。

例如，在講授高中物理必修 1“相互作用”中力的分解時(shí)，我們要對(duì)某一個(gè)物體所受到的力進(jìn)行分析。筆者拿出一個(gè)木塊將其斜壓在墻面上，使得它保持靜止?fàn)顟B(tài)，請(qǐng)同學(xué)們畫(huà)出受力分析圖。學(xué)生們將木塊看作一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，它哪個(gè)部分受到筆者手的壓力并不重要，它只是一個(gè)受力的整體，可以忽視。分析得到木塊具有自身豎直向下的重力 G，筆者的手給它的向上傾斜的壓力 F，以及墻體給它的水平向左的支持力 FN，豎直向上的摩擦力 Ff，這四個(gè)力達(dá)到了均衡狀態(tài)。根據(jù)畫(huà)出的受力分析圖構(gòu)建直角坐標(biāo)系可以看到豎直方向向下受到了重力 G，向上受到摩擦力 Ff 和壓力 F 的分力;水平方向向右有壓力 F 的分力，向左為墻體的支持力 FN。將木塊看作質(zhì)點(diǎn)大大簡(jiǎn)化了分析過(guò)程。

雖然替代模型在很大程度上簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)思維過(guò)程，但是教師需要對(duì)學(xué)生的替代模型構(gòu)建過(guò)程進(jìn)行嚴(yán)格地監(jiān)督。一旦模型構(gòu)建錯(cuò)誤或者忽視了原物體中的重要特征、本質(zhì)，會(huì)直接影響到我們最后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。學(xué)生需要學(xué)會(huì)找到物理實(shí)體中的主要矛盾，將其分離出來(lái)構(gòu)建。

（二）相似模型，發(fā)現(xiàn)同樣規(guī)律。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中有些事態(tài)的發(fā)展目前是沒(méi)有相關(guān)條件可以達(dá)到的，如何能進(jìn)行合理的預(yù)測(cè)呢？這就需要師生一起構(gòu)建相似模型，抓住實(shí)驗(yàn)的本質(zhì)利用模型去推斷其中的規(guī)律?？梢钥吹侥Ｐ秃驮偷母臼窍嗤模识覀兛梢园l(fā)現(xiàn)一定的規(guī)律，使得實(shí)驗(yàn)更加形象直觀。

例如，在講授高中物理選修 3-1“庫(kù)侖定律”時(shí)，根據(jù)章節(jié)背景可以知道本節(jié)主要探究的是靜止點(diǎn)電荷之間相互作用力的規(guī)律。請(qǐng)同學(xué)們回想一下我們?cè)谥拔锢淼膶W(xué)習(xí)過(guò)程中是否還有什么相互作用與本節(jié)內(nèi)容相似呢？這時(shí)有同學(xué)提出：“我們之前學(xué)習(xí)過(guò)天體之間的相互作用力，當(dāng)時(shí)得到的最終結(jié)論為萬(wàn)有引力公式 ?。我們?nèi)绻骄侩姾芍g的相互作用力其實(shí)可以類比該模型。”于是筆者帶領(lǐng)學(xué)生開(kāi)展本節(jié)課的學(xué)習(xí)，庫(kù)倫由實(shí)驗(yàn)得出在真空條件下兩個(gè)靜止的點(diǎn)電荷之間的相互作用力與其電荷量的乘積成正比，與它們之間的距離成反比，可以推導(dǎo)出這樣一個(gè)公式：（）學(xué)生在進(jìn)行記憶時(shí)聯(lián)系萬(wàn)有引力定律可以避免出錯(cuò)。

在這個(gè)過(guò)程中需要注意模型必須保持與原型的相似才能做出規(guī)律的合理推斷。因此，構(gòu)建相似模型時(shí)我們首先要對(duì)原型的本質(zhì)進(jìn)行剖析，抓住其內(nèi)在根本以后再將其簡(jiǎn)化成可以操作的物理模型，最后根據(jù)模型的實(shí)驗(yàn)探究反推原型的相同規(guī)律，形成一個(gè)完整的實(shí)驗(yàn)思路。

三、控制變量法，比較研究

（一）結(jié)合日常練習(xí)，驗(yàn)證猜測(cè)。要想得到某一個(gè)因素對(duì)實(shí)驗(yàn)最終結(jié)果的影響，需要保證其他變量都是相同的狀態(tài)，這就是所謂的控制變量法。在高中物理的教學(xué)中此法屢見(jiàn)不鮮，我們可以先讓學(xué)生進(jìn)行理論分析做出合理假設(shè)，在日常實(shí)驗(yàn)中加以練習(xí)驗(yàn)證，長(zhǎng)此以往學(xué)生可以熟練掌握變量法。

例如，在講授高中物理選修 3-1“歐姆定律”一章節(jié)時(shí)，首先請(qǐng)同學(xué)們觀察一下教室里的小燈泡，有同學(xué)提出教室里左邊的燈泡亮度比右邊的更亮。根據(jù)之前學(xué)過(guò)的知識(shí)可以畫(huà)出電路圖，這兩個(gè)小燈泡是并聯(lián)的關(guān)系。這時(shí)我們可以得到兩個(gè)小燈泡兩端的電壓 U 是一樣的，通過(guò)的電流 I 越大則燈泡越亮。學(xué)生們推測(cè)：這兩個(gè)小燈泡的電阻 R 是不同的。于是我們自己動(dòng)手做了一個(gè)電路，將小燈泡與滑動(dòng)變阻器、電流表串聯(lián)起來(lái)，將一個(gè)電壓表并聯(lián)在小燈泡兩端。一切準(zhǔn)備就緒以后打開(kāi)開(kāi)關(guān)，燈泡發(fā)光，電路通路。根據(jù)電壓表、電流表測(cè)量出小燈泡兩端的電壓 U 以及通過(guò)的電流 I，移動(dòng)滑動(dòng)電阻器的滑片得到多組數(shù)據(jù)，最后得出 ?這個(gè)公式，即歐姆定律：在同一電路中，通過(guò)某段導(dǎo)體的電流跟這段導(dǎo)體兩端的電壓成正比，跟這段導(dǎo)體的電阻成反比。

我們鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行自主研究，根據(jù)自己目前已經(jīng)獲得的知識(shí)進(jìn)行合理的假設(shè)，并利用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證自己的假設(shè)。在日常練習(xí)中使學(xué)生體驗(yàn)了成功和失敗，學(xué)會(huì)分析，從而提高了我們的教學(xué)效率，也增強(qiáng)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

（二）結(jié)合實(shí)際生活，主題探究。高中物理知識(shí)體系的建構(gòu)是由一個(gè)又一個(gè)的主題建立起來(lái)的，實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)自然也是如此。教師根據(jù)主題結(jié)合實(shí)際生活，將理論聯(lián)系實(shí)際，使學(xué)生敢于提出自己的想法并進(jìn)行自我探究。

例如，在講授高中物理選修 1-1“生活中的靜電現(xiàn)象”中的尖端放電時(shí)，筆者在課堂開(kāi)始時(shí)給學(xué)生看這樣一張圖片：電閃雷鳴的天空劃過(guò)一道閃電，建筑物上面的尖尖的避雷針引人注目。筆者問(wèn)：“同學(xué)們，你們知道為什么避雷針要設(shè)計(jì)成這個(gè)樣子嗎？”讓學(xué)生討論。由此筆者講解尖端放電現(xiàn)象與原因。并向?qū)W生提問(wèn)，根據(jù)同種電荷互相排斥原理和電荷總量守恒定律，你們可以猜測(cè)一下避雷針的作用原理嗎？同學(xué)們推斷這種尖狀金屬物會(huì)連接地上的金屬板，當(dāng)雷擊時(shí)異種電荷聚集在尖端產(chǎn)生尖端放電現(xiàn)象，避雷針中電荷中和避免了雷擊。因此，教師需要注意拓展教學(xué)內(nèi)容，盡量在主題探究時(shí)多引用生活實(shí)例，加強(qiáng)學(xué)生生活與課堂之間的聯(lián)系。

我們可以看到，每種方法都可以應(yīng)用于多個(gè)實(shí)驗(yàn)，同時(shí)，在一個(gè)實(shí)驗(yàn)中也可以用到很多種方法。我們需要根據(jù)情況選擇合適的方法，在動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng)，培養(yǎng)其成為社會(huì)需要的全面人才。物理實(shí)驗(yàn)的方法當(dāng)然不局限于以上幾種，我們希望教師能夠不斷優(yōu)化高中物理教學(xué)。

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【作者簡(jiǎn)介】陳 海（1970— ），男，中學(xué)一級(jí)，現(xiàn)就職于北流市第二中學(xué)，從事物理教學(xué)。

（責(zé)編 盧建龍）