薄祥中 姜 峰

(1. 東海縣第二中學(xué),江蘇 連云港 222300; 2. 連云港市教育局教研室,江蘇 連云港 222006)

實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能、訓(xùn)練科學(xué)方法、提升學(xué)科核心素養(yǎng)的重要途徑．做好驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),有利于學(xué)生深化理解所學(xué)知識(shí),培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)證意識(shí)、實(shí)踐能力及探究能力．然而,在現(xiàn)實(shí)教學(xué)中,有的教師輕視驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),認(rèn)為做實(shí)驗(yàn)只不過(guò)是驗(yàn)證一下已知的結(jié)論或規(guī)律,而學(xué)生對(duì)此已經(jīng)掌握了,因此驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)是可有可無(wú)的．有的教師采用傳統(tǒng)教學(xué)模式,實(shí)驗(yàn)方案照搬教材,教師講解實(shí)驗(yàn)步驟及注意事項(xiàng),學(xué)生沒(méi)有對(duì)實(shí)驗(yàn)的方案進(jìn)行深度思考,只是按照教材或教師講解的實(shí)驗(yàn)步驟機(jī)械操作,實(shí)驗(yàn)過(guò)程成為教材內(nèi)容的簡(jiǎn)單復(fù)演．由于學(xué)生預(yù)先已經(jīng)知道實(shí)驗(yàn)結(jié)論,對(duì)獲取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)往往不加分析就認(rèn)為它們是滿(mǎn)足已知規(guī)律的,有的學(xué)生為了使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更好地“符合”要驗(yàn)證的規(guī)律而修改數(shù)據(jù).這種“走過(guò)場(chǎng)”“造假”式的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)不利于學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng),不利于學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的養(yǎng)成．因此,改變傳統(tǒng)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式,更好地發(fā)揮驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)在培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)方面的作用,勢(shì)在必行．本文以“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”為例,探討基于核心素養(yǎng)提升的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)教學(xué)策略．

1 注重過(guò)程體驗(yàn),提升物理觀念

物理觀念是基于對(duì)物理現(xiàn)象的觀察、分析、概括和對(duì)規(guī)律的探究、總結(jié)后逐步形成的觀點(diǎn)．物理觀念是物理核心素養(yǎng)最重要的維度,其形成和發(fā)展的過(guò)程涵蓋了物理核心素養(yǎng)的其它維度．物理知識(shí)要轉(zhuǎn)化為物理觀念,必須經(jīng)歷知識(shí)的建構(gòu)過(guò)程,體驗(yàn)從具體情境到物理規(guī)律的認(rèn)知過(guò)程.在這種“建構(gòu)”和“體驗(yàn)”的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)對(duì)知識(shí)的“提煉”和“升華”．驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)是實(shí)現(xiàn)這種“轉(zhuǎn)化”的最佳路徑之一．因?yàn)閷?shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)是基于對(duì)所學(xué)知識(shí)理解基礎(chǔ)上的綜合應(yīng)用,而實(shí)驗(yàn)中對(duì)儀器的選擇及操作使用、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄和分析、結(jié)論的形成、對(duì)實(shí)驗(yàn)的交流與反思等也基于對(duì)知識(shí)的深度理解和靈活應(yīng)用,尤其是當(dāng)驗(yàn)證的規(guī)律與實(shí)驗(yàn)結(jié)果“不吻合”時(shí),更需要探究其中的原因,提出改進(jìn)的辦法.這種“不吻合”有時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致新的發(fā)現(xiàn)．學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中、在解決真實(shí)問(wèn)題的過(guò)程中所經(jīng)歷的“體驗(yàn)”,可以促成學(xué)生對(duì)物理知識(shí)及其應(yīng)用的理解和感悟,促進(jìn)學(xué)生物理觀念的形成和發(fā)展,也培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)思維能力、科學(xué)探究能力,有助于學(xué)生科學(xué)態(tài)度和責(zé)任的養(yǎng)成．

在進(jìn)行驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)之前,可引導(dǎo)學(xué)生回顧機(jī)械能守恒定律的內(nèi)容,思考機(jī)械能守恒的條件,并聯(lián)系生活實(shí)際,舉例并討論滿(mǎn)足機(jī)械能守恒的物體運(yùn)動(dòng)情境．如自由下落的物體機(jī)械能是否守恒?在什么條件下守恒?物體沿斜面下滑過(guò)程中機(jī)械能是否守恒,如何才能消除摩擦力的影響?平衡摩擦力能滿(mǎn)足機(jī)械能守恒的條件嗎?等等,引導(dǎo)學(xué)生由機(jī)械能守恒定律的內(nèi)容聯(lián)系實(shí)際運(yùn)動(dòng)情境,由實(shí)際運(yùn)動(dòng)情境分析抽象出物理模型,理解動(dòng)能、勢(shì)能的相互轉(zhuǎn)化過(guò)程,提升在實(shí)際情境中運(yùn)用機(jī)械能守恒定律分析解決問(wèn)題的能力．在此基礎(chǔ)上,引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案,動(dòng)手操作,進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,得出結(jié)論,交流和評(píng)估,理解動(dòng)能、勢(shì)能相互轉(zhuǎn)化及機(jī)械能守恒的條件,感悟守恒的思想,初步建立能量轉(zhuǎn)化及守恒的觀念．

2 注重模型轉(zhuǎn)化,發(fā)展思維能力

模型建構(gòu)是物理學(xué)中分析和解決問(wèn)題的一種重要方式或方法,它是科學(xué)思維的四大要素之一．通過(guò)對(duì)實(shí)際問(wèn)題的抽象,忽略一些次要因素,突出關(guān)鍵問(wèn)題,建立理想化模型,可以方便快捷地解決問(wèn)題．教學(xué)過(guò)程中教師不僅要培養(yǎng)學(xué)生的模型建構(gòu)能力,而且還要培養(yǎng)學(xué)生將理想化模型轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)原型的能力．有些學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中沒(méi)有經(jīng)歷模型的建構(gòu)過(guò)程,只是記住了物理模型,而對(duì)建構(gòu)模型的條件不理解,因此,很難將物理模型轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)原型,有的學(xué)生甚至將物理模型與現(xiàn)實(shí)原型相混淆．如在列舉生活中機(jī)械能守恒的實(shí)例時(shí),有的學(xué)生就舉出“物體沿光滑斜面下滑”“物體做自由落體運(yùn)動(dòng)”的例子．將物理模型轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)原型,更多地要考慮實(shí)際因素對(duì)研究問(wèn)題的影響,如何才能使這種影響降低到最小以至于可以忽略,使現(xiàn)實(shí)原型更接近于物理模型．機(jī)械能守恒定律是從實(shí)際運(yùn)動(dòng)情境出發(fā),通過(guò)模型化處理依據(jù)動(dòng)能定理推導(dǎo)出來(lái)的,要驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律,必須從機(jī)械能守恒定律的原理出發(fā),將理想模型轉(zhuǎn)化為可操作的現(xiàn)實(shí)原型,如選擇什么樣的物體為研究對(duì)象,將質(zhì)點(diǎn)模型轉(zhuǎn)化為實(shí)際物體且該物體更接近于質(zhì)點(diǎn)模型;選擇什么樣的運(yùn)動(dòng)過(guò)程來(lái)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律,將無(wú)空氣阻力和摩擦阻力的理想運(yùn)動(dòng)過(guò)程轉(zhuǎn)化為阻力可以忽略的實(shí)際運(yùn)動(dòng)過(guò)程．教材中直接給出了實(shí)驗(yàn)的方法、方案,沒(méi)有呈現(xiàn)將實(shí)驗(yàn)原理轉(zhuǎn)化為具體實(shí)驗(yàn)方案的思維過(guò)程,不利于學(xué)生思維能力的培養(yǎng)．將物理模型轉(zhuǎn)化為真實(shí)原型,是基于對(duì)物理模型的深度思考,是物理模型在實(shí)際問(wèn)題中的具體應(yīng)用,凸顯了思維的復(fù)雜性和深刻性．

3 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案,培養(yǎng)探究能力

圖1

普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)在實(shí)施建議中指出,科學(xué)探究能力的培養(yǎng),應(yīng)滲透在物理教學(xué)的整個(gè)過(guò)程．應(yīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)提高學(xué)生制訂計(jì)劃的能力．要避免讓學(xué)生按教師或教材的既定步驟進(jìn)行虛假“探究”．科學(xué)探究活動(dòng)的具體內(nèi)容、方式和要求等,應(yīng)根據(jù)不同模塊的性質(zhì)和任務(wù)有所不同,或以驗(yàn)證物理規(guī)律為主,或以技能性實(shí)驗(yàn)操作為主,或以開(kāi)放性科學(xué)探究為主,有效體現(xiàn)物理實(shí)驗(yàn)的育人功能．對(duì)于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),盡管學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前已經(jīng)預(yù)知了實(shí)驗(yàn)的的結(jié)果,似乎沒(méi)有什么好探究的,但教師可以通過(guò)改變教材中的實(shí)驗(yàn)方案,讓學(xué)生獨(dú)立思考,交流討論,自主制訂實(shí)驗(yàn)方案,使實(shí)驗(yàn)方案充滿(mǎn)不確定性,在對(duì)實(shí)驗(yàn)方案的論證實(shí)施過(guò)程中,讓學(xué)生自己去發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,尋找解決問(wèn)題的辦法,在發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生的探究能力．不同的實(shí)驗(yàn)方案一定會(huì)有不同的實(shí)際問(wèn)題,如何解決這些問(wèn)題,讓實(shí)驗(yàn)過(guò)程能夠順利實(shí)施,這本身就充滿(mǎn)了探究性．從實(shí)驗(yàn)原理走向?qū)嶒?yàn)方案,需要進(jìn)行科學(xué)的論證,不僅要思考方案是否滿(mǎn)足所要驗(yàn)證的原理,更要思考方案的簡(jiǎn)單可行、可操作性,最終形成最佳的實(shí)驗(yàn)方案．本節(jié)教學(xué)中,可以讓學(xué)生舉出生活中滿(mǎn)足機(jī)械能守恒定律運(yùn)動(dòng)情境的實(shí)例,在此基礎(chǔ)上鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì),從多角度思考、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案．比如,除教材中提供的方案外,有的學(xué)生還設(shè)計(jì)了如圖1所示的實(shí)驗(yàn)方案,教師應(yīng)啟發(fā)學(xué)生討論,該選擇什么樣的小球?如何測(cè)定小球運(yùn)動(dòng)的速度大小?如何測(cè)量小球下降的高度?討論后得出,應(yīng)選用小鋼球以減少空氣阻力的影響,要通過(guò)測(cè)量小球的直徑及小球通過(guò)光電門(mén)的時(shí)間來(lái)測(cè)量小球的速度,測(cè)量小球下降的高度時(shí)要從球心算起等．有的學(xué)生設(shè)計(jì)了如圖2及圖3所示的實(shí)驗(yàn)方案,對(duì)于圖2,應(yīng)啟發(fā)學(xué)生思考,如何才能保證系統(tǒng)的機(jī)械能守恒?水平面的摩擦力能忽略嗎?采用平衡摩擦力可以滿(mǎn)足機(jī)械能守恒的條件嗎?砝碼盤(pán)(含砝碼)減少的重力勢(shì)能全部轉(zhuǎn)化為砝碼盤(pán)(含砝碼)與小車(chē)的總動(dòng)能嗎?針對(duì)這樣的問(wèn)題引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究,讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到必須消除摩擦力即水平面采用氣墊導(dǎo)軌而不是采用平衡摩擦力的方法;由于定滑輪的質(zhì)量不能忽略,定滑輪在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)具有動(dòng)能,定滑輪與軸、細(xì)繩與定滑輪之間存在摩擦等,因此,實(shí)驗(yàn)存在較大的系統(tǒng)誤差．對(duì)于圖3所示的實(shí)驗(yàn)方案,教師也應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生從系統(tǒng)誤差方面思考,讓學(xué)生意識(shí)到圖2和圖3均不是最佳方案,從而思考,在設(shè)計(jì)的諸多方案中,選擇哪一個(gè)方案最簡(jiǎn)單、易操作且系統(tǒng)誤差較小?引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)選擇最佳實(shí)驗(yàn)方案,同時(shí)理解教材中選用驗(yàn)證自由下落物體機(jī)械能守恒方案的原因．

圖2

4 規(guī)范實(shí)驗(yàn)操作,培養(yǎng)動(dòng)手能力

實(shí)驗(yàn)就是一種依據(jù)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行動(dòng)手操作的實(shí)踐活動(dòng),要獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn),學(xué)生必須具備較強(qiáng)的動(dòng)手操作能力和良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣．實(shí)驗(yàn)前學(xué)生必須知道所用實(shí)驗(yàn)器材的使用方法和安全規(guī)則,能對(duì)它們進(jìn)行正確的安裝與調(diào)試．實(shí)驗(yàn)中能正確使用與規(guī)范操作器材,能排除實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的故障,能正確地進(jìn)行必要的觀察、讀數(shù)與測(cè)量,能正確地記錄數(shù)據(jù)．只有在平時(shí)的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練中,規(guī)范操作,嚴(yán)格要求,才能逐步養(yǎng)成良好的習(xí)慣,形成過(guò)硬的實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)和技能．本實(shí)驗(yàn)中,打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的安裝也是一個(gè)重要的操作步驟,安裝的高度要合適,要確保打點(diǎn)計(jì)時(shí)器保持豎直．實(shí)驗(yàn)時(shí)要先通電后釋放紙帶,釋放重錘前要將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器上方的紙帶保持豎直,以減少重錘下落時(shí)紙帶受到的阻力．在測(cè)量的眾多紙帶中要選用比較理想的紙帶,以減少實(shí)驗(yàn)的誤差．用刻度尺測(cè)量長(zhǎng)度時(shí)要注意有效數(shù)字、多次測(cè)量的問(wèn)題,要通過(guò)測(cè)量起點(diǎn)到某點(diǎn)間的長(zhǎng)度來(lái)求出該兩點(diǎn)間的豎直高度等．面對(duì)兩組學(xué)生所做的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)誤差大小不同,教師可以引導(dǎo)學(xué)生思考,為什么用相同的實(shí)驗(yàn)器材,所得的實(shí)驗(yàn)誤差有的很大而有的很小呢?讓學(xué)生反思自己的實(shí)驗(yàn)過(guò)程,認(rèn)識(shí)到實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的每一個(gè)細(xì)節(jié)、每一個(gè)步驟都必須規(guī)范操作,稍有不慎,可能會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果產(chǎn)生重要的影響甚至導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)的失敗,培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)肅認(rèn)真的實(shí)驗(yàn)態(tài)度和良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣．

5 樹(shù)立證據(jù)意識(shí),培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度

任何科學(xué)理論都必須經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn),證明其正確性,才能成為科學(xué)理論．中學(xué)生所做的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),目的不單是通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、圖像的分析證明所學(xué)規(guī)律的正確性,重要的是通過(guò)實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)證意識(shí),讓學(xué)生學(xué)會(huì)收集、處理、分析數(shù)據(jù)得出結(jié)論,基于證據(jù)進(jìn)行邏輯推理,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)論證和解釋交流的能力．其次是培養(yǎng)學(xué)生敢于批判和向權(quán)威挑戰(zhàn)的勇氣和精神．實(shí)驗(yàn)過(guò)程中要指導(dǎo)學(xué)生不應(yīng)只把注意力集中在與探究假設(shè)相符的物理事實(shí)上,還需要觀察和收集那些與預(yù)期結(jié)果相矛盾的信息,通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)質(zhì)疑和反思,從多角度思考問(wèn)題,用懷疑和批判的眼光去思考和審視知識(shí),培養(yǎng)學(xué)生不迷信權(quán)威的精神和敢于挑戰(zhàn)權(quán)威的勇氣．再次是培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真、實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度．比如,要求學(xué)生如實(shí)記錄觀察到的客觀現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),杜絕編造和修改實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),逐步養(yǎng)成尊重實(shí)驗(yàn)結(jié)果與事實(shí)的良好行為．在分析和處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí),要引導(dǎo)學(xué)生探究誤差產(chǎn)生的原因及如何改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案,減少實(shí)驗(yàn)誤差．如本實(shí)驗(yàn)中通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析,發(fā)現(xiàn)重物的動(dòng)能增加量總是小于其重力勢(shì)能的減少量,面對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論不相符合,教師要引導(dǎo)學(xué)生相信而不是懷疑自己的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),要基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析思考其中的原因．即使是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)出了問(wèn)題,也不要馬上重新實(shí)驗(yàn),而應(yīng)認(rèn)真反思實(shí)驗(yàn)過(guò)程,分析原因,吸取教訓(xùn),總結(jié)經(jīng)驗(yàn),避免后續(xù)實(shí)驗(yàn)再出現(xiàn)類(lèi)似的問(wèn)題．又如,針對(duì)本實(shí)驗(yàn)中誤差較大的問(wèn)題,可以讓學(xué)生思考討論,怎樣才能進(jìn)一步減少誤差?啟發(fā)學(xué)生選用光電門(mén)和數(shù)字計(jì)時(shí)器測(cè)量速度,讓學(xué)生意識(shí)到可以通過(guò)提高實(shí)驗(yàn)器材的精度、提升實(shí)驗(yàn)的技術(shù)等來(lái)減少實(shí)驗(yàn)誤差,由此培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)態(tài)度和精益求精的科學(xué)精神．

總之,驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的重要手段和途徑．教師在教學(xué)過(guò)程中要重視驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的教學(xué),讓學(xué)生親歷實(shí)驗(yàn)過(guò)程,通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的收集、處理、分析,“發(fā)現(xiàn)”規(guī)律,體驗(yàn)成功的喜悅,養(yǎng)成基于證據(jù)分析解決問(wèn)題的必備品格和關(guān)鍵能力．