周智良 王建 張小龍

摘? ?要：文章以一節(jié)全國(guó)性的教學(xué)比賽獲獎(jiǎng)?wù)n例為例，詳細(xì)介紹了授課教師設(shè)計(jì)的五個(gè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，結(jié)合《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》，論述了物理教學(xué)中如何借力創(chuàng)新物理實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：創(chuàng)新實(shí)驗(yàn);核心素養(yǎng);渦流

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2021）7-0001-5

2020年，教育部正式頒布了《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（后文簡(jiǎn)稱為《標(biāo)準(zhǔn)》）?！稑?biāo)準(zhǔn)》中提出了“物理學(xué)科核心素養(yǎng)”這一名詞。物理學(xué)科核心素養(yǎng)主要包括“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。學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)科育人價(jià)值的集中體現(xiàn)，是學(xué)生通過學(xué)科學(xué)習(xí)而逐步形成的正確價(jià)值觀、必備品格和關(guān)鍵能力[1]。

觀察實(shí)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)方法是物理學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)，實(shí)驗(yàn)既是建立物理概念、探索物理規(guī)律、認(rèn)識(shí)物理世界、解決具體問題的最基本的手段，又是驗(yàn)證物理假說、檢驗(yàn)物理理論真理性的唯一標(biāo)準(zhǔn)。學(xué)生通過觀察和實(shí)驗(yàn)，感受科學(xué)家探索、發(fā)現(xiàn)的歷程，培養(yǎng)其觀察能力、思辨能力和科學(xué)探究能力，是物理所獨(dú)有的學(xué)科特征[2]。

在物理實(shí)驗(yàn)中，或原理，或器材，或方法，能讓之前的實(shí)驗(yàn)操作變得更簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象變得更明顯，實(shí)驗(yàn)結(jié)果變得更準(zhǔn)確，更能激發(fā)學(xué)生的探索興趣，都可以稱之為“創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)”。在一次全國(guó)性的教學(xué)比賽中，來自重慶市育才中學(xué)的張老師展示了一節(jié)題為《渦流 電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)》的精彩課例，他借助大量的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生獲得了別具一格的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，學(xué)科核心素養(yǎng)也得以較好地培養(yǎng)和提升。

1? ? 課例的教材與學(xué)情分析

1.1? ? 教材分析

本節(jié)選自人教版高中二年級(jí)《物理選修3-2》第四章第7節(jié)，也是本章的最后一節(jié)。學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)掌握了感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件、楞次定律、法拉第電磁感應(yīng)定律等知識(shí)。通過對(duì)本節(jié)的學(xué)習(xí)，學(xué)生進(jìn)一步加深對(duì)前面知識(shí)的理解，教材中包括渦流、電磁阻尼、電磁驅(qū)動(dòng)三部分，從內(nèi)容上看，側(cè)重點(diǎn)是電磁感應(yīng)現(xiàn)象的實(shí)際應(yīng)用。

1.2? ? 學(xué)情分析

高中二年級(jí)的學(xué)生已經(jīng)完整地學(xué)習(xí)了電磁感應(yīng)中的法拉第電磁感應(yīng)定律、楞次定律和焦耳定律的相關(guān)知識(shí)，具備了觀察能力與對(duì)新奇實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的好奇心，具有通過協(xié)作完成簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)、獨(dú)立思考、交流協(xié)作的能力，他們?cè)诮處煹囊龑?dǎo)下，可以對(duì)渦流、電磁阻尼、電磁驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行理論分析。當(dāng)然，讓學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析解決實(shí)際問題，是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，有一定的難度。

2? ? 課例創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的介紹

2.1? ? 實(shí)驗(yàn)一：神奇的魚

如圖1所示，張老師用普通的玻璃自制了一個(gè)特殊的“魚缸”，用透明的豎直隔板將玻璃缸對(duì)稱地分為兩個(gè)區(qū)，一個(gè)區(qū)域底部水平放置一鐵片，另一區(qū)域底部沒有鐵片，還帶著一個(gè)拆了螺絲的家用電磁爐。實(shí)驗(yàn)時(shí)，先向“魚缸”中注入一定量的水，幾尾金魚置于無鐵片的區(qū)域，再將“魚缸”放在電磁爐之上后整體置于講臺(tái)上，學(xué)生從無鐵片區(qū)域的側(cè)面觀察“魚缸”。通電加熱一段時(shí)間至冷水沸騰，學(xué)生觀察到神奇的現(xiàn)象：金魚竟然在沸水中逍遙地游來游去。

2.2? ? 實(shí)驗(yàn)二：時(shí)空隧道

張老師在表演這個(gè)魔術(shù)時(shí)，在講臺(tái)上放了幾個(gè)外形相同的小物體，左手拿著一根一米長(zhǎng)的鋁管，豎直放置（圖2）。老師先讓學(xué)生用自由落體運(yùn)動(dòng)的知識(shí)估算物體從靜止開始下落通過鋁管的時(shí)間，接著進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，小物體很快就從另一端落出，學(xué)生估計(jì)了時(shí)間，不超過0.5 s。老師又“隨手”抓起另一物體從同一位置靜止釋放，學(xué)生驚訝地發(fā)現(xiàn)，這個(gè)物體過了大約10 s才從管中落出，像穿越了時(shí)空隧道一樣。

2.3? ? 實(shí)驗(yàn)三：隔空移物

張老師特制了一個(gè)實(shí)驗(yàn)桌，其外形和普通課桌一模一樣，里面隱藏著兩塊能繞豎直軸旋轉(zhuǎn)的超強(qiáng)磁鐵，磁鐵上方用2 mm厚的有機(jī)玻璃貼上木紋紙做成普通桌面的樣子。實(shí)驗(yàn)時(shí)悄悄地用遙控器閉合電路，電機(jī)帶動(dòng)兩磁鐵旋轉(zhuǎn)起來，右手假裝在桌面上空施展魔力，學(xué)生觀察到桌面上的幾枚鋁制硬幣像是被魔法帶動(dòng)了一樣，跟著老師的手旋轉(zhuǎn)起來。

2.4? ? 實(shí)驗(yàn)四：金屬探測(cè)儀

張老師帶來了育才中學(xué)學(xué)生的一個(gè)小發(fā)明，學(xué)生根據(jù)網(wǎng)上的電路圖，用一些電子小元件自制了一個(gè)金屬探測(cè)儀。張老師在演示時(shí)，先調(diào)節(jié)了探測(cè)儀的靈敏度，再用金屬探頭去接觸課桌、眼鏡、筆等物品。學(xué)生發(fā)現(xiàn)當(dāng)探測(cè)器接觸金屬時(shí)都發(fā)出了嘯叫，而且電路中的發(fā)光二極管也跟著亮了起來。

2.5? ? 實(shí)驗(yàn)五：電磁炮

如圖3所示，張老師帶來了他自己的科技小制作——電磁炮。一個(gè)藍(lán)色的暗箱套住一木制的底座，鐵管做成炮管，小鋁環(huán)是炮彈。張老師實(shí)驗(yàn)時(shí)先把小鋁環(huán)套在鐵管上，再接通電源，學(xué)生觀察到在通電的一瞬間，鋁環(huán)就被彈射出去了。接著，張老師用一捆細(xì)鐵絲捆成一個(gè)鐵棒插入鐵管，再次將小鋁環(huán)套在鐵管上，接通電源，學(xué)生觀察到鋁環(huán)彈出去的距離更遠(yuǎn)了。

3? ? 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)達(dá)成核心素養(yǎng)培養(yǎng)目標(biāo)

在課例中，張老師整合了重慶市育才中學(xué)教研團(tuán)隊(duì)的集體智慧，通過多次的研討、制作、整改，設(shè)計(jì)制作的五個(gè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)在這節(jié)課的不同階段各自扮演了舉足輕重的角色，得到了充分的展示，五個(gè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)給學(xué)生、評(píng)委和在場(chǎng)觀眾留下了非常深刻的印象。這五個(gè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生能力的培養(yǎng)和素養(yǎng)的提升，都是畫龍點(diǎn)睛的精彩之筆。

認(rèn)真觀看課例錄像，結(jié)合《標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行反思，得到了五個(gè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)和核心素養(yǎng)培養(yǎng)目標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如表1所示。

4? ? 創(chuàng)新物理實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)

結(jié)合對(duì)本課例的所看、所聽、所想，認(rèn)為借力創(chuàng)新物理實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)是新時(shí)代創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的有效途徑。下面將從幾個(gè)視角分析這些精彩的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)是如何培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)的。

4.1? ? 借力創(chuàng)新物理實(shí)驗(yàn)形成物理觀念

蘇霍姆林斯基在《給教師的建議》一書中指出：“如果老師不想辦法使學(xué)生產(chǎn)生情緒高昂和智力振奮的內(nèi)心狀態(tài)，就急于傳授知識(shí)，那么這種知識(shí)只能使人產(chǎn)生冷漠的態(tài)度，而給不動(dòng)情感的腦力勞動(dòng)帶來疲倦?！碑?dāng)前物理課堂教學(xué)的困境之一在于缺乏真實(shí)教學(xué)情境，阻礙學(xué)生形成“ 物理觀念”[3]。教材對(duì)本節(jié)內(nèi)容的陳述中所提及的器材或儀器有：真空冶煉爐、金屬探測(cè)器、磁電式儀表、交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)等，其中的某些器材或儀器很多學(xué)生和老師都未見過，大多數(shù)老師在課堂上被迫以圖片或視頻的形式進(jìn)行教學(xué)，真實(shí)情境的缺失，除了會(huì)令學(xué)生難以理解知識(shí)、建立觀念，久而久之，還會(huì)讓學(xué)生失去學(xué)習(xí)物理的熱情。

張老師稱前三個(gè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)為“魔術(shù)”，懸念重重，極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情，達(dá)到了上課伊始趣味頓生的良好效果，學(xué)生在這節(jié)課中最大限度地發(fā)揮了主觀能動(dòng)性去探索新問題，掌握新知識(shí)，形成新觀念。實(shí)驗(yàn)一的鐵片中產(chǎn)生了渦流，渦流的熱效應(yīng)使水沸騰;另一區(qū)域沒有渦流，水依然是冷的，所以金魚能安然無恙。實(shí)驗(yàn)二中的磁性小物體之所以下落緩慢，是因?yàn)樗幱阡X管產(chǎn)生的渦流磁場(chǎng)中，受到了阻礙其下落的安培力，此即是渦流的應(yīng)用，也是電磁阻尼現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)三旋轉(zhuǎn)磁體上方的硬幣中產(chǎn)生渦流，電流處于磁場(chǎng)中會(huì)受到安培力的作用，因此硬幣會(huì)跟著磁體旋轉(zhuǎn)起來，此乃電磁驅(qū)動(dòng)現(xiàn)象。學(xué)生在張老師很有技巧性的引導(dǎo)下，認(rèn)真觀察，充分討論，認(rèn)識(shí)和理解了這些來自生活中的渦流、電磁阻尼、電磁驅(qū)動(dòng)等現(xiàn)象，潛移默化地形成了物質(zhì)觀、運(yùn)動(dòng)與相互作用觀和能量觀，對(duì)自然和生活中的現(xiàn)象也有了更為充分的理解和認(rèn)識(shí)。

4.2? ? 借力創(chuàng)新物理實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)科學(xué)思維

《標(biāo)準(zhǔn)》中指出：“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。隨著技術(shù)的發(fā)展，一些老師借助計(jì)算機(jī)模擬來代替實(shí)驗(yàn)，優(yōu)點(diǎn)是方便快捷，有助于分析，結(jié)果得來較快，缺點(diǎn)是學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中僅停留在視覺上的認(rèn)識(shí)，由于沒有親自動(dòng)手參與，缺乏對(duì)規(guī)律的深層認(rèn)識(shí)與理解，科學(xué)思維并沒有得到有效培養(yǎng)。

張老師設(shè)計(jì)的“時(shí)空隧道”和“隔空移物”兩個(gè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，既讓學(xué)生產(chǎn)生了視覺沖擊，又培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)思維。兩套不同的器材，兩種不同的操作，看似彼此沖突的現(xiàn)象，實(shí)則本質(zhì)統(tǒng)一。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，立即帶著學(xué)生從物理學(xué)的視角去探究、去分析，尋找不同現(xiàn)象的本質(zhì)屬性。最終師生一起推理、論證出在這些現(xiàn)象中都產(chǎn)生了感應(yīng)電流，都是電磁感應(yīng)現(xiàn)象的具體應(yīng)用。需要進(jìn)一步肯定的是，張老師在課例的后階段，花了近三分鐘辯證地介紹了渦流的一大應(yīng)用——感應(yīng)熔煉爐。播放完視頻后，張老師先介紹了感應(yīng)熔煉爐的優(yōu)點(diǎn)——能在真空中進(jìn)行，能冶煉出高品質(zhì)的合金，但我們是不是就因此而大規(guī)模地推廣這一技術(shù)了呢？張老師話鋒一轉(zhuǎn)，“不，它的能耗非常大，功率相當(dāng)于一千盞日光燈……所以，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，給我們帶來便利的同時(shí)，也帶來了能源消耗、環(huán)境污染等問題。凡事都有兩面，我們要辯證地看待?！狈浅＞实脑O(shè)計(jì)，質(zhì)疑和思辨，對(duì)立與統(tǒng)一，這正是學(xué)生所需要培養(yǎng)的科學(xué)思維。張老師設(shè)計(jì)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)對(duì)于學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)，其效果是較為顯著的。

4.3? ? 借力創(chuàng)新物理實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生學(xué)會(huì)科學(xué)探究

《標(biāo)準(zhǔn)》中還指出：高中物理課程引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究過程，體會(huì)科學(xué)研究方法，養(yǎng)成科學(xué)思維習(xí)慣，增強(qiáng)創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力。然而，當(dāng)前固化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)阻礙學(xué)生“科學(xué)探究”的發(fā)展，實(shí)驗(yàn)中教師設(shè)計(jì)好實(shí)驗(yàn)原理、目的、步驟、器材、數(shù)據(jù)與表格等，學(xué)生只需按部就班地進(jìn)行程序化的實(shí)驗(yàn)流程。

張老師設(shè)計(jì)的五個(gè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，其中三個(gè)是演示實(shí)驗(yàn)，兩個(gè)是分組實(shí)驗(yàn)。分組實(shí)驗(yàn)時(shí)，張老師將四套兩類器材分配給四組學(xué)生，先簡(jiǎn)短介紹了實(shí)驗(yàn)器材，說明了操作注意事項(xiàng)，之后就把器材交給學(xué)生，學(xué)生較為開放地完成對(duì)“神奇的魚”和“時(shí)空隧道”的實(shí)驗(yàn)探究。探究過程中，學(xué)生是主體，教師只是協(xié)助者、參與者。實(shí)驗(yàn)一中，學(xué)生拆開電磁爐，發(fā)現(xiàn)里面有纏在一起的線圈，水之所以沸騰，是因?yàn)榫€圈中變化的電流產(chǎn)生了變化的磁場(chǎng)，鐵片相當(dāng)于若干鐵環(huán)，變化的磁場(chǎng)使鐵環(huán)中產(chǎn)生了感應(yīng)電流。實(shí)驗(yàn)二中，兩個(gè)小物體，一個(gè)有磁性能吸引鐵質(zhì)物體，而另一個(gè)沒有，磁鐵下落，鋁管就處于變化的磁場(chǎng)中，鋁管相當(dāng)于若干鋁環(huán)，鋁環(huán)中產(chǎn)生了感應(yīng)電流，感應(yīng)電流再產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁鐵放入其中，就受到了阻礙其下落的安培力。這些現(xiàn)象和結(jié)論，都不是教師強(qiáng)加給學(xué)生的，是學(xué)生經(jīng)歷了科學(xué)探究的整個(gè)過程，學(xué)到了知識(shí)，獲得了技能，發(fā)展了實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，增加了學(xué)生之間的交流協(xié)作，合作學(xué)習(xí)有實(shí)效，提高了科學(xué)探究素養(yǎng)。

4.4? ? 借力創(chuàng)新物理實(shí)驗(yàn)強(qiáng)化科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

《標(biāo)準(zhǔn)》中強(qiáng)調(diào)：高中物理課程要引領(lǐng)學(xué)生認(rèn)識(shí)科學(xué)的本質(zhì)以及科學(xué)·技術(shù)·社會(huì)·環(huán)境（STSE）的關(guān)系，形成科學(xué)態(tài)度、科學(xué)世界觀和價(jià)值觀，為做有責(zé)任感的社會(huì)公民奠定基礎(chǔ)，“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”是學(xué)生在認(rèn)識(shí)科學(xué)本質(zhì)的過程中，逐漸形成的一種科學(xué)態(tài)度和社會(huì)責(zé)任感。

張老師在這方面也有亮點(diǎn)。一是在演示了學(xué)生自制的金屬探測(cè)儀后，他鼓勵(lì)在場(chǎng)的學(xué)生“你也可以的，原理很清楚，器材很簡(jiǎn)單，人家能做你也能做啊?！睆埨蠋熀?jiǎn)潔又有力的話語，激發(fā)了學(xué)生的探索熱情和學(xué)科擔(dān)當(dāng)，使學(xué)生成為發(fā)現(xiàn)者、探索者、研究者。二是介紹感應(yīng)熔煉爐時(shí)，既介紹了感應(yīng)熔煉爐的優(yōu)點(diǎn)，又強(qiáng)調(diào)了其帶來的能源消耗、環(huán)境污染等問題，所以“我們要有可持續(xù)發(fā)展的意識(shí)，要堅(jiān)持科學(xué)發(fā)展，做到綠色環(huán)?！?。這就激發(fā)了學(xué)生理解科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)、環(huán)境的關(guān)系，增強(qiáng)了學(xué)生的社會(huì)責(zé)任意識(shí)。

5? ? 結(jié)束語

本節(jié)課的亮點(diǎn)還有很多很多，比如張老師語言精練，幽默風(fēng)趣，引導(dǎo)和鼓勵(lì)學(xué)生，基本功強(qiáng);兩組學(xué)生的展示交流非常精彩;本節(jié)課師生配合默契，幾個(gè)學(xué)生在課堂結(jié)束前的收獲總結(jié)也非常精辟……

物理基于觀察與實(shí)驗(yàn)，構(gòu)建物理模型，應(yīng)用數(shù)學(xué)工具，通過科學(xué)推理和論證，形成系統(tǒng)的研究方法和理論體系，而創(chuàng)新物理實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)科永葆青春的源泉。物理教學(xué)借力于創(chuàng)新物理實(shí)驗(yàn)，既能保持學(xué)生的求知欲，又能培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)的提高。因此，物理教師應(yīng)加強(qiáng)教研能力，不斷學(xué)習(xí)，積極創(chuàng)新，收集整理，協(xié)作交流，用一個(gè)又一個(gè)“靚麗”的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)為學(xué)生的物理學(xué)習(xí)開啟美好的“實(shí)驗(yàn)之旅”。

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（欄目編輯? ? 廖伯琴）