顧建元

(江蘇省蘇州工業(yè)園區(qū)教師發(fā)展中心,江蘇 蘇州 215021)

物理學是一門實驗科學,實驗教學是培養(yǎng)學生物理學科核心素養(yǎng)的重要途徑，教學中創(chuàng)設貼近學生實際的情境化實驗,可更好地激發(fā)學生探究學習的激情,有效培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng),為學生的終身發(fā)展奠定基礎,充分發(fā)揮實驗教學的育人功能。

1 創(chuàng)新設計實驗情境,引導推理歸納,培養(yǎng)科學思維能力

物理概念的建構需要創(chuàng)設情境,物理規(guī)律的探究也需要創(chuàng)設情境。一方面可以創(chuàng)新教材實驗,讓實驗內容、實驗過程更加切合學生實際,引導學生沿著科學家的足跡經歷探究過程,有利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神；另一方面,可以創(chuàng)新問題情境,引導學生觀察現象、尋找證據、分析推理、得出結論,有利于培養(yǎng)學生的科學思維能力。

在探究“楞次定律”的教學中,教材中的探究性實驗是利用圖1所示裝置,將條形磁鐵的S和N極分別插入或拔出閉合線圈,通過觀察感應電流方向、線圈繞向、磁鐵的極性以及相對運動方向,從中找出它們之間的關系,再推理、歸納、總結出結論。在實際教學中發(fā)現,利用該實驗探究獲得楞次定律,無論在教學時間的安排上,還是在學生自主探究的效果上,都不盡人意；在尋找“感應電流的方向”與“磁通量變化”的關系時,學生更是無從下手,即便是教師按照教材中引入“中介”——感應電流的磁場,來進行啟發(fā)引導,學生也感到較難理解,不利于調動學生的探究熱情。

圖1

為此,筆者創(chuàng)新了實驗設計,根據“來拒去留”現象自制了如圖2所示的教具。通過簡化實驗環(huán)節(jié),降低探究難度,設計問題鏈,讓學生明確探究方向,引導學生對實驗現象進行質疑、分析、推理和歸納,較為順利地總結出楞次定律。

圖2

問題1：產生感應電流的條件是什么？

以此問題啟發(fā)學生循著磁通量變化方向思考。

問題2：如圖3所示,將強磁鐵插入線圈時,觀察到藍色二極管發(fā)光,且小車運動方向與磁鐵運動方向相同,則線圈中磁通量如何變化？如圖4所示,將強磁鐵較快地拔出線圈,觀察到紅色二極管發(fā)光,且小車運動方向與磁鐵運動方向相同,則線圈中磁通量又如何變化？

圖3

圖4

引導學生分析歸納得出：二極管發(fā)光表明有電流產生,雖然電流方向不同,但不管插入還是拔出磁鐵，其共性都是磁通量發(fā)生變化。

問題3：小車為什么會動起來？

引導學生分析得出：磁鐵插入時小車受到斥力,拔出時受到引力,從而判斷感應電流的磁場方向。

問題4：小車及線圈的運動對磁通量變化起什么作用？

引導學生把小車運動的這個“果”與磁通量變化這個“因”聯系起來。

問題5：能不能將上述兩種情形的結論統(tǒng)一起來,概括為普適的規(guī)律？

引導學生由兩個分立的結論,合并為普適的規(guī)律,培養(yǎng)學生由特殊到的推理能力。

教學實踐證明：以實驗情境為驅動、以發(fā)展思維為中心的實驗教學,更有利于學生掌握科學思維方法,提升學生的科學思維品質。

2 創(chuàng)新改造實驗情境,促進反饋創(chuàng)新機會,提升科學探究能力

科學探究是物理學科核心素養(yǎng)的重要組成部分,實驗教學需要教師創(chuàng)新改造實驗情境,創(chuàng)新實驗呈現方式,以過程為主線,引導學生深度探究,讓學生在過程體驗中感悟規(guī)律,在解決問題中體會科學方法,在“實踐——認識——再實踐——再認識”中內化知識,提高科學探究能力。

在“探究牛頓第二定律”實驗時,鑒于學生的知識基礎,教師通常直接告知學生本實驗為了便于測量小車受到的合外力,必須采取兩個必要措施：一是平衡摩擦力；二是實驗中必須保證小車質量遠大于鉤碼質量。滿足這兩個條件,可以認為小車所受合外力在數值上等于鉤碼所受重力。如此的實驗教學,學生對知識和規(guī)律的認識處于識記層級,不利于學生的科學探究能力的生長與發(fā)展。

在學習連接體之后，再回到此實驗，追問學生：為什么在該實驗中必須要平衡摩擦力,且滿足小車質量遠大于鉤碼質量？通過創(chuàng)意改新實驗情境,引導學生應用牛頓第二定律和連接體知識進行論證,幫助學生掌握知識、感悟方法,讓學生“知其然,知其所以然”,促進學生深度學習。

改造1：如圖5所示,裝置中小車A左端連接一紙帶并穿過打點計時器B的限位孔,右端用一輕繩繞過滑輪系于力傳感器C的下端,A、B置于水平放置的一端帶有定滑輪的足夠長的木板上，不計繩與滑輪的摩擦及滑輪的質量。實驗時,先接通電源再釋放小車,打點計時器在紙帶上打下一系列點。在保證小車A質量不變的情況下,通過改變P的質量來改變小車A所受的外力。用此實驗裝置來驗證牛頓第二定律是否需要平衡摩擦力？實驗時是否需要滿足小車質量遠大于P的質量？

圖5

改造2：在“探究加速度與物體受力的關系”實驗中,設計出如圖6所示的實驗方案。調節(jié)長木板的傾角,輕推小車,使小車能沿長木板向下做勻速運動；取下細繩和掛盤,記下掛盤中槽碼的質量m；先接通電源,再放開小車,在紙帶上打出一系列點,由紙帶求得小車的加速度a；重新掛上細繩和掛盤,改變掛盤中槽碼的質量,重復前面實驗步驟,求得小車在不同合外力F作用下的加速度。按上述方案做實驗,是否要求槽碼和掛盤的總質量遠小于小車的質量？

圖6

通過創(chuàng)新改造實驗情境和問題設計,避免了學生機械學習、死記硬背和思維定勢；同時,把傳感器應用到了中學物理實驗,簡化了實驗條件,讓學生體會科學技術的發(fā)展給人類的學習、生活、科研帶來了極大便利,也滲透了STSE教育理念。

3 創(chuàng)新自制實驗教具,樹立科學態(tài)度和責任

科學態(tài)度和責任也是物理學科核心素養(yǎng)的重要組成部分,高中物理教學中要十分重視對學生的科學態(tài)度與責任感的培養(yǎng),通過物理學習認識科學的本質,認識科學、技術、社會、環(huán)境之間的聯系,增強學生環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展的意識,提升其社會責任感，物理實驗教學是進行科學態(tài)度和責任培養(yǎng)的一種有效形式。在沒有現成實驗器材的情況下,教師通過研制直觀的實驗教具,把科學態(tài)度和責任的培養(yǎng)根植于物理實驗教學之中,是一種行之有效的策略。

例如,在“遠距離輸電”的教學中,我們利用自制教具形象直觀地模擬輸電線路中輸電導線電阻對輸電效率的影響和高壓輸電能減少電能損失的原理。圖7是不經變壓器升壓而直接輸電時小燈泡發(fā)光較暗的實驗效果圖。改用變壓器升壓后進行高壓輸電,小燈泡的亮度明顯變亮,說明用戶得到的電功率明顯變大,根據能量守恒定律，在輸電線路上損失的功率大大降低(圖8)。

圖7

圖8

基于學生平時做的實驗和練習,一般都不考慮導線的電阻對電路的影響。創(chuàng)設以上實驗情境,打破了學生的常規(guī)思維,引導學生具體問題具體分析,認識在電能輸送過程中導線的電阻對電能輸送產生的影響。同時,也讓學生體會到了日常生活中所蘊含的物理原理,幫助學生樹立實事求是、注重細節(jié)的科學態(tài)度,增強其關注生活、關注社會的社會責任感。

總之,為培養(yǎng)學生的物理學科核心素養(yǎng),應該讓學生在情境中經歷學習過程,在觀察、體驗、探究、質疑、感悟和論證中建構物理知識、掌握科學方法,內化為具有物理學科特性的價值觀念、必備品質和關鍵能力。通過創(chuàng)新實驗情境,激發(fā)學生的求知欲和創(chuàng)造潛能,提高科學思維能力,養(yǎng)成嚴謹的科學態(tài)度,強化學生的社會責任擔當,核心素養(yǎng)必將在知識與技能的習得過程得到提升。