楊定容

［摘 要］文章論述了基于核心素養(yǎng)的微實驗開發(fā)與應(yīng)用，彌補了教材實驗資源的不足，引起了學(xué)生強烈的認知沖突，激發(fā)了學(xué)生探究問題的欲望。在實際教學(xué)中，微實驗?zāi)苁钩橄笾R變得形象直觀，從而有效突破教學(xué)重難點，為學(xué)生高階思維的培養(yǎng)提供“外援”性幫助。

［關(guān)鍵詞］微實驗；核心素養(yǎng)；實驗探究

［中圖分類號］? ? G633.7? ? ? ? ［文獻標識碼］? ? A? ? ? ? ［文章編號］? ? 1674-6058（2023）20-0061-04

在高中物理教學(xué)中，取材方便、現(xiàn)象明顯且能切中教學(xué)要點的微實驗深受廣大師生的歡迎。教師借助微實驗的開發(fā)與應(yīng)用，能夠為學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計更多結(jié)合現(xiàn)實生活的情境。這些情境可以增加學(xué)生的感性認識，同時還可以調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)物理的積極性。在實際教學(xué)中，教師整合微實驗資源、設(shè)計微實驗方案能夠有效突破實驗教學(xué)難點，提升學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

一、基于核心素養(yǎng)開發(fā)微實驗的原則

《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標準》）的實施建議”中明確指出，要利用日常用品改進實驗或開發(fā)新實驗，實驗課程資源不僅限于實驗室現(xiàn)有的儀器和設(shè)備，日常用品、廢舊材料也是重要的實驗室資源［1］。特別指出“利用日常用品和材料作為實驗材料，可使實驗現(xiàn)象更明顯、直觀”。這樣，可使學(xué)生擁有更多親歷實驗演示和動手做實驗的機會，可以培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的實驗技能和實踐能力。在實際教學(xué)過程中，高中物理微實驗的開發(fā)應(yīng)遵循以下三個原則。

（一）實用性原則

物理微實驗器材的選擇應(yīng)秉持簡潔實用的原則，所用器材的原材料應(yīng)盡量來源于日常生活或者是實驗室的常見器材，這樣取材容易，教師和學(xué)生隨時隨地都可進行實驗探究。

（二）啟發(fā)性原則

利用常見材料開發(fā)微實驗，用于課堂教學(xué)或者學(xué)生課后探究，對提升學(xué)生的核心素養(yǎng)要有啟發(fā)性，不要讓學(xué)生只是關(guān)注表面的實驗現(xiàn)象，應(yīng)要啟發(fā)學(xué)生對實驗現(xiàn)象背后的本質(zhì)原因進行深入探究。

（三）創(chuàng)新性原則

物理微實驗的開發(fā)要具有一定的創(chuàng)新性，通過創(chuàng)新設(shè)計新的實驗，以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識。

二、基于核心素養(yǎng)開發(fā)微實驗的意義

（一）開發(fā)微實驗，補充現(xiàn)有實驗資源

受原有實驗室資源短缺或者環(huán)境等因素的影響，教材上的有些實驗難以成功演示或者演示現(xiàn)象不明顯，教師在工作之余，適當開發(fā)一些實用的微實驗，在課堂上演示或者讓學(xué)生分組實驗，可增強物理教學(xué)實效。

（二）應(yīng)用微實驗，引發(fā)學(xué)生的認知沖突，激發(fā)學(xué)生的探究欲望

新課標重視對學(xué)生科學(xué)探究素養(yǎng)的培養(yǎng)，因此，在教學(xué)過程中教師要關(guān)注核心素養(yǎng)目標的落實。為此，在實際教學(xué)中教師應(yīng)注意創(chuàng)設(shè)合適的情境，增加學(xué)生對物理現(xiàn)象的感性認識，提出學(xué)生感興趣的待解決的問題，啟發(fā)學(xué)生思維，提升學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性。讓學(xué)生在教師的引導(dǎo)下遷移所學(xué)知識方法開展探究，提升學(xué)生的抽象概括能力，幫助學(xué)生形成物理觀念或總結(jié)物理規(guī)律。實踐表明，學(xué)生處于適度的認知沖突中應(yīng)用學(xué)習(xí)的動力最強［2］。通過微實驗，學(xué)生能夠親身感受真實的問題，引發(fā)認知沖突，自發(fā)地發(fā)現(xiàn)問題、提出問題，進而激發(fā)學(xué)生解決問題的原始內(nèi)驅(qū)力，激發(fā)學(xué)生建構(gòu)物理概念和探究物理規(guī)律的欲望，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。

（三）應(yīng)用微實驗，化抽象為形象，有效突破教學(xué)難點

高中物理知識難度較大，學(xué)生不容易理解掌握，在核心素養(yǎng)導(dǎo)向下，需要培養(yǎng)學(xué)生的高階思維。而學(xué)生高階思維的培養(yǎng)不是一蹴而就的，需要在日常教學(xué)中螺旋上升。因此，在日常教學(xué)中教師需要開發(fā)一些微實驗，為學(xué)生高階思維的培養(yǎng)提供幫助，使抽象的知識更加形象，從而突破教學(xué)難點。

三、基于核心素養(yǎng)的微實驗案例分析

案例1.“光的衍射”

在“光的衍射”一節(jié)中，根據(jù)生活經(jīng)驗，學(xué)生對“光沿直線傳播”的觀念根深蒂固，要讓學(xué)生的觀念轉(zhuǎn)變?yōu)椤肮馐且环N波”是本節(jié)課的難點。教材是用可調(diào)單縫裝置演示縫寬對衍射現(xiàn)象的影響。不少學(xué)校沒有可調(diào)單縫裝置或者可調(diào)單縫裝置不足，這樣會影響教師的演示實驗或者學(xué)生的分組實驗。

為了彌補實驗資源的不足，教師可用常見的牙簽和長尾夾開發(fā)如圖1所示的微實驗裝置。

如圖1所示，使兩根牙簽豎立形成一個從上到下、從寬到窄的狹縫，便可替代可調(diào)單縫裝置。

（1）讓激光通過狹縫的上部，這樣可以在屏上看到一個明暗相間的條紋，中間的亮紋比較寬，旁邊的亮紋比較窄一些。然后將激光往下移動，當狹縫比較窄時，可看到中間的亮紋比較寬。這樣可得到：光照射上面比較寬、下面比較窄的狹縫時，就能比較直觀地得到縫寬對衍射現(xiàn)象的影響，即縫越寬，中間亮紋越窄；縫越窄，中央亮紋越寬，衍射現(xiàn)象越明顯。

（2）教材中只展示了紅光的衍射現(xiàn)象，沒有呈現(xiàn)不同顏色的光的衍射現(xiàn)象，這不利于學(xué)生得到光的波長可以影響衍射現(xiàn)象的結(jié)論。可讓紅色激光和綠色激光通過同一個狹縫，然后在屏上固定一把直尺，通過定量比較中間亮紋的寬度，得出不同波長的光通過衍射所得中央亮紋寬度不同。實驗發(fā)現(xiàn)，紅光通過狹縫后中央亮紋的寬為10 mm，而綠光通過同一個狹縫中央亮紋只有7 mm，學(xué)生可以直觀定量比較兩種顏色的光中央亮紋的寬度：紅光的中央亮紋比綠光的寬。通過實驗可得：波長越長，中央亮紋越寬，衍射現(xiàn)象越明顯。

利用身邊常見的物品制作微實驗裝置，不僅解決了實驗資源不足的問題，還讓學(xué)生感到物理實驗不是只能用精密的儀器才能完成，利用身邊的物品也可進行實驗探究。有的微實驗取材方便易得，實驗現(xiàn)象明顯，拉近了物理學(xué)習(xí)與生活的距離，激發(fā)了學(xué)生的探究欲望。

案例2.“靜電現(xiàn)象的應(yīng)用”

學(xué)生對看不見摸不著的抽象的“場”認知比較模糊，對靜電現(xiàn)象的相關(guān)應(yīng)用了解較少。在傳統(tǒng)的物理課堂教學(xué)中，一般通過播放高壓電擊裝有人的鐵籠，而人卻安然無恙的視頻引入課堂教學(xué)，雖然該視頻十分震撼，但學(xué)生依然認為該實驗像是魔術(shù)，是假實驗，學(xué)生又不能現(xiàn)場體驗，因此，內(nèi)心不能完全接受，這樣教學(xué)效果不理想。

在實際教學(xué)中，教師可以利用收音機、玻璃罩、金屬籠等實驗室中常見的器材制作微實驗，通過對比引入新課。

提出問題：分別將玻璃罩與金屬籠放置在收音機上，哪種方式對收音機接收信號的影響較大？

教師演示：調(diào)節(jié)收音機，使其發(fā)出清晰的聲音，先放上密不透風(fēng)的玻璃罩。

現(xiàn)象：發(fā)現(xiàn)收音機的音量雖有減小但聲音仍然清晰。

教師演示：換用帶有孔洞的金屬籠罩，將金屬籠罩在收音機上。

現(xiàn)象：金屬籠罩放上的一瞬間，收音機發(fā)出的聲音立即由清晰的聲音變?yōu)殡s亂的電流聲。

通過該實驗發(fā)現(xiàn)：帶有孔洞的金屬籠罩比密不透風(fēng)的玻璃罩對收音機接收信號的影響更大，有別于一般課堂中利用視頻引入教學(xué)，該引入實驗與常規(guī)認知沖突的實驗現(xiàn)象，讓學(xué)生更加真實地感受實驗現(xiàn)象，從而激發(fā)學(xué)生的求知欲。

通過上面的對比實驗，有效引發(fā)了學(xué)生的認知沖突，激發(fā)了學(xué)生的探究欲望。本節(jié)課需要學(xué)生掌握以下兩個知識點：一是處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體內(nèi)部電場處處為零；二是處于靜電平衡的導(dǎo)體是個等勢體，其表面是一個等勢面。針對這部分內(nèi)容，教材利用了不規(guī)則導(dǎo)體的電場分布圖進行說明，理論分析具體，但缺少一定的實驗佐證。教材所涉及的相關(guān)實驗也僅僅對靜電平衡狀態(tài)下導(dǎo)體內(nèi)部電場處處為零進行驗證，為下一步提出靜電屏蔽做鋪墊，但在該實驗的實際演示中我們發(fā)現(xiàn)其實驗現(xiàn)象極易受天氣影響，演示效果大打折扣，學(xué)生對該部分內(nèi)容也感到十分困惑。為此，可利用自制的微實驗進行實驗探究，將抽象的理論知識轉(zhuǎn)化為形象的演示現(xiàn)象。

將電子起電機與正對的兩片金屬鋁板連接，兩板之間產(chǎn)生近似的勻強電場，利用自制的驗電羽代替驗電器，這樣更有利于學(xué)生觀察實驗現(xiàn)象。

首先打開電子起電機的開關(guān)使兩板帶電，發(fā)現(xiàn)驗電羽張開，說明兩板之間存在電場，接下來放上金屬籠罩，發(fā)現(xiàn)金屬籠罩放上的一瞬間驗電羽立即閉合，說明金屬籠罩內(nèi)不存在電場?？梢远ㄐ缘氐贸鲈搶嶒灲Y(jié)論：導(dǎo)體內(nèi)部電場處處為零。

利用該實驗進行深入探究。由于學(xué)生已經(jīng)學(xué)過兩平行金屬板之間可以產(chǎn)生近似的勻強電場，也知道沿電場線方向電勢不斷降低，因此教師可以引導(dǎo)學(xué)生利用電場和電勢之間的關(guān)系設(shè)計實驗，證明處于靜電平衡的導(dǎo)體內(nèi)部電場處處為零。通過沿空間某一方向移動探針的過程中電勢是否發(fā)生變化判斷空間中該方向是否存在電場，因此測電勢成為該實驗中非常重要的一環(huán)，但由于電勢具有相對性，測量起來仍存在一定的困難，對此教師可引導(dǎo)學(xué)生轉(zhuǎn)換測量對象。將測電勢轉(zhuǎn)化為測電勢差，那么就需要一個測量電勢差的工具——靜電計。可將靜電計的外殼接地并連接負板，與內(nèi)部指針相連的金屬球連接帶探針的導(dǎo)線，觀察探針在金屬板間移動的過程中靜電計指針的偏轉(zhuǎn)情況。具體可進行如下實驗探究。

［微實驗一］探究靜電平衡導(dǎo)體內(nèi)部電場處處為零。

實驗：探針靠近金屬板正極板處，接通電子起電機電源，待靜電計指針偏轉(zhuǎn)角穩(wěn)定后，沿電場線方向水平移動探針。

現(xiàn)象：在移動探針的過程中，靜電計指針的偏轉(zhuǎn)角不斷減小。

結(jié)論：探針在移動過程中兩板之間的電勢差在不斷減小，沿著水平方向電勢在不斷降低，說明兩板間確實存在水平方向的電場。

實驗： 在電場里放上金屬籠，將探針放置在金屬籠內(nèi)部，待靜電計指針偏轉(zhuǎn)角穩(wěn)定之后，重復(fù)剛才水平路徑移動探針。

現(xiàn)象：在移動探針的過程中，靜電計指針偏轉(zhuǎn)角幾乎不發(fā)生變化。

結(jié)論：探針在移動過程中兩板之間的電勢差不變，沿水平方向電勢不變，說明處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體內(nèi)部電場處處為零。

評析：通過微實驗探究，可將教材中的定性實驗變?yōu)榘攵刻骄繉嶒?，這樣更符合學(xué)生的認知規(guī)律，從而有效提升學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

［微實驗二］探究靜電平衡導(dǎo)體是等勢體，導(dǎo)體表面是一個等勢面。

實驗：探針放置在金屬籠內(nèi)任意位置處，待靜電計指針偏轉(zhuǎn)穩(wěn)定后，將探針在金屬籠內(nèi)各處移動，觀察靜電計指針的偏轉(zhuǎn)情況。

現(xiàn)象：靜電計指針偏轉(zhuǎn)角幾乎不變。

實驗：探針放置在金屬籠上沿任意路徑移動，觀察靜電計指針的偏轉(zhuǎn)情況。

現(xiàn)象：整個移動過程中，靜電計指針偏轉(zhuǎn)角幾乎不動。

結(jié)論：處于靜電平衡的導(dǎo)體是一個等勢體，表面是一個等勢面。

評析：通過微實驗探究，可將教材中的定性實驗變?yōu)榘攵刻骄繉嶒?，將抽象的理論分析轉(zhuǎn)化為形象的實驗演示，從而引導(dǎo)學(xué)生從感性與理性的不同角度得到物理規(guī)律，這樣更符合學(xué)生的認知規(guī)律，從而有效落實課堂教學(xué)對學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

有效整合實驗室已有的儀器，設(shè)計新的微實驗裝置，以及對資源的再開發(fā)與應(yīng)用，充分發(fā)揮了教師和學(xué)生的創(chuàng)造性，培養(yǎng)了學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。

案例3.“探究感應(yīng)電流產(chǎn)生條件”

本節(jié)課需要讓學(xué)生探究得到感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件：只要穿過閉合回路的磁通量發(fā)生變化，閉合電路中就會產(chǎn)生感應(yīng)電流。

本節(jié)課的難點是如何讓學(xué)生從初中已有“切割”思想轉(zhuǎn)變?yōu)榇磐康淖兓?/p>

教材通過以下兩個實驗探究感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件。首先，當條形磁體插入、撥出線圈時，觀察線圈中是否產(chǎn)生感應(yīng)電流。其次，通過閉合、斷開引起感應(yīng)電流電路的開關(guān)或者改變電路中滑動變阻器的電阻，觀察線圈中是否產(chǎn)生感應(yīng)電流。教材實驗，無論是磁鐵的插拔，還是電流的調(diào)節(jié)，都歸結(jié)到磁感應(yīng)強度的變化上，分析情景單一，而且實驗連線耗時、電路復(fù)雜，連接電路就給學(xué)生帶來很大的困難，學(xué)生的關(guān)注點不容易放在對實驗現(xiàn)象的分析上，難以突破教學(xué)難點。

在此基礎(chǔ)上，使用兩板間可視為勻強磁場的電磁感應(yīng)演示器，通過設(shè)計系列微實驗探究線圈中是否有感應(yīng)電流產(chǎn)生。

［微實驗一］切割磁感線運動沒有感應(yīng)電流。

實驗：讓線圈在磁場中水平運動。

現(xiàn)象：沒有感應(yīng)電流產(chǎn)生。

結(jié)論：說明切割磁感線不是產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件。

評析：通過該微實驗學(xué)生發(fā)現(xiàn)：閉合回路導(dǎo)體切割磁感線并不是產(chǎn)生感應(yīng)電流的充要條件。顛覆了學(xué)生的初中認識，形成了強烈的認知沖突，有利于思維進階。那么是否初中所學(xué)的知識就是錯誤的呢？提出問題：什么才是產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件呢？為后續(xù)的探究做好鋪墊。

［微實驗二］面積S不變，B改變，有感應(yīng)電流。

實驗：讓線圈垂直放置在磁場中，通過改變電磁感應(yīng)演示器電流的大小，從而改變磁感應(yīng)強度B的大小。

現(xiàn)象：有感應(yīng)電流產(chǎn)生。

評析：打破切割與產(chǎn)生感應(yīng)電流之間的聯(lián)系，并讓學(xué)生初步了解感應(yīng)電流的產(chǎn)生與磁場變化有關(guān)。

［微實驗三］B不變，面積S變化 ，有感應(yīng)電流。

實驗：利用自制的折扇線圈垂直放置在磁場中，保持磁感應(yīng)強度B不變，通過開關(guān)扇子改變線圈的面積。

現(xiàn)象：有感應(yīng)電流產(chǎn)生。

評析：讓學(xué)生對“切割”前概念的認知進階為對“閉合回路面積”的理解，進一步認識到感應(yīng)的電流與面積變化有關(guān)。

運用控制變量法探究B或S變化時會產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流生于“變”之時。

提出問題：改變B或S一定會產(chǎn)生感應(yīng)電流嗎？

［微實驗四］B變化，S不變，無感應(yīng)電流。

實驗：如圖2所示是用蹄形磁鐵自制的微實驗裝置。將卷筒紙固定在蹄形磁鐵的中心軸線上，把線圈套在透明膠框架上并加以固定，把線圈套在卷筒紙上，并接入靈敏電流計，讓線圈沿著卷筒紙上下移動，注意觀察電流計指針是否偏轉(zhuǎn)。

現(xiàn)象：并無感應(yīng)電流。

提出問題：為什么沒有感應(yīng)電流呢？

引導(dǎo)學(xué)生畫出如圖3所示的穿過線圈的磁感線。

學(xué)生發(fā)現(xiàn)：磁場雖然變化了，但磁感線穿進又穿出，等效于沒有穿過回路，而磁感線的條數(shù)表示磁通量。因此，沒有感應(yīng)電流，本質(zhì)在于磁通量不變。

評析：經(jīng)過系列微實驗操作后，學(xué)生不難歸納得出：之前的實驗改變B或S會產(chǎn)生感應(yīng)電流，本質(zhì)是磁通量變化。因此，從磁通量變化的角度得出本節(jié)課的教學(xué)難點：感應(yīng)電流產(chǎn)生的一般性條件——穿過閉合回路的磁通量發(fā)生變化。

利用身邊的物品和實驗室中的一些儀器組合開發(fā)微實驗，不僅能讓資源的利用率最大化，還能使抽象的知識形象化，進而突破教學(xué)難點，讓學(xué)生在日常教學(xué)中也可以進行實驗探究，另外，還可以有效提升學(xué)生的核心素養(yǎng)。

隨著新課改的推進，開發(fā)并利用微實驗，創(chuàng)設(shè)更貼近學(xué)生生活的教學(xué)情境，可有效提升教學(xué)質(zhì)量。為此，教師在平時的教學(xué)或生活中，應(yīng)注重搜集相關(guān)素材，開發(fā)更多的微實驗。

［? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?］

［1］? 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準：2017年版2020年修訂［S］.北京：人民教育出版社，2020.

［2］? 劉建浩.基于情境認知與學(xué)習(xí)理論的教學(xué)設(shè)計：圓周運動［J］.物理教師，2019（7）：31-33.

（責(zé)任編輯 易志毅）