立足物理实验教学 落实学科核心素养

江苏省溧水中等专业学校(211200)

杨永和

实验教学

立足物理实验教学落实学科核心素养

江苏省溧水中等专业学校(211200)

杨永和

1 物理学科核心素养的内涵

高中物理课程是普通高中自然科学领域的一门基础课程，旨在进一步提升学生的物理核心素养，为学生的终身发展奠定基础。物理核心素养是学生在接受物理教育过程中逐步形成的适应个人终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力，是学生通过物理学习内化的带有物理学科特性的品质。其主要由物理观念、科学思维与创新能力、实验探究能力、科学态度与责任等4个方面的要素构成，如图1所示。

图1 物理学科核心素养的构成

物理是一门以实验为基础的学科，实验过程不仅能够让学生关注知识形成的过程，使学生真正理解物理知识结构，而且能够让学生深刻理解和反思物理概念和物理规律，形成物理观念，还可以提高学生的科学探究技能，培养学生的创新意识。总之，立足物理实验教学能有效促进物理学科核心素养的落实。

2 立足实验教学，落实学科核心素养的策略

2.1立足实验，培养学生的物理观念，促进学科核心素养养成

物理概念是物理核心素养的关键成分。通过学习物理帮助学生形成物理的物质观、运动观、能量观、相互作用观等概念，并能用其解释自然现象和解决实际问题。借助实验可以帮助学生透过物理现象理解深层次的物理规律，促进物理观念的形成。例如，凭学生的主观想象，如果向2张平行放置的纸片之间吹气，气流会把2张纸片分开。这样的想法是否正确呢？接下来，借助一个简单的实验加以验证。将2张纸片平行放置，纸片之间留有一定的间隙，用嘴向2张纸片中间吹气，引导学生观察实验现象。增大吹气的流速，观察纸片的变化。在实验时，可以清楚地观察到向纸片中间吹气，纸片不但没有被分开，反而相互靠拢，并且吹气的流速越大，纸片靠得越紧。

通过实验让学生明白，在分析问题时，不能仅考虑事物的表面现象，而要运用所学的物理知识分析现象后面隐藏的规律及其实质，要学会使用正确的物理思维方法解释物理现象，进而解决实际问题。

2.2立足实验，培养学生的实验探究能力，促进学科核心素养养成

实验探究能力是物理核心素养中最关键的构成要素，也是较难培养的一种能力。其要求学生具有科学的探究意识，能发现问题，提出合理猜测；具有设计实验探究方案和获取证据的能力，能正确实施实验探究方案，使用各种科学手段和方法收集信息；具有分析论证的能力，会使用各种方法和手段分析、处理信息，描述、解释实验探究结果和变化趋势；具有合作与交流的意愿与能力，能准确表述、评估和反思实验探究过程与结果。

以探究胡克定律实验为例，谈谈怎样通过物理实验培养学生的深度探究能力，促进其学科核心素养养成。

2.2.1 巧妙地发放实验器材，为学生深度探究做准备

在胡克定律宾探究实验中巧妙地准备实验器材，给学生发放几种不同型号的弹簧和几种不同质量的钩码，为学生开展探究实验做准备。

2.2.2 巧妙地利用问题串，引导学生深度探究

实验器材发放到位后，借助问题串引导学生通过自主设计实验并进行探究。要求学生完成实验后，认真记录实验数据，并按要求对实验数据进行处理。

首先，改变所挂钩码的数量，重复进行实验，并把实验数据记入表1中。

表1 实验数据记录表

注意：①实验时不要超过弹簧的弹性限度；②本实验要求定量测量，因此要尽可能减小误差。

其次，引导学生根据实验数据做出F-x图像，观察F-x图像的特征，并计算出图线的斜率。

最后，教师引导学生对实验结果进行分析。

教师：请大家观察、分析所作F-x图像有什么特征？

学生：一条倾斜的直线。

教师：说明F与x存在什么样的关系？

学生：说明F与x成正比。

教师：在弹性限度内，弹簧受到的弹力跟弹簧变化的长度成正比。斜线的斜率就是弹簧的劲度系数

2.2.3 巧妙地利用实验数据，启发学生深刻理解规律

接下来，看看直线斜率的大小跟哪些因素有关？此时，教师在全班同学中选择表2～4中的3组数据及其图像(见图2、3)，通过实物投影向学生展示。

表2 利用弹簧一实验所得数据

表3 利用弹簧二实验所得数据

表4 利用弹簧三实验所得数据

图2 F-x图像1

图3 F-x图像2

教师引导学生对以上3组实验数据进行分析比较：弹簧一与弹簧二型号相同，但是所挂钩码的质量不同，受到不同的拉力，因而弹簧的伸长量不一样。但是，图像的斜率是一样的，都是0.625 N/cm。说明弹簧的劲度系数与弹簧受到的弹力大小无关，与弹簧的型号有关。弹簧一和弹簧三的型号不同，受到的拉力相同，弹簧的伸长量不同，图像的斜率也不一样，弹簧一图像的斜率是0.625 N/cm，弹簧三图像的斜率为0.25 N/cm。说明弹簧的劲度系数与弹簧的种类(型号)有关。

利用这种方式教学，没有添加任何新的实验器材，而让实验器材更大限度地发挥了其作用，为学生的深度探究提供了保障。精心设计的问题串能层层递进式地引导学生进行深度探究。教师巧妙地引导学生将全班学生的实验数据进行比较、分析，自然而然地得出弹簧的劲度系数只跟弹簧本身的性质有关，而不是把实验结论强塞给学生，让学生机械地记忆。这样的教学既能培养学生科学探究的意识，又能培养学生设计实验探究方案和获取实验数据的能力，从而正确实施实验探究方案，准确表述和反思实验探究过程与结果。

2.3立足实验，培养学生的科学思维，促进学科核心素养养成

科学思维是物理核心素养中的重要构成要素，要求学生能正确使用物理思维方法，从定性和定量两个方面进行科学推理、找出规律、形成结论。完成物理实验需要透过现象看到本质，让学生的科学思维能力得到充分的锻炼。比如在完成探究感应电流的产生条件实验时，在培养学生各项操作技能的同时，还能培养学生利用信息化手段分析问题的能力。通过实验学生发现：磁极插入螺线管时产生感应电流；磁极拔出螺线管时也产生感应电流；当磁极静止不动时不产生感应电流。

为了帮助学生探索实验现象背后隐藏的物理规律和实质，我们利用信息化手段将假想的磁感线模拟出来，形象地展现在学生面前，为学生探究感应电流产生条件的规律提供帮助。为了引导学生自主通过实验现象分析得出物理规律，指导学生借助思维导图进一步分析：磁极插入或拔出的过程中都会产生感应电流，它们的共同点是穿过闭合导体回路的磁通量都发生了变化。磁极静止不动时磁通量没有发生变化，也就无法产生感应电流。最终得出结论：产生感应电流的条件是穿过闭合导体回路的磁通量要发生变化。

在实验过程中，引导学生使用各种手段和方法收集信息，并采用适当的方法分析、处理信息，描述、解释实验探究结果和变化趋势，促进他们核心素养的养成。

2.4立足创新实验，培养学生的创新能力，促进学科核心素养养成

创新能力也是物理核心素养的关键构成要素之一，经过“二次开发”，物理实验不仅能培养学生的实验技能，更能有效培养学生的创新能力。由于“密度的测量”实验涉及的实验方案众多，不同的实验方案所用的器材不同，不同的实验方案测量的难易程度不同，不同的实验方案实验误差不一样。现以测量物体的密度为例，说明如何通过对课本中的实验进行创新，来提升学生的学科核心素养。

2.4.1 改用天平测固体的密度，减小实验误差

如果被测物体不溶于水，可先用天平测出其在空气中的质量M。再用细线将被测物体悬挂在水中(被测物体全部浸入水中)称量，如图4所示，测出其在水中的质量m。已知水在当时温度下的密度为ρ水，物体体积为V。

图4 测量物体的密度实验示意图

根据阿基米德定律有：

Vρ水g=(M-m)g

变形可得：

得出：

2.4.2 改用天平测液体的密度，提高学生解决问题的能力

先用天平称出一固体(该固体与水和被测液体不能发生化学反应)在空气中的质量mo，然后用细线将固体悬挂在水中(固体全部浸入水中)，测出其在水中的质量M。再用细线将固体悬挂在待测液体中(固体全部浸入液体中)，测出其在待测液体中的质量m。已知水在当时的温度下的密度ρ水，固体体积为V。

根据阿基米德定律：

(mo-M)g=Vρ水g

(1)

(mo-m)g=Vρ液g

(2)

由(1)、(2)两式可得：

在用此方法测量液体密度时，只要测出固体在3种环境下的质量mo、m、M，代入上式就可精确算出待测液体的密度。

通过改变实验的思路，用常见的天平就能方便、准确地测出液体的密度，激发了学生的发散性思维，培养了学生解决问题的能力。

2.4.3 改用天平测气体的密度，克服常规实验手段的弊端

先用天平称出一固体在空气中的质量m和在待测气体中的质量m气。然后用细线将它悬挂在水中(全部浸入水中)，读出其在水中的质量m水。再用细线将其悬挂到某种已知密度的液体中(固体全部浸入液体中)，读出其在该液体中的质量m液。已知水在当时温度下的密度ρ水，液体在当时温度下的密度ρ液，固体体积为V。

根据阿基米德定律：

(m-m水)g=Vρ水g

(3)

(m-m液)g=Vρ液g

(4)

(m-m气)g=Vρ气g

(5)

由(3)、(4)两式可得：

m液-m水=V(ρ水-ρ液)

再与(5)式联立，可得：

采用此法测量气体密度，不需要直接测量出气体的质量，而只要测出固体在不同环境下的质量就可以算出气体的密度。

2.5改用弹簧秤直接测不规则固体的密度，提高实验的可操作性

设有质量为m，体积为V，密度为ρ的一个物体，假设该物体在空气中的重力为G，物体完全浸没在水中时弹簧秤的读数为G水。根据阿基米德定律可知：

Vgρ水=G-G水

变形可得：

得出：

如果水的密度以g/cm3为单位，那么，测出物体在空气中的重力及物体浸没在水中时对弹簧秤的拉力，就能求出待测液体的密度。

2.6立足实验，培养学生的科学态度，促进学科核心素养养成

科学态度是物理核心素养的关键构成。其要求学生能正确认识科学的本质；具有学习和研究物理的好奇心与求知欲，实事求是，不迷信权威。物理实验是最能激发学生学习兴趣，培养学生实事求是的科学态度的教学活动。比如在完成探究牛顿第三定律实验时，为了培养学生实事求是的科学态度，进行本课教学时让学生通过一系列的实验探究两个不同物体之间的作用力与反作用力满足的规律。首先，教师启发学生通过自主设计的实验探究两个大小相等的物体之间作用力与反作用力的关系，通过实验探究，学生得出结论：发生在两个大小相等的物体之间的作用力与反作用力大小相等、方向相反、作用线在同一直线上。为了验证此规律是否满足一般性，接着教师提出发生在两个大小不相等的物体之间作用力与反作用力满足怎样的关系呢？启发学生通过自主设计的实验探究两个大小不相等的物体之间作用力与反作用力的关系。通过探究，学生得出相同的结论：发生在两个大小不相等的物体之间的作用力与反作用力也是一对大小相等、方向相反且作用线在同一直线上的相互作用力。为了进一步验证规律的客观性，教师再次提出：如果两个物体是运动的，那么它们之间的作用力与反作用力又满足怎样的关系呢？教师再启发学生通过自主设计实验探究处于运动状态的两个物体之间作用力与反作用力的关系。通过探究，学生得出了相同的结论。由此说明，为了验证一个规律是否满足一般性，要从多个不同的方面加以验证，不能以偏概全。

总之，一个实验只有实验目标是确定的，而实验的原理、实验方法及步骤都可以是灵活多变的。只有将各种实验思想灵活地综合运用和创造性地发挥，才能达到理想的教学效果。教师要对课本中的实验进行创新，引导学生从不同的角度来思考物理问题，认识物理规律，拓宽学生解决问题的思路，培养学生的科学思维能力和解决实际问题的能力，有助于学生学科核心素养的养成。

2017-08-02