核心素养背景下演示实验教学的重构

杜志刚

(山东省肥城市第一高级中学，山东 肥城 271600)

1 问题的提出

演示实验教学是培养物理核心素养的有效途径．物理实验教学对培养学生物理观念(物质观、运动观、能量观、相互作用观),科学思维(模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新),实验探究(问题、证据、解释、交流),科学态度与责任(科学本质、科学态度、科学伦理、STSE)等4个维度16个方面的核心素养都有重要促进作用．现实教学中,虽然物理教师普遍认识到物理实验教学的奠基性作用,但在实际教学实践中还是存在一些不足,例如,实验方案不够完善、实验过程按部就班走形式、实验现象不明显,实验与生活脱节,这些不足影响实验教学的效果,对整个物理教学造成一些不利影响,不利于培养学生核心素养．“高中物理实验在培养学生科学素养方面具有独特的地位和全方位的功能．但在实际的物理实验教学课堂上,经常可以看到仅仅满足于模仿、笔做、观看而忽视反思、体验、生成的现象．”[1]为此有必要对高中物理实验教学进行重构,从而改进教学效果,更好地服务于学生的学习,提升教学效率．实验教学的重构可以从完善实验方案改进实验效果、借助视频动画优化实验现象、丰富探究内容优化探究结果、避免实验教学程式化培养学生科学思维、将物理实验教学拓展到课外培养学生的实践意识等5个教学策略,实现实验教学的效果最优化,让核心素养的培养得到真正落实．

2 演示实验教学的重构策略

2.1 借鉴完善实验方案

教材上的实验方案是教学中学生分组实验或者演示实验的重要依据．教材中所给出的实验方案也是编者根据学生的知识基础、认知水平等综合考虑,反复斟酌．但教师在实验教学中要根据学生实际情况进一步完善实验方案、实验内容,让学生能够更好参与到实验中,达到优化实验教学效果,充分发挥实验教学促进学生动手、动脑的作用,让学生更好地通过实验掌握知识,形成物理观念,培养学生科学思维能力,实验探究能力．“物理实验是手脑并用的实践活动．教材中大量的演示实验和学生实验,我们不能采取简单的拿来主义,让学生照方抓药,机械操作．我们必须根据学校自身的教学资源,学生的认知水平,对教材提供的实验方案进行适当的重构或者改进．”[2]有的实验,按照教材上所给的实验操作,难度实在太大,学生几乎无法完成,为此教学中需要对实验方案进行重构、优化,降低实验操作难度,让更多学生都能够完成实验,达到更好的实验效果．

例如,在人教版、沪科版物理必修1中,研究滑动摩擦力时采用的实验方案的装置是一样的,如图1所示．在实验时,弹簧秤的读数要等于滑动摩擦力,物体就必须做匀速直线运动,然而在操作过程中要做到这一点非常不容易,一般情况下物体会做变速运动,弹簧秤读数忽大忽小．为了降低实验操作难度,教师在组织实验教学时候可以借鉴鲁科版教材的实验方案,对实验教学进行优化．鲁科版实验方案如图2所示．该方案的优点在于:从A下抽出B,无论B做什么运动,A都是静止的,保持平衡态,弹簧秤对A的拉力都等于B对A的滑动摩擦力．这大大降低实验操作难度,更多的学生能够完成实验．

图1

图2

2.2 利用视频动画优化实验现象

一些实验现象不明显,物理过程太快或太慢,太宏观或太微观,在物理课堂上不能演示,此时利用视频、动画突破时空束缚逼真模拟演示,让学生观看．虽然学生没有亲自动手,但实验视频或动画现象明显、可见度高、直观形象,学生认识会更清楚,理解会更透彻．这能给学生很好的学习体验,最大限度弥补了不能动手实验的缺憾．

例如,在光电效应的教学中,该实验成功的概率较小,而且实验中学生只能看到验电器张角的变化或者电流表G读数的变化,而为什么会这样需要教师进行详细准确的解释．解释、推理的过程学生会觉得抽象、枯燥,在教学中在让学生观察光电效应实验或实验视频后,给学生播放如图3所示的动画．通过动画演示,学生对光电效应现象、原理有了深刻理解．

图3

再如,原子核的衰变、裂变等不可能在实验室或教室完成,播放模拟动画能够加深学生的印象,深化学生对现象与知识的理解．

2.3 补充慢镜头辅助实验结果分析

物理上一些实验现象明显,操作简单,学生可以在教师的引导下完成．但实验过程很快,学生来不及详细观察实验现象就结束了.这会影响学生根据实验数据或现象分析得出正确的实验结果．为此,教师可以在学生实验之后,补充实验慢镜头,让学生通过观察慢镜头分析实验结论,慢镜头可以延长学生的观察时间,可以根据需要暂停,还可以在慢镜头上添加运动物体的轨迹或其他有助于学生理解的标记等,使得实验现象的呈现最优化,实验教学效益最大化．

例如,在研究平抛运动的实验中,需要通过实验得出可以将平抛运动等效成水平方向的匀速直线运动和竖直方向的自由落体运动．实验仪器简单,操作方便,学生都能完成,但却难以根据实验分析出结论,原因在于实验现象太快,教学中给出图4所示的实验视频慢镜头,让学生观察,即可快速得出正确结论．

图4

2.4 丰富实验探究素材优化探究结果

教学中经常需要列举生活实例、演示实验，然后归纳得出一般性的规律、特点．有时,教材所给的例子具有局限性,涉及范围不够广泛、不够典型,且所列举例子都是以文字、图片说明为主,教学中教师要想方设法开发演示实验将教材中的文字、图片变成实验过程,将不够典型的例子替换,并补充探究内容,丰富实验探究素材,让学生在探究中有更深刻的体验,让学生通过实验探究更好得出一般性结论．

以牛顿第三定律教学为例,教材上列举了手拉弹簧、推桌子、湖面上推船、地面上物体和地球相互吸引等例子说明物体间力的作用具有相互性．这些例子有如下3个不足: (1) 物体类型涉及面不够广泛,所有的例子都只涉及固体和固体间的相互作用; (2) 力的类型涉及面不够广泛,只涉及重力、弹力; (3) 地面上物体和地球相互吸引的例子不具有典型性,学生没有学习万有引力定律,很难理解,教师的解释也只能是灌输．如果根据这些例子得出结论“物体间的作用是相互的”,教学有以偏概全的不足,阻碍学生科学思维的培养,也会因为灌输式的讲授让学生缺失知识的建构过程,难以深入理解、切实掌握所学知识．为了改善教学效果,给学生提供更丰富的实验探究,积累更多的感性素材可以让学生完成图5—图9的实验．图5中甲乙两人拔河,一人站在滑板上,甲乙互相给对方拉力;图6中将硬纸板放在圆柱形铅笔上,电动玩具车置于纸板上,启动玩具车,车往前走纸板后退,车和纸板互相给对方摩擦力;图7中,启动玩具直升飞机,飞机上升,手明显感觉到气流向下,直升飞机与空气产生相互作用;图8中,弹簧秤下挂一个重物,记下读数,将重物放入台秤上的水中,弹簧秤读书变小,台秤读数变大,弹簧和重物,重物和水,水和容器,容器和台秤之间都产生相互作用;图9中给导体棒通电后,导体棒受到安培力运动,小车和磁铁向相反方向运动．

图5

图6

图7

图8

图9

在上述实验中,不同种类的物体(固体、液体、气体)之间,产生不同性质的力,重力、弹力、摩擦力、电磁力等．充分的实验探究可以让学生更容易得出、理解“物体之的作用总是相互的”这一结论,更有助学生形成物理观念,落实核心素养培养．

2.5 开展课外探究实验培养实践意识

实践意识属于核心素养“科学态度与责任”范畴,与科学本质、科学态度、科学伦理、STSE都联系密切,培养学生的实践意识可以有效落实核心素养的培养．教学中,加强物理与生活的联系,将物理教学内容、物理情景多与生产生活场景联系,多取材于学生生活,尤其是将与生活有关的实验延伸到课外．

物理实验探究延伸到课外常见的策略有如下两种： (1) 是将与生活联系密切的内容设置为课题让学生在课后进行研究和手工制作,例如学习完必修1之后,让学生进行课题“桥梁的研究”,具体内容包括:桥梁有哪些种类?为什么有这些不同的设计?建桥的材料及性能;自己设计并制作一个桥梁模型等．还可以,进行“各种汽车加速性能的对比研究”,“观察、分析自行车上增大和减小摩擦的做法”、“刹车时车轮抱死的利与弊”等课题的研究．[3](2) 将日常生活与物理探究实验有机融合．例如,在平抛运动的研究中,为了描述平抛运动的轨迹,除了可以利用实验室的设备,还可以利用饮料瓶和细管开发成实验装置,如图10(甲)所示，并让学生尝试用图10(乙)和图10(丙)的装置通过细水柱的形状来演示平抛运动的轨迹,比较3种情况的不同之处,并且解释为什么要采用图10(甲)的装置．最后,让学生思考图10(甲)与生活中什么情景相类似,体验该装置的优点．

图10