高中物理dis实验与落实物理学科核心素养的融合和冲突

周洪

摘 要：高中物理课程标准（2017版）提出了培养学生的物理核心素养，需要学生内化物理学习能力，形成科学思考习惯，成为真正的学习者，终身受益。而高中物理教育贯彻始终的是实验教育和逻辑教育，dis实验是实验教育的一个方向。本文中思考了dis实验和核心素养的融合和冲突，在新的要求和新的实验方向下，如何让两者统一起来？如何让dis实验为落实核心素养做出最大的贡献？文章从核心素养的四个要求与dis实验的碰撞中找到一些答案。

关键词：物理核心素养;dis实验;融合;冲突

关于中国科学发展有个著名的“李约瑟难题”，说的是拥有四大发明的文明古国为何在近代科技的发展上远远落后于世界。爱因斯坦曾经回答过这个问题，他认为西方科学的发展是以两个伟大的成就为基础，一是严谨的逻辑体系，二是系统的实验，用逻辑和实验两种武器来解答人们对于“为什么”的思考，而中国两者都欠缺，真是一针见血，但是中国的物理教育观念正在发生改变，一是提倡培养学生的核心素养，用物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任四个方面来育人，让学生不仅要学会知识，还要发展能力。二是关于实验这个非常重要的科学武器正在大力改进，dis实验就是一件新武器。下面就讲讲dis实验与落实物理学科核心素养之间的关系。

一、 认识核心素养和dis实验

1. 什么是物理核心素养？物理核心素养是学生在接受物理教育时逐步形成的正确价值观念、必备品质和关键能力。是学生在学习中内化了的带有物理学科特点的品质。通俗点讲，就是如果物理知识都忘了，学生还剩下的东西。也就是学过物理的学生与没学过的学生相比多了些什么。

2. 什么是dis实验？（digital information system）用20世纪前沿科技作为技术理论支撑，具有较高科技含量的设备。主要元件有：传感器、数据采集器、计算机和应用软件。

A、传感器。常用的有力、位移、温度、光、压强、电压、电流等的物理传感器。

B、数据采集器。与电脑连接，输入传感器数据。

C、应用软件。能处理信息，采用多种函数得到结论。如图1。

Dis实验设备能快速、准确、动态的采集实验信息，由应用软件分析处理，并在电脑上实现各种方式的显示。

二、 核心素养和dis实验的融合

（一） dis实验能帮助学生准确的形成物理观念

物理观念是学生对于这个世界物理学视角的认知。给结论，仅仅是知识的重现，学生学到的只是“是什么？”，而不是“怎么来的？”，也不会知道“怎么去的？”“能去到哪里？”。核心素养的要求告诉我们，要进行知识的重演，把知识真正转化为解决问题的能力和智慧。知识的重演过程不仅需要逻辑的推导，还需要实验的探究或者验证。比如平抛运动的竖直方向上的分运动是自由落体运动这个观念，采用“运动的分解”这个物理思维可以得到结论，接下来是眼见为实，但是由于实验装置的限制，以前往往只能进行定性的研究，比如去比较平抛运动和自由落体运动的同时性，如果学生有疑问，是不是只是时间上的相同呢？位移？速度？加速度？又如何？dis实验就能帮助我们进行定量的验证。如图2。

图中的位移传感器能幫助得到平抛运动的二维轨迹，并能用函数计算出竖直方向的速度、加速度，做到真正的定量研究，有了dis实验的帮助，学生对于位移、速度、加速度在一维、二维甚至三维情况下的定量求解和验证会有更多的手段和信心，原来是这样的运动啊！那么其他的运动是不是也能去想办法探究？观念更准确了，能去的地方更多了。更重要的是，体会到了科学是怎样研究的：科学观念的形成不仅需要推理，更加需要证据，这就是核心素养的第二部分，科学思维。

（二） dis实验为科学思维的形成做出的贡献

核心素养告诉我们，从物理学视角去认识世界，既是基于经验构建物理模型的抽象概括过程，也是基于证据对世界提出质疑和批判、检验和修正的过程。物理教育过程中，其实还是有很多“证据不足”的认识过程的，又苦于实验手段的落后，无法进行准确的、形象的认知。而有了dis实验，大大扩展了我们认识世界的方法。比如研究通电螺线管的磁感应强度，教师只能说螺线管内部是匀强磁场，外部则离螺线管越远磁场越弱，但是，学生可能会问：证据呢？或者根本不会问，因为老式的实验手段告诉我们，问也是白问。现在通过dis，如图3。

通过磁传感器的探针探测过程，把通电螺线管的内部磁场分布形象地展示出来，把证据摆在面前，更把科学的思维内化，我们需要证据。学生在用科学思维研究过程中，谁形成磁场？磁场是种什么样的东西？从哪种最简单的磁现象开始研究？用什么手段或者仪器进行研究？dis实验用证据显示出它的威力。学生更有信心再问：那么怎么定义磁场的强弱？有没有方法进行探究？磁传感器是什么原理？还在哪些方面有所应用？这就关系到核心素养的另外两个方面：科学探究、科学态度和责任。

（三） dis实验为学生的科学探究提高了兴趣，降低了难度

核心素养是要培养学生科学探究的能力，能基于现象提出物理问题，形成猜想和假设，还能设计实验和制订方案，并能对过程和结果进行交流和反思。在dis实验背景下，可以用更多的手段和仪器来进行对比判断，学生发现以前解决不了的问题现在能解决，兴趣提高了，思维活跃了，设计实验的信心也涨了，也更能激发学生进行交流、讨论，采取最优的实验方案。比如在探究牛顿第三定律的实验中，可以抛出问题：力的作用是相互的，作用力和反作用力具有什么特点？让学生自己去设计方案。鼓励他们多想角度，多想办法。

猜想：作用力和反作用力大小相等，方向相反。方法：一般会从两只弹簧秤对拉开始，观察读数。同学一：两只弹簧秤读数不一样啊？（大胆质疑，实事求是。）同学二：调零的问题？（互相交流，互相启发。）同学三：只有水平拉？（一个新天地出现了。）同学四：看来竖直和倾斜都得做做。同学五：只有静止拉？（思路更广了。）同学六：动起来看不清楚读数啊。dis实验出场了，如图4。

使用力传感器，读数的准确性和运动的多样性判断都得到了保证，在静止和运动，直线和曲线，匀速和变速情况下都可以去研究实验的问题，验证猜想。但是有一个问题：如果一开始只有力传感器，没有弹簧秤，还有刚才的思考过程吗？或者还应该问：如果直接用传感器，是否就不能产生新的问题了？是不是就不能培养学生的核心素养了？这就涉及了核心素养的第四个方面：科学态度与责任。

（四） dis实验为科学态度和责任的培养提供了另一个方向

核心素养中的科学态度和责任是指在认识科学、技术、社会、环境关系的基础上，逐渐形成的探索自然的内在动力，严谨认真，实事求是和持之以恒的科学态度以及可持续发展的责任感，比如在上面的实验中，力传感器的使用可能会使弹簧的问题被淹没了，但是力的传感器的问题会出现：怎么工作的？在生产生活中会有什么应用？新的问题是不是会更接科技前沿的地气？比如以上问题，解答如下。

（1）力的传感器的工作原理：（图5上）先通过内部的悬臂梁，将力学量转换成金属的应变，然后由传感元件将这种应变转换成电量，完成“力—电”的转换。

图5

（2）应变片：在受力时，应变片的上下表面会产生微小的形变。形变量会转变为电阻的变化。（图5下）

（3）应变片的应用：①很多称质量或者重量的仪器，比如厨房秤、珠宝秤、汽车秤;②在大型桥梁或者建筑上，需要用应变片来检查其工作状态下的变形情况，防止事故的发生，等等。

就是在一个个关于传感器的可能出现的思考中，会体现出学生的科学态度和责任，让学生更有兴趣也更有能力去探索世界，对科技的发展也更有体会。

综上所述，dis实验为学生的物理学科核心素养的发展和培养提供的是严谨的物理观念、创新的科学思维、新颖的实验探究以及对新技术新前沿的思考，以前的物理实验是老牛拉车，可能厚实但是沉重，dis实验则是大功率的开路先锋，可以让教育走得更快。当然事物都有其两面性，dis实验对于核心素养的培养也有其不足之处。

三、 核心素养与dis实验的冲突

物理学科的核心素养在四个方面提出了从低到高五个水平的要求，dis实验在某些要求上存在着一些偏差。当然传统型实验也有偏差，换个角度说，dis实验的出现为完善传统实验本来就存在的问题提供了另一条路，互相补充总比孤掌难鸣要好，所以dis实验的出现一定是有其积极意义的。现把有些冲突罗列如下，期望有更多更好的路出现，面对它才能纠正它，本身就是核心素养的要求。

（一） 物理观念要求学生具有将物理学与实际相关系的意识，能用所学的物理学知识有效的指导工作和生活实践

如何“有效”指导实际？比如利用实际环境，如想估测一座山的高度。通过观察，发现山的影子可供利用，手边能用的工具可能就是一根树枝，用自己的影子是多少树枝长度，山的影子是多少树枝长度，再利用比例估测山高，你手边有位移传感器的机会就低了，科技越新，与真实自然界的工具就越远，dis实验做不到“有效”，可能只有“高效”，对实际的指导意义就弱了点。

（二） 科学思维要求能对已有的结论提出有依据的质疑，并能创新

在电学中，有个实验叫描述小灯泡的伏安特性曲线。如果用普通的电表测量电压和电流，由于学生学过电表的结构，那么脑中有“电表内阻”这个依据，就会质疑测量值与真实值的误差，对于内接外接减少误差的创新方法就能理解。那么在传感器做实验上面，会不会有质疑，应该也会有，但是現有的知识不够形成“依据”，那么在使用dis实验时创新就有难度了。其实随着知识面的扩展，这个局限性应该是暂时的，甚至可能是未来实验的发展方向。

（三） 科学探究要求能灵活的选用合适的器材获得数据，并能用多种方法分析数据，发现规律，形成结论

其一，灵活的选用，一方面要求各个仪器都会用，还具有使用仪器的基本能力，如测量能力、读数能力，甚至是修理仪器的能力，如多用电表，使用它得有很综合的素质，才能“灵活”的选用，dis实验仪器的使用是方便了，但是对能力的培养就弱了点。另一方面是得“选”，仍然拿多用电表来说，选什么档位，选什么量程，都要经过考虑，dis实验仪器的选择性也有，但更多的是选范围，更偏重于拿来就能“用”，而不是“选”。

其二，是多种方法分析数据，比如测电源的电动势和内阻，可以两组数据算方程，也可以多组数据取平均值，更可以画图表。传统的实验在数据处理上所花的时间大概有50%，Dis实验仪器的数据处理时间大概只有5%，传统锻炼强度更大。但是dis实验图像多，对于学生的用图读图能力锻炼是比传统实验要多的，所以只是侧重点不一样。

（四） 科学态度和责任要求学生有较强的学习能力

传统的物理实验由于在数据处理和调试仪器方面有大量的练习，有利于培养学生的操作能力和克服困难的坚强的意志品质，从中学习的能力一是在心，坚持不懈的韧性;二是在手，有较强的动手能力。Dis实验不是不锻炼学习能力，只是侧重点又不太一样，一是在脑，在计算机上操作，软件能力增强。而很多dis实验器材比传统实验容易上手，就可以集中精力思考怎样用好这些仪器优化实验过程，锻炼自主探究能力。二是在脚，dis的实验操作方便，测量简单，传统实验完不成的实验目的它能达到，就能走得更远，爬得更高。

四、 结语

杨振宁先生说过：绝大部分物理学是从现象中来的，现象是物理学的根源。正是因为在研究现象的过程中，我们在逻辑中进行实验，在实验中思考逻辑，路才能越走越远。赵凯华先生说过：一个人学了物理之后干什么都可以，他的物理就没有白学。物理学科的核心素养要求坚忍不拔，勤于动手，积极动脑，所以我们才能把物理学好，同时把人做好，成为一个优秀的学习者。dis实验为学习提供了更强大的底气，同时让科技的翅膀飞入到课堂，让孩子接触科技，喜爱科技的力量，自身也成为这个力量的一份子，而对于物理核心素养培养的重视让千千万万的中国孩子都能成为物理思维、物理方法的受益者，让科学飞得更高，中国孩子变得更强，这就是物理教育的成功！

参考文献：

[1]普通高中物理课程标准，2017.

[2]辛亚.重视知识发生过程 培养学生核心素养[J].物理教学探讨，2018（12）：10.

[3]王丽姜.借助物理课堂培养学生的物理核心素养初探——以“洛伦兹力及应用”为例[J].物理教学探讨，2019（2）：10.