通过实验设计创新 发展学生物理核心素养

刘阿平

摘   要：物理核心素养是学生科学素养的重要组成之一，初中是学生物理核心素养发展的准备阶段。将“学科教学”向“学科教育”转变是教师落实立德树人目标的首要任务。通过学生设计实验、创新实验，引导学生经历科学探究过程、领会科学思维训练方法、体会实验设计过程的巧妙，使学生的物理核心素养在学习物理知识的过程中得到发展。

关键词：实验创新;设计实验;核心素养

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2021）5-0032-3

2014年教育部研制印发《关于全面深化课程改革落实立德树人根本任务的意见》，第一次提出“核心素养”的概念，从根本上标定了全面实现立德树人目标的路径和方向。

2016年9月新的高中物理课程标准中提出“物理核心素养”。“物理核心素养”是学生核心素养之一，是学生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，是学生内化了的、带有物理学科特性的品质，是学生科学素养的重要构成。物理核心素养的四个要素是 “物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”。基础

教育阶段物理课程的目标是发展学生的物理核心素养，初中物理是基础，是核心素养发展的关键阶段。如何发展学生的核心素养是每位教师面临的巨大挑战。可以用“学科教育”代替“学科教学”，尽快由“知识核心时代”进入“核心素养

时代”。

1    通过实验设计创新，发展学生物理观念

物理观念是从物理的角度对物质、运动与相互作用、能量等自然现象、规律的基本认识;是对物理概念和规律等知识的提炼和升华;是学生解释自然现象和解决实际问题的基础。物理观念是物理核心素养的第一个要素，其整合提升了物理知识目标，不仅要求学生理解和掌握物理知识，还要将所学习的知识围绕学科核心概念进行整合、内化，形成对物质世界的整体认识，即物理观念。物理观念是其他物理核心素养的重要基础，也是物理核心素养的主要内容。

1.1    通过学生实验创新，明确引入概念的必要性

在概念教学中，教师通常使用“传授式” 和“探究式”教学法。教学中，教师应该考虑学生的主体作用、已有的前概念和学习需要，选择不同的教学方式进行教学，更有利于学生对物理概念的理解、掌握与内化。

在力臂的概念教学中，教师通常在引入杠杆概念后，直接引入关于杠杆的五个基本概念：支点、动力、阻力、动力臂、阻力臂。采用“传授式”教学方式会使学生对引入力臂概念的目的不明确，直接影响学生对力臂概念的理解。

如果教师在实际教学过程中增加一个学生实验，即可使学生很容易认识到引入“力臂”概念的必要性。

学生实验：如图1所示，用一只手水平握住一根木棍，把一重物挂在这根木棍上，并使它靠近你握的位置，尽力保持木棍水平。

完成下列实验过程，思考并回答下列问题：

（1）使重物远离你的手，你感觉到了什么？

（2）换一个更重的重物，再试一下。

（3）你会感觉到，对手的转动效果取决于__

______和___________。

通过实验，学生清楚地认识到影响木棍转动效果的不仅仅是力（重物）的大小，还有力与手之间的距离，从而明确引入力臂概念的必要性。

1.2    创新演示实验，建立正确的物理概念

当学生意识到引入力臂概念的必要性后，还不能直接引入力臂的概念，因为学生还不理解为什么力臂是从支点到力的作用线的距离，而不是支点到力的作用点的距离。教师可以自制教具，增加一个演示实验，使学生亲眼看到支点到力的作用线间的距离是影响力的效果的重要因素。课堂教学过程实录如下：

【师】 如图2所示的杠杆，若要使其在水平位置平衡，应该怎么做？

【生1】 左端的钩码向左移一些。

【生2】 右端的钩码向左移一些。

【师】 你认为还有哪些影响杠杆平衡的因素？

【生】 动力和阻力的大小，支点到动力和阻力作用点的距离。

【师】 在进行实验前应先鉴别这两个因素的真伪。首先，杠桿的平衡一定与力的大小有关，这是常识。如果杠杆的平衡与支点到力的作用点有关的话，那么现在这个处于平衡的杠杆（图3甲），在不改变A、B两点位置的情况下，在图3乙、丙两个杠杆上挂上同样的钩码时，杠杆应该仍保持平衡。是不是这样呢？请同学上台来演示一下。（四位学生，两人一组，一人负责挂一端，不让钩码坠落）

【师】 杠杆不再平衡，实验说明：从支点到力的作用点的距离并不是影响杠杆平衡的决定因素。但实验和生活经验又告诉我们一定与距离有关，这个距离是什么呢？

我们仍用实验来探究。若保持A点位置、两端钩码数量不变，怎样才能让杠杆平衡呢？

【生】 B点的钩码向右端移。

【师】 请四位同学让杠杆在水平位置上平衡。（学生实验）

【师】 现在三个杠杆都处于平衡状态了，请四位同学轻轻转动铁架台，让三个杠杆的A点、O点重合（图4）。有什么发现吗？

【生1】 三个杠杆的B点没有重合。

【生2】 挂在右端的钩码在一条线上。

【师】 请思考“三个B点不重合，右端的钩码在一条线上”说明了什么呢？

【生】 三个B点不重合，说明支点到作用点的距离不是影响杠杆平衡的因素。

【师】 不是“点”到“点”的距离，那是“点”到什么的距离呢？

【生】 点到线的距离。

【师】 什么线？对力的作用线。我们把力所在的直线叫力的作用线，把从支点到力作用线的距离叫力臂。

1.3    内化“力臂”概念，发展学生物理观念

通过创新学生实验和演示实验，学生明白了引入“力臂”概念的必要性，知道了“力臂”是从支点到力的作用线的距离，然后再通过练习强化对“力臂”概念的理解，促进概念的内化。

2    师生共同设计实验，培养学生科学探究能力

在《义务教育物理课程标准（2011年版）》中要求“通过实验，探究并了解杠杆的平衡条件”[1]。解读该标准可知，此条标准不但要让学生经历探究杠杆平衡条件的过程，对杠杆平衡条件进行猜想和假设，还要设计验证方案;对获得的信息进行处理，采用比较分析的方法科学分析相关数据，得出杠杆的平衡条件。

在实际的教学过程中，教师在“设计出验证方案”这一环节往往是告知学生应该怎么做，甚至还会告知这样做的目的是什么，但没有让学生经历“设计出验证方案”的过程，从而影响了学生的实验设计能力、创新能力和科学思维能力。如果从实验目的出发，在教师的引领下，通过问题教学法，采用小组合作，发挥学生自身的主体作用，由学生设计出实验方案，学生不但能够知道如何做，还会知道为什么这样做，不仅促进了学生深度学习还提高了实验效率。教学活动设计如下：

【师】 我们的实验目的是什么？

【生】 探究杠杆的平衡条件。

【师】 探究杠杆的平衡条件，在设计实验时我们是不是应该考虑三个问题：（1）选择一个杠杆;（2）对杠杆施加两个力的作用;（3）让这个杠杆处于平衡状态。为了简化和方便我们进行探究，我们应该选择杠杆的平衡状态是处于匀速转动还是静止的呢？（静止）

请先思考，再小组讨论下面的问题：

问题1：选一个什么样的杠杆（轻的还是重的？粗细均匀的还是不均匀的？）选择杠杆的原则是什么？

问题2：杠杆的支点应该在什么位置？应该让杠杆在什么位置静止（水平、竖直、倾斜）？为什么？

问题3：如何测量对杠杆作用力（动力和阻力）的大小？如何更便捷地知道对杠杆作用力的大小？

……

通过学生思考、小组内讨论、小组间合作，最后得出结论：

（1）选择杠杆的原则是尽量减小杠杆自身重力对杠杆平衡的影响，所以选择一个轻质的、粗细均匀的杠杆，并让支点在重心上。

（2）为了便于测量力臂，应该让杠杆在水平位置静止，并且在杠杆上刻刻度。

（教师演示，将杠杆中点挂在铁架台上，保持水平位置静止，进而介绍平衡螺母的作用）

（3）可以用弹簧测力计测量力的大小，也可以使用已知重力大小的钩码，从而更便捷地知道对杠杆所施加力（动力和阻力）的大小。

教学活动中，教师只需要简单地说一下实验过程应该注意的几点事项，接下来由学生分组实验，实验过程学生操作顺畅。

本教学设计中，学生在教师的引领下设计出实验方案，经历了探究过程，不但对学生的科学探究能力、科学思维能力进行了训练，而且潜移默化地培养了学生对科学探究的认真态度和严谨作风。

物理学家周光召先生曾说过：教育应有的功能，不是让孩子记住支离破碎的、脱离生活的抽象理论和事实，而是用科学的观念和恰当的方法，教会孩子正确认识世界的方法，从而帮助孩子建立完整的對世界的理解。

通过实验设计、实验创新，让学生体验科学探究过程，使学生不但会做实验，还知道为什么这样做，并且亲身体会实验设计中的巧妙之处，让学生在学习物理的过程中不断地发展自身的物理核心素养，把不断积累的物理知识转化为科学素养，使学生逐渐具备能够使其终身发展的优良品质和关键能力。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准（2011年版）[S].北京：北京师范大学出版社，2012.

[2]廖伯琴.义务教育物理课程标准（2011年版）解读[M].北京：高等教育出版社，2012.

[3]罗桂敏.素质教育教学新设计[M].开封：河南大学出版社，2001：198-199.

[4]郭玉英.用核心素养引领初中物理教学（上）[J].新课程教学（电子版），2016（11）：14.

[5]（英）约翰逊（Johnson，k）.物理[M].廖伯琴，译.上海：上海科学技术出版社，2016.

（栏目编辑    邓   磊）