基于核心素养的情境化实验教学

顾建元

(江苏省苏州工业园区教师发展中心,江苏 苏州 215021)

物理学是一门实验科学,实验教学是培养学生物理学科核心素养的重要途径，教学中创设贴近学生实际的情境化实验,可更好地激发学生探究学习的激情,有效培养学生的核心素养,为学生的终身发展奠定基础,充分发挥实验教学的育人功能。

1 创新设计实验情境,引导推理归纳,培养科学思维能力

物理概念的建构需要创设情境,物理规律的探究也需要创设情境。一方面可以创新教材实验,让实验内容、实验过程更加切合学生实际,引导学生沿着科学家的足迹经历探究过程,有利于培养学生的创新精神；另一方面,可以创新问题情境,引导学生观察现象、寻找证据、分析推理、得出结论,有利于培养学生的科学思维能力。

在探究“楞次定律”的教学中,教材中的探究性实验是利用图1所示装置,将条形磁铁的S和N极分别插入或拔出闭合线圈,通过观察感应电流方向、线圈绕向、磁铁的极性以及相对运动方向,从中找出它们之间的关系,再推理、归纳、总结出结论。在实际教学中发现,利用该实验探究获得楞次定律,无论在教学时间的安排上,还是在学生自主探究的效果上,都不尽人意；在寻找“感应电流的方向”与“磁通量变化”的关系时,学生更是无从下手,即便是教师按照教材中引入“中介”——感应电流的磁场,来进行启发引导,学生也感到较难理解,不利于调动学生的探究热情。

图1

为此,笔者创新了实验设计,根据“来拒去留”现象自制了如图2所示的教具。通过简化实验环节,降低探究难度,设计问题链,让学生明确探究方向,引导学生对实验现象进行质疑、分析、推理和归纳,较为顺利地总结出楞次定律。

图2

问题1：产生感应电流的条件是什么？

以此问题启发学生循着磁通量变化方向思考。

问题2：如图3所示,将强磁铁插入线圈时,观察到蓝色二极管发光,且小车运动方向与磁铁运动方向相同,则线圈中磁通量如何变化？如图4所示,将强磁铁较快地拔出线圈,观察到红色二极管发光,且小车运动方向与磁铁运动方向相同,则线圈中磁通量又如何变化？

图3

图4

引导学生分析归纳得出：二极管发光表明有电流产生,虽然电流方向不同,但不管插入还是拔出磁铁，其共性都是磁通量发生变化。

问题3：小车为什么会动起来？

引导学生分析得出：磁铁插入时小车受到斥力,拔出时受到引力,从而判断感应电流的磁场方向。

问题4：小车及线圈的运动对磁通量变化起什么作用？

引导学生把小车运动的这个“果”与磁通量变化这个“因”联系起来。

问题5：能不能将上述两种情形的结论统一起来,概括为普适的规律？

引导学生由两个分立的结论,合并为普适的规律,培养学生由特殊到的推理能力。

教学实践证明：以实验情境为驱动、以发展思维为中心的实验教学,更有利于学生掌握科学思维方法,提升学生的科学思维品质。

2 创新改造实验情境,促进反馈创新机会,提升科学探究能力

科学探究是物理学科核心素养的重要组成部分,实验教学需要教师创新改造实验情境,创新实验呈现方式,以过程为主线,引导学生深度探究,让学生在过程体验中感悟规律,在解决问题中体会科学方法,在“实践——认识——再实践——再认识”中内化知识,提高科学探究能力。

在“探究牛顿第二定律”实验时,鉴于学生的知识基础,教师通常直接告知学生本实验为了便于测量小车受到的合外力,必须采取两个必要措施：一是平衡摩擦力；二是实验中必须保证小车质量远大于钩码质量。满足这两个条件,可以认为小车所受合外力在数值上等于钩码所受重力。如此的实验教学,学生对知识和规律的认识处于识记层级,不利于学生的科学探究能力的生长与发展。

在学习连接体之后，再回到此实验，追问学生：为什么在该实验中必须要平衡摩擦力,且满足小车质量远大于钩码质量？通过创意改新实验情境,引导学生应用牛顿第二定律和连接体知识进行论证,帮助学生掌握知识、感悟方法,让学生“知其然,知其所以然”,促进学生深度学习。

改造1：如图5所示,装置中小车A左端连接一纸带并穿过打点计时器B的限位孔,右端用一轻绳绕过滑轮系于力传感器C的下端,A、B置于水平放置的一端带有定滑轮的足够长的木板上，不计绳与滑轮的摩擦及滑轮的质量。实验时,先接通电源再释放小车,打点计时器在纸带上打下一系列点。在保证小车A质量不变的情况下,通过改变P的质量来改变小车A所受的外力。用此实验装置来验证牛顿第二定律是否需要平衡摩擦力？实验时是否需要满足小车质量远大于P的质量？

图5

改造2：在“探究加速度与物体受力的关系”实验中,设计出如图6所示的实验方案。调节长木板的倾角,轻推小车,使小车能沿长木板向下做匀速运动；取下细绳和挂盘,记下挂盘中槽码的质量m；先接通电源,再放开小车,在纸带上打出一系列点,由纸带求得小车的加速度a；重新挂上细绳和挂盘,改变挂盘中槽码的质量,重复前面实验步骤,求得小车在不同合外力F作用下的加速度。按上述方案做实验,是否要求槽码和挂盘的总质量远小于小车的质量？

图6

通过创新改造实验情境和问题设计,避免了学生机械学习、死记硬背和思维定势；同时,把传感器应用到了中学物理实验,简化了实验条件,让学生体会科学技术的发展给人类的学习、生活、科研带来了极大便利,也渗透了STSE教育理念。

3 创新自制实验教具,树立科学态度和责任

科学态度和责任也是物理学科核心素养的重要组成部分,高中物理教学中要十分重视对学生的科学态度与责任感的培养,通过物理学习认识科学的本质,认识科学、技术、社会、环境之间的联系,增强学生环境保护和可持续发展的意识,提升其社会责任感，物理实验教学是进行科学态度和责任培养的一种有效形式。在没有现成实验器材的情况下,教师通过研制直观的实验教具,把科学态度和责任的培养根植于物理实验教学之中,是一种行之有效的策略。

例如,在“远距离输电”的教学中,我们利用自制教具形象直观地模拟输电线路中输电导线电阻对输电效率的影响和高压输电能减少电能损失的原理。图7是不经变压器升压而直接输电时小灯泡发光较暗的实验效果图。改用变压器升压后进行高压输电,小灯泡的亮度明显变亮,说明用户得到的电功率明显变大,根据能量守恒定律，在输电线路上损失的功率大大降低(图8)。

图7

图8

基于学生平时做的实验和练习,一般都不考虑导线的电阻对电路的影响。创设以上实验情境,打破了学生的常规思维,引导学生具体问题具体分析,认识在电能输送过程中导线的电阻对电能输送产生的影响。同时,也让学生体会到了日常生活中所蕴含的物理原理,帮助学生树立实事求是、注重细节的科学态度,增强其关注生活、关注社会的社会责任感。

总之,为培养学生的物理学科核心素养,应该让学生在情境中经历学习过程,在观察、体验、探究、质疑、感悟和论证中建构物理知识、掌握科学方法,内化为具有物理学科特性的价值观念、必备品质和关键能力。通过创新实验情境,激发学生的求知欲和创造潜能,提高科学思维能力,养成严谨的科学态度,强化学生的社会责任担当,核心素养必将在知识与技能的习得过程得到提升。