初中物理创新实验的开发策略

秦亮

物理核心素养是学科育人价值的集中体现，是学生在接受物理教育的过程中逐步形成的、适应个人终身发展和社会发展需要的关键能力和必备品格，是学生科学素养的重要组成部分。

物理学科核心素养主要由物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任四种要素构成。其中，科学探究注重实验和实践。那么，在实验教学中，为了激发学生的学习兴趣，培养学生的核心素养，对实验进行创新是很有必要的。

一、实验内容的创新

常规课堂教学中的实验，主要包括教师演示和学生分组实验。这两种实验的内容，基本上都是根据课程标准和教材来实施的。在实践中，有更多的创新内容可以作为课堂实验的补充，比如综合实践活动，社团活动，校本课程中的实验，研学基地中的实验，科技馆、博物馆中的实验，等等。

1.综合实践活动、社团活动、校本课程中的实验

案例一：探究连通器的构造和工作原理

在学习《连通器》一课时，教师可以带领学生参观水利设施，面对现实中的船闸为学生讲解。这便于学生对连通器的构造、原理和运行进行直接观察和理解，使学生体会到科学、技术、社会的紧密联系。

2.研学基地中的实验

案例二：探究发电机的工作原理

在学习《产生感应电流的条件》一课时，教师可以带领学生到研学基地近距离观察风力发电机，请专业人员讲解风力发电机的相关知识。这样更有利于学生对知识点的掌握、理解，使学生认识到许多工具都源于物理学的发明创造。

3.科技馆中的实验

案例三：静电实验

在学习《电荷》一课时，教师可以带领学生到科技馆亲身体验静电实验。学生用手触摸静电球，身体内聚集了电荷，形成电场，头发便顺着电场线的方向竖起来了。由于脚下是绝缘体，所以电荷并没有流动，也就没有形成回路，因此无须担心触电。

二、实验方式的创新

从学习模式和合作模式来看，实验的主要方式包括学生独立完成的实验、学生分组合作完成的实验。前者以家庭自主实验为主，后者以课堂分组实验为主。二者都属于传统的实验方式，其局限性在于科学探究的四个方面，即问题、证据、解释、交流往往无法得到充分的体现，难以完成学科核心素养的培养。

1.基于项目化学习的物理实验

项目化学习，即学生在一段时间内通过研究并应对一个真实的、有吸引力的问题、课题和挑战，从而掌握重点知识和技能。项目化学习的重点，是学生的学习目标，包括基于标准的内容以及批判性思维、问题解决、合作和自我管理等技能。因此，基于项目化学习的物理实验，对培养学生的学科核心素养有着重要的作用和意义。

案例四：平均速度的测量

（1）寻找核心知识。在进行实验前，首先要了解与这个项目化学习相关的关键概念、基础知识和技能，即平均速度的概念、路程的测量、时间的测量等。

（2）设计驱动性问题。如，通常高速公路上是如何进行区间测速的？我们如何在运动场上的模拟区间测速？

（3）设计公开成果及评价要点。项目小组根据每个成员对区间测速相关信息收集进行交流讨论，达成共识;设计实验方案，在运动场上进行实验。

（4）设计认知策略。一般有两种做法：一是通过实地调研深入了解区间测速的原理和操作方法，二是设计实验方案以再现高速公路上的区间测速。

（5）设计学习实践及评价要点。项目小组通过社会实践了解并掌握高速公路区间测速的原理和操作方法，通过探究性实践在运动场上进行区间测速的实验。

（6）深化全程评价。通过专业人士、物理教师的外部评价与项目小组成员的内部评价，项目小组成员对区间测速（平均速度的测量）进行反思，并撰写反思笔记。通过与其他项目小组进行交流与分享，实现对项目的改进、创新和拓展。

2.基于STEAM教育的物理实验

STEAM教育中的综合素养主要包括：科学素养、技术素养、工程素养、艺术素养、数学素养。STEAM的本质是跨学科整合，而不仅是一个或多个学科的叠加。借助STEAM教育，最终目标是提高学生的创造力，核心概念是跨界思维。

案例五：能量的转化——太阳能月球车

课程标准在关于“机械能、内能及其转化”的部分中提出，通过实验，学生认识到能量可以从一个物体转移到另一个物体，不同形式的能量可以互相转化。教师可将学生分成几个实验小组，为每个小组提供太阳能月球车的实验器材套装。学生合作分工，根据说明书和制作材料完成太阳能月球车的模型制作。学生通过实验，理解了太阳能发电是指将光能转变为电能的发电方式。太阳能属于清洁能源，不会对环境造成污染，只要有阳光就能实现能量转换，使用起来非常方便。

3.基于进阶式学习的物理实验

學习进阶是对学生在一个时间跨度内学习和探究某一主题时，依次进阶、逐级深化的思维方式的描述。学习进阶致力于描述学生的思维发展过程，建立科学的认知发展模型，为教学序列的安排提供了依据，让教学科学、有序、高效。初中物理实验进阶式学习的流程包括经验、映射、关联、系统和整合。

案例六：探究凸透镜成像规律

（1）经验。学生知道用放大镜观察物体时，物体会变大，但尚不清楚自己观察到的正立、放大的虚像属于凸透镜成像规律中的一种情况。

（2）映射。学生手持凸透镜观察周围的物体，当被观察物体到凸透镜的距离以及眼睛到凸透镜的距离发生变化时，所观察到的影像也随之变化。进阶：教师指导学生学习关键术语，即焦点、焦距、物距、像距、实像、虚像等。

（3）关联。教师提供实验器材，指导学生进行分组实验。进阶：学生通过操作、观察、记录等手段，发现凸透镜成像时，焦距、物距、像距具有内在的联系，进一步理解虚像和实像的含义。

（4）系统。通过学生的交流讨论与教师的评价，师生共同总结出凸透镜成像的规律。进阶：学生学习从物理现象中总结归纳科学规律的方法，体验科学研究的过程与方法。

（5）整合。教师指导学生学习凸透镜成像规律在生活中应用的具体事例。进阶：在探究凸透镜成像规律的实验中，激发学生的求知欲，培养主动与他人合作和交流的精神;学生能用核心概念统整对物理观念的理解，并建构物理观念间和跨学科概念之间的联系。

三、实验器材的创新

1.自制教具实验

自制教具活动，是指教师或学生利用生活中或实验室中常见的材料，来制作能够演示物理原理和实验规律的实验仪器的教学活动。自制教具活动体现了课程改革理念，强调实践与创造并重，注重科学与工程统一。

案例七：探究光的传播与反射规律实验装置

将长方体形状的玻璃缸摆放在平整的桌面上;在玻璃缸底部固定一块小平面镜;向玻璃缸中注入自来水;将少量浅色颜料或牛奶滴入水中，用玻璃棒搅拌至均匀;将一个铁架台放在玻璃缸左侧;将红色或绿色激光笔固定在夹子上;将夹子平行固定在铁架台上;打开激光笔的开关，可观察到一条清晰的光线沿直线从水中穿过;将激光笔的光线对准小平面镜，可以观察到清晰的光的反射现象。

该装置的特点：使用器材较少，组装便捷，使用简便;可以观察到非常明显的实验现象;利用率高，能拆分组合成探究不同光学现象的实验装置。

2.信息化实验

数字化信息系统（DIS）实验室，是为实现理科教学和信息技术整合而开发的，是运用现代信息技术进行学习的一种手段。DIS运用传感器采集实验数据，通过接口与计算机连接，完成数据采集，并能给出数据分析表和曲线，从而实现了实验数据的即时处理和直观表现。DIS实验简化了实验数据的采集过程，在观测小信号和瞬间变化信号、处理数据和分析实验结果等方面具有传统实验仪器不可比拟的优势。这种方式不仅扩大了测量范围，而且提高了精度、速度，拓宽了研究范围。

案例八：观察声音的特性

（1）观察声波的图像。使用电脑预装的数据采集器，进入物理实验专用界面，将声波传感器接到数据采集器第一通道上;敲击音叉，将声波传感器靠近声源，就可以在屏幕上观察到声音的波形图像。由此证明发声的物体在振动，且具有波形特征。

（2）观察音调与频率的关系。进入物理实验专用界面，选取两个频率不同的音叉，用相同的力度分别在声波传感器附近敲击，观察不同频率声音的波形图像。点击“开始”按钮，敲击音叉，可以观察到声音的波形。然后点击“停止”按钮，可以观察到两组不同的图像。对比计算得出音叉的频率，总结音调与频率的关系。

（3）观察响度与振幅的关系。进入物理实验专用界面，用不同的力度分别敲击同一个音叉，将声波传感器靠近音叉，得到两组波形，观察两组不同的图像，总结响度与振幅的关系。

3.乐高积木搭建实验

乐高教育獨创了4C顾问式的教育解决方案，即联系、建构、反思、延续。4C的教育理念主要在于开发学生智力、想象力、创造力和动手能力，提高学生的科学素养。学生在搭建乐高积木的过程中进行观察、思考、联想，边操作边发现问题、解决问题，反思搭建的作品，逐步提高创造力、动手能力和团队协作能力。

通过以上三种创新策略，物理教师可以拓宽实验思路，完善实验设计，以此有效激发学生学习物理的兴趣，从而实现培养学生物理核心素养的目标。

（本文系2021年度河南省基础教育教学研究项目“基于核心素养的初中物理创新型实验开发策略的研究”的研究成果，课题编号：JCJYC210607023）