利用自制实验仪器落实物理核心素养

黄佳雯

摘   要：以发展学生物理核心素养为导向，巧用自制创新实验教具，设计“神奇水瓶”“磁体相互作用演示仪”和“摩擦相互作用演示仪”，着力深化物理观念，激活科学思维，提升科学探究能力，促进学生科学态度和社会责任意识的形成。

关键词：物理核心素养；牛顿第三定律；教学创新设计；自制实验仪器

引言

物理核心素养的提出是对三维课程目标的深化和发展，是实现从“教书”向“育人”的转变[ 1 ]。它指的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需要的必备品格和关键能力，是学生通过物理学习内化的带有物理学科特性的品质[ 2 ]。而在高中阶段，学生对物理学科产生厌学情绪的不在少数，教师过于重视知识的传授是首要原因，其次是循规蹈矩地重现知识体系，并未站在更高的高度、更创新的角度去审视教材内容，何谈培养学生的关键能力。而课堂是培养学生核心素养的主要战地，教学设计更应契合培养学生物理核心素养的要求，引导学生用科学研究方法去认识和理解自然，养成科学思维的习惯，形成良好的科学态度和价值观，增强科学创新意识和实践能力。

在物理核心素养的指向下，本文以新鲁科版（2019）高中《物理》（必修一）“牛顿第三定律”为例，将教材内容进行合理分割，力图将提升学生物理核心素养的教学思想有效地融入物理教学实践中去。

1  激趣激疑  高效产生物理问题

教师演示“神奇水瓶”（如图1），即两支吸管分别倾斜插入水瓶底部，将装满水的瓶子悬挂于支架上。由于大气压强，未松开瓶口软塞时，则无水从管口流出，松开软塞时，引导学生思考为何在“没有外力”的作用下，水瓶竟然“自动”旋转起来（如图2）。

设计意图：教师利用自制教具，课堂演示生动有趣的物理现象，引领学生主动思考，激发学生的好奇心与求知欲，达到激趣激疑的教学目的，同时也为后续的教学埋下伏笔。

2  巧用自制教具  实验探究物理知识

基于学生现有知识水平，设计三个学生分组实验活动，通过体验和讨论“火箭升空”、自制“磁体相互作用演示仪”和演示“摩擦相互作用演示仪”等，提升对相互作用力的相互性的认识，同时，实验探究更有助于学生高效构建物理概念，让学生始终将自己置于探索者的位置，在获取知识的同时，随着问题的不断深入，一次次地经历发现的过程，达到感悟物理知识、提升物理素养的目的。

2.1   “火箭升空”定性分析相互作用力的关系

学生将气球一端黏附在可自由滑动的细管上（如图3），当松开铁夹时，空气就从气球内往外喷，气球则沿反方向飞出。利用类比法，教师引导学生小组讨论火箭“一飞冲天”的原因。即火箭发动机点火后，推进剂在发动机的燃烧室里燃烧，产生大量高压燃气，气体从发动机喷管高速喷出。依据牛顿第三定律，所产生的喷气对火箭有反作用力，就使得火箭沿燃气喷射的反方向前进。

2.2  定量探究磁场间相互作用力的关系

教师向小组发放条形磁铁，学生将同名磁极相对，释放双手后，两小车立即朝相反的方向运动开来，说明磁体间有着明显的相互作用（如图4）。那么，如何定量探究磁场间相互作用力的大小和方向？教师引导学生利用圆盘测力计进行教具设计，首先，使两圆盘测力计尾端粘附两块铁片（如图5a）；其次，进行表盘校零；尔后，放入硼化磁铁（如图5b），由于磁铁间的相互作用力，可观察到圆盘测力计的细杆被迅速拉动，指针立即发生偏转（如图5c），学生可直接读出磁力的大小，同时根据指针偏转方向相反，得出作用力与反作用力的关系，即二者大小相等，方向相反，作用在同一直线上。

2.3  定量探究摩擦相互作用力的关系

该阶段学生已有一定的知识储备，且具备良好的动手实践、归纳分析及沟通合作等能力。但力的性质多种多样，若物体间相互作用力为摩擦力时，如何定量计算其大小？教师展示“摩擦相互作用演示仪”，其主要由小车、弹簧测力计（量程为1 N）、玻璃管、定滑轮和毛面木板等实验器材组成（见图6）。教师引导学生边观察边分析：当小车匀速运动起来时，车轮与毛面木板发生摩擦，这对相互作用力的性质实为摩擦力。对于小车而言，其所受细绳的拉力与木板给其的摩擦力（表示为F）是一对平衡力，二者大小相等，所以测力计B的示数大小便是F的大小。同理，对于木板而言，车轮给其的摩擦力（表示为F'）也可从测力计A侧直接读出。由于小车受到细绳牵制，会与木板持续摩擦，当指针较为稳定之时，方可读出A、B测力计的示数。启动小车时，学生观察到A侧示数始终略小于B侧示数（如图7），由此产生疑问，教师可组织学生进行小组讨论，其原因在于玻璃管与木板间也存在摩擦，玻璃管给木板的摩擦力与车轮给木板的摩擦力方向恰恰相反，A侧示数实为二者合力，这导致A侧示数偏小，存在0.1～0.15 N的差值。最后，教师引导学生进行归纳总结，即木板与玻璃管间绝对光滑时，两侧示数才相等。同时，无论是何种性质的力，当物体发生相互作用时，物体间的作用力和反作用力总是大小相等，方向相反，作用在同一直线上，其表达式为“F=F'”，它反映了物理世界普遍存在的对称美，与运动状态无关。

设计意图：杜威曾言：“思维起源于直接经验的情境”，有意义的学习活动离不开教学情境，好的物理教师应尽可能地将知识完整、生动地展现开来，止步于教材只会让教师的教学思想固化，无法让学生的思维能力和知识水平有“台阶式”上升。所以，教学设计需要用发展、创新的眼光来看待，发挥教师的创造力，利用生活中的瓶瓶罐罐做一些新颖实用的、现象明显的、取材方便的、能激发学习动机的教学用具，用创新精神去影响学生的创新潜能。同时，自制教具使学生在思考中达到优化、发散和活跃思维的目的，突出了科学思维的有效渗透，提高物理课堂专注度，为学生充分理解后续内容打下良好的基础。虽然，在理解和掌握上略微提高难度，但同样赋予学生新的挑战，加强学生对相互作用力大小关系的理解，落实培养科学思维的理念，让学生亲身经历推理分析的认知过程，使实验演示也成为培养学生物理核心素养的重要途径。

3  学以致用  巩固物理知识

3.1  课堂回顾，释疑解难

首尾呼应，教师再次演示“神奇水瓶”，要求学生认真仔细地观察其运动状态，并将水瓶底部细节图进行投影，学生根据牛顿第三定律，小组交流讨论其制作原理。即在水瓶底端挖两个对称小孔，准备两支等长且带有斜面的吸管，两支吸管整体呈中心对称，并倾斜插入小孔中。当打开软塞时，根据牛顿第三定律，水流从吸管口喷射而出，在水流的反作用力之下，水瓶便“自己”旋转起来。

3.2  延伸课堂，锻炼思维

教师在课堂结尾投影出“以卵击石”的图片，引导学生思考既然相互作用力其大小相等，为何鸡蛋“粉身碎骨”，石头却“安然无恙”？组织学生进行课堂讨论，既进行了知识的迁移和延伸，又锻炼了科学思维。

设计意图：课前留有的悬念本已激发学生的学习兴趣和思维，而此时让学生再次经历“冲突”化解和发展的过程，给予了学生思维的启迪，更锻炼了未来探究学习的能力。回顾“神奇水瓶”，前后呼应的形式更好地加深学生对牛顿第三定律的理解，抛出的新问题也顺利地激活学生“再发现”的学习欲望，充分利用学习经验去完善和优化认知结构，利于学生核心素养的培养。

4  结束语

基于物理核心素养下的教学，需要打破传统教学设计的墨守成规，摈弃因循守旧的教学理念，以培养学生科学思维，授予学生科学方法，形成科学态度和建立良好的社会责任感为重要指标，重视对教学内容的创新设计，力争发展学生乐于观察，勇于质疑，勤于动手和敢于探索的优良品质与关键能力。同时，物理核心素养的培养离不开创造性的教学，其不仅让学生感悟深刻且收获颇丰，更重要的是使学生的创新能力得以锻炼，使创新精神得以培养，为学生终身发展奠定坚实的基础。

参考文献：

［1］ 周祎，马如宝.以问题为导向构建物理模型的过程：“自由落体运动”教学设计[J].物理教学，2018（7）：19-22.

［2］ 中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准[S].北京：人民教育出版社，2017：4.