核心素養(yǎng)導(dǎo)向下的高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)策略探究

摘要：本文將新版課程標(biāo)準(zhǔn)的貫徹實(shí)施作為研究背景，以學(xué)科核心素養(yǎng)為導(dǎo)向，圍繞高中物理教學(xué)以實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例從培養(yǎng)切入點(diǎn)、培養(yǎng)方法兩個(gè)維度展開分析，旨在發(fā)揮出物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)對于學(xué)生核心素養(yǎng)培養(yǎng)所存在的積極作用。關(guān)鍵詞：新課改；核心素養(yǎng)；高中物理；實(shí)驗(yàn)教學(xué)核心素養(yǎng)導(dǎo)向下的物理學(xué)科教學(xué)并非側(cè)重于學(xué)生牢固地掌握一系列的解題方式與公式，而是側(cè)重于學(xué)生能夠利用物理定理與觀念去解決現(xiàn)實(shí)生活中所存在的問題，學(xué)生通過物理學(xué)科知識的學(xué)習(xí)能夠形成一定的物理觀念，涵蓋能量觀念、運(yùn)動(dòng)觀念等，應(yīng)能夠科學(xué)地去思考某一物理現(xiàn)象，并積極地探究物理過程，理解科學(xué)的本質(zhì)，養(yǎng)成責(zé)任意識。由此可見，核心素養(yǎng)導(dǎo)向下的物理教學(xué)是以生為本的教學(xué)。新課改下如何基于核心素養(yǎng)導(dǎo)向科學(xué)開展物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)已經(jīng)成為現(xiàn)階段一線任課教師教學(xué)實(shí)踐中亟待解決的關(guān)鍵問題，而這一問題也將是本文所要研究解決的核心問題。一、物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中核心素養(yǎng)培養(yǎng)切入點(diǎn)如若將物理學(xué)科核心素養(yǎng)比作一輛汽車，那么物理觀念素養(yǎng)則是這輛汽車的“發(fā)動(dòng)機(jī)”，如果無法形成正確的物理觀念，那么學(xué)生在物理學(xué)習(xí)這條道路上將會(huì)舉步維艱。課程標(biāo)準(zhǔn)中明確指出物理觀念素養(yǎng)涵蓋物質(zhì)觀念、運(yùn)動(dòng)觀念、相互作用觀念以及能量觀念，絕大多數(shù)學(xué)生在進(jìn)入高中學(xué)段之前，一直是直觀地認(rèn)識世界，并在認(rèn)識世界的過程中形成物理觀念，例如：將小石子與紙片在同一高度做同時(shí)下落，絕大多數(shù)的學(xué)生均會(huì)結(jié)合生活經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為小石子質(zhì)量大，所以下落的速度更快；再如：用手推動(dòng)課桌的現(xiàn)象，當(dāng)力消失時(shí)課桌的運(yùn)動(dòng)也將會(huì)停止，學(xué)生會(huì)普遍地認(rèn)為力是維持物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的關(guān)鍵性原因。實(shí)質(zhì)上，諸如此類的物理現(xiàn)象在學(xué)生日常生活中極為常見，當(dāng)這些物理現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，學(xué)生往往不會(huì)注意到其他因素對物理現(xiàn)象的影響，因而形成錯(cuò)誤的觀念。所以高中學(xué)段的物理學(xué)科教學(xué)需要對學(xué)生物理觀念的養(yǎng)成予以高度重視[1]。結(jié)合以往的高中物理教學(xué)實(shí)踐可知絕大多數(shù)的物理學(xué)科知識均是通過實(shí)驗(yàn)分析而得出結(jié)論，雖然物理實(shí)驗(yàn)占用課堂教學(xué)時(shí)間的比例較多，但本研究認(rèn)為，教師與其為了節(jié)省時(shí)間要求學(xué)生機(jī)械性地記憶實(shí)驗(yàn)過程、背誦實(shí)驗(yàn)結(jié)論，不如將實(shí)驗(yàn)情境再現(xiàn)，給予學(xué)生動(dòng)手操作的機(jī)會(huì)強(qiáng)化學(xué)生的知識獲得體驗(yàn)。學(xué)生在物理實(shí)驗(yàn)的過程中通過了解實(shí)驗(yàn)器材的結(jié)構(gòu)與用途，分析實(shí)驗(yàn)過程、獲得實(shí)驗(yàn)原理能夠彌補(bǔ)學(xué)生所欠缺的概念或規(guī)律，如此查漏補(bǔ)缺促進(jìn)學(xué)生知識體系的重新建構(gòu)，從而助力學(xué)生形成正確的物理觀念。例如：在必修一第二章“自由落體運(yùn)動(dòng)”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師可以通過引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注物體下落過程中的影響因素，使學(xué)生明確除重力因素影響外，空氣阻力、物體的形狀均會(huì)影響物體的下落速度。那么回顧以往的物理觀念，從空氣阻力的角度去考量小石子與紙片下落速度，因紙片受空氣阻力的影響更大，所以紙片下落的速度慢于小石子。如果忽略空氣阻力對兩個(gè)物體的影響，為了探究兩個(gè)物體的下落是何種情況，教師可以將實(shí)驗(yàn)過程設(shè)計(jì)如下三個(gè)演示實(shí)驗(yàn)：①將小石子與紙片（水平擺放）在同一高度下同時(shí)松開任其下落；②將紙片隨意團(tuán)成紙團(tuán)，而后將小石子與紙團(tuán)在同一高度下同時(shí)松開任其下落；③將小石子與紙片在同一高度下同時(shí)松開任其下落。并引導(dǎo)學(xué)生自主開展上述三個(gè)演示實(shí)驗(yàn)，觀察并記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，結(jié)合實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象對三個(gè)演示小實(shí)驗(yàn)做合理的實(shí)驗(yàn)猜想：演示實(shí)驗(yàn)①，通過實(shí)驗(yàn)演示學(xué)生可觀測到小石子先落地的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，那么絕大多數(shù)學(xué)生均會(huì)產(chǎn)生“物體下落速度的快或慢可能與物體自身的質(zhì)量存在關(guān)系”這一實(shí)驗(yàn)猜想；演示實(shí)驗(yàn)②，通過實(shí)驗(yàn)演示學(xué)生可觀測到小石子與紙團(tuán)同時(shí)落地的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，那么基于這一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，絕大多數(shù)學(xué)生則會(huì)產(chǎn)生認(rèn)知矛盾，在否定以往的質(zhì)量影響下落速度的認(rèn)知上又產(chǎn)生“物體下落速度的快或慢可能與物體的形狀存在關(guān)系”這一猜想；演示實(shí)驗(yàn)③，通過實(shí)驗(yàn)演示學(xué)生可觀測到小石子與豎直下放的紙片同時(shí)落地的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，那么基于這一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，班級學(xué)生將會(huì)再一次地產(chǎn)生認(rèn)知矛盾，在否定以往的質(zhì)量、形狀影響下落速度的認(rèn)知上又產(chǎn)生“物體下落速度的快或慢可能與空氣阻力存在關(guān)系”這一猜想。在上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀測與實(shí)驗(yàn)猜想環(huán)節(jié)中，三個(gè)演示實(shí)驗(yàn)雖然致使學(xué)生產(chǎn)生兩次認(rèn)知矛盾，但學(xué)生均直觀地觀測到了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，所以認(rèn)知矛盾的產(chǎn)生與形成新的實(shí)驗(yàn)猜想是學(xué)生構(gòu)建完整知識體系，形成正確物理觀念的切入點(diǎn)。在掌握正確物理觀念之后學(xué)生能夠于之后的“牛頓第一定律”實(shí)驗(yàn)分析中更為肯定空氣阻力對于物體運(yùn)動(dòng)所存在的影響。（二）科學(xué)思維素養(yǎng)培養(yǎng)切入點(diǎn)結(jié)合以往的高中物理教學(xué)實(shí)踐可知在師講生聽的模式下學(xué)生的科學(xué)思維素養(yǎng)較為薄弱，絕大多數(shù)學(xué)生并不能夠獨(dú)立選擇科學(xué)的方法去分析物理問題，同時(shí)關(guān)于某些物理現(xiàn)象的推理也需要依靠教材提示與教師指導(dǎo)。究其原因不僅在于師講生聽的授課模式，還在于教師忽視了學(xué)生科學(xué)思維的訓(xùn)練。那么在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中教師應(yīng)重視在有所啟發(fā)且留有余地的情況下突破教材的局限性對學(xué)生進(jìn)行教學(xué)指導(dǎo)，以此使學(xué)生能夠更為主動(dòng)地去思考問題。例如：在“小車運(yùn)動(dòng)規(guī)律與因素”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中，依照教材內(nèi)容教師大多會(huì)準(zhǔn)備四組實(shí)驗(yàn)器材，并在實(shí)驗(yàn)教學(xué)開始階段利用多媒體設(shè)備告知學(xué)生打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的工作原理，課堂教學(xué)氛圍較為沉悶，那么如果此時(shí)教師向?qū)W生提出“頻率為50Hz的打點(diǎn)計(jì)時(shí)器其時(shí)間間隔是多少”的教學(xué)問題，絕大多數(shù)學(xué)生均能夠快速答復(fù)教師“0.02s”，然而在“頻率變小時(shí)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的周期如何變”這一問題中，絕大多數(shù)學(xué)生則無法快速回答，且回答錯(cuò)誤者較多[2]。說明傳統(tǒng)的授課模式并不能夠使學(xué)生真正地理解打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的周期與頻率之間的關(guān)系。對此，本研究建議教師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)伊始直接向班級學(xué)生呈現(xiàn)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，并鼓勵(lì)班級學(xué)生結(jié)合本次實(shí)驗(yàn)的目的自主安裝實(shí)驗(yàn)器材，從而使學(xué)生在操作的過程中掌握打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的用途與方法。而在此之后學(xué)生也可以較為輕易地回憶起本次實(shí)驗(yàn)課程中所應(yīng)用的方法，如：“測量自由落體加速度”實(shí)驗(yàn)中回憶起“紙帶法計(jì)算加速度”。由此可見，實(shí)驗(yàn)教學(xué)除能夠培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維素養(yǎng)外，還能夠強(qiáng)化物理學(xué)科各章節(jié)知識間的關(guān)聯(lián)性，有利于學(xué)生構(gòu)建完整的知識體系，優(yōu)化學(xué)生的思維邏輯性。（三）科學(xué)探究素養(yǎng)培養(yǎng)切入點(diǎn)教師在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中可以于每一個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中，關(guān)注學(xué)生探究問題、收集證據(jù)、解釋證據(jù)以及交流結(jié)論。例如：在“探究小車速度隨時(shí)間變化規(guī)律”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，本次實(shí)驗(yàn)的核心問題在于觀察、猜想小車速度隨時(shí)間變化的規(guī)律，那么這一問題也將是學(xué)生所要探究的核心問題。在解決問題的環(huán)節(jié)中教師需引導(dǎo)學(xué)生逐一介紹實(shí)驗(yàn)器材、實(shí)驗(yàn)原理，引導(dǎo)學(xué)生閱讀教材呈現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)步驟等，而后鼓勵(lì)各小組學(xué)生開展實(shí)驗(yàn)。那么在此環(huán)節(jié)中打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上打下一系列小點(diǎn)的過程即是探究證據(jù)產(chǎn)生的過程，學(xué)生篩選較為理想的一條紙帶并舍掉初始階段比較密集的點(diǎn)的過程即是探究證據(jù)收集的過程。在數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)，學(xué)生需計(jì)算各點(diǎn)的速度并填入數(shù)據(jù)處理表。而后學(xué)生可以將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理表中的數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)解釋小車速度隨時(shí)間變化的規(guī)律，并與同桌間、小組間交流自己的觀點(diǎn)。在本次實(shí)驗(yàn)教學(xué)中若教師想要提升學(xué)生科學(xué)探究素養(yǎng)的培養(yǎng)效果，還可以將實(shí)驗(yàn)巡視過程中發(fā)現(xiàn)的問題作為探究問題，與班級學(xué)生交互[3]。如：“實(shí)驗(yàn)過程中為什么有些紙帶上的一部分存在沒有點(diǎn)跡的現(xiàn)象，而出現(xiàn)點(diǎn)跡后時(shí)間距已經(jīng)較大？”由此探究問題引起學(xué)生對小車釋放與打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打開順序的關(guān)注（先釋放小車、后打開打點(diǎn)計(jì)數(shù)器）。再如：關(guān)于v-t圖像與x-t圖像存在爭議性的問題“在兩個(gè)圖像中圖像有的是曲線，代表的是物體做何種運(yùn)動(dòng)？”由此探究問題加深學(xué)生對“無論圖像是直線還是曲線均代表物體做直線運(yùn)動(dòng)”的認(rèn)知。由上述實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程可知，學(xué)生參與物理實(shí)驗(yàn)的過程即學(xué)生探究知識的過程，而教師結(jié)合學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作過程所提出的探究問題，進(jìn)一步提升了整個(gè)實(shí)驗(yàn)的探究性，從而保證了學(xué)生科學(xué)探究素養(yǎng)培養(yǎng)的有效性。二、物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中核心素養(yǎng)培養(yǎng)方法（一）演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)法1.情境導(dǎo)入促進(jìn)科學(xué)探究由上文的理論分析可知科學(xué)探究素養(yǎng)所對應(yīng)的探究過程，第一環(huán)節(jié)為發(fā)現(xiàn)問題，那么高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐中教師可以將演示實(shí)驗(yàn)作為一個(gè)教學(xué)情境，于課堂教學(xué)初始階段邀請班內(nèi)學(xué)生按照教師的指導(dǎo)做演示實(shí)驗(yàn)，而后結(jié)合演示實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)探究問題，以此在調(diào)動(dòng)班內(nèi)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的基礎(chǔ)上為學(xué)生科學(xué)探究素養(yǎng)的形成奠定良好的基礎(chǔ)[4]。例如：在執(zhí)教《超重和失重》一課中教師可以預(yù)先準(zhǔn)備四個(gè)體重測量器，并將班內(nèi)學(xué)生平均劃分為四個(gè)大組，隨機(jī)在四個(gè)大組內(nèi)選取四名學(xué)生，要求四名學(xué)生上前做演示實(shí)驗(yàn)，各組其他學(xué)生分別上前圍觀演示實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)進(jìn)程中，教師要求四名學(xué)生站在體重測量器上，并做下蹲動(dòng)作。要求其他圍觀學(xué)生觀察四名學(xué)生在做下蹲動(dòng)作的過程中體重測量器的計(jì)數(shù)變化。為保證四組演示實(shí)驗(yàn)得出統(tǒng)一結(jié)論（顯示的計(jì)數(shù)先變小再變大，而后再變?。?，教師可允許四名學(xué)生嘗試做2—3次演示實(shí)驗(yàn)。待演示實(shí)驗(yàn)結(jié)束后教師要求班級學(xué)生回到自己的座位，并提出“四名學(xué)生下蹲過程中他們的體重發(fā)生了變化？”“體重沒有變化，為何體重測量器上所顯示的計(jì)數(shù)發(fā)生了變化？”的探究問題，從而為學(xué)生后續(xù)理解“視重”“超重”“失重”做好探究興趣準(zhǔn)備。2.課件呈現(xiàn)建立物理觀念對于一些不易于師生參與的物理實(shí)驗(yàn)，教師在課堂教學(xué)中可以借助多媒體設(shè)備，以微視頻課件的形式為學(xué)生演示某一實(shí)驗(yàn)原理，并通過1—3個(gè)演示實(shí)驗(yàn)的連續(xù)呈現(xiàn)幫助學(xué)生快速建立某一物理觀念。例如：在執(zhí)教《曲線運(yùn)動(dòng)》一課中教師可以通過連續(xù)呈現(xiàn)以下三個(gè)演示實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生建立曲線運(yùn)動(dòng)的速度方向?yàn)檠刂鴪A周的切線方向。實(shí)驗(yàn)①：多媒體呈現(xiàn)砂輪打磨金屬塊的過程。學(xué)生可直觀地觀測到脫落“火星”的運(yùn)動(dòng)軌跡，“火星”脫落前的瞬間速度方向?yàn)檠刂鴪A周的切線方向。實(shí)驗(yàn)②：多媒體呈現(xiàn)雨天雨傘轉(zhuǎn)動(dòng)的過程。學(xué)生可直觀地觀測到雨傘上的水滴從雨傘四周脫落的運(yùn)動(dòng)軌跡，“水滴”脫落前的瞬間速度方向?yàn)檠刂鴪A周的切線方向；實(shí)驗(yàn)③：多媒體呈現(xiàn)帶有墨水的陀螺轉(zhuǎn)動(dòng)過程。學(xué)生可直觀地觀測到脫落“墨水”的運(yùn)動(dòng)軌跡，“墨水”脫落前的瞬間速度方向?yàn)檠刂鴪A周的切線方向。上述三個(gè)演示實(shí)驗(yàn)的連續(xù)呈現(xiàn)，保證了演示實(shí)驗(yàn)內(nèi)涵的統(tǒng)一性與實(shí)驗(yàn)結(jié)論的科學(xué)性，相較于單一的多媒體演示實(shí)驗(yàn)而言，三個(gè)演示實(shí)驗(yàn)可強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)內(nèi)涵的可信度，從而幫助學(xué)生快速建立曲線運(yùn)動(dòng)速度方向的物理觀念。（二）學(xué)生實(shí)驗(yàn)教學(xué)法在高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中學(xué)生實(shí)驗(yàn)教學(xué)法也是一種較為常用的教學(xué)方法，教師可以通過強(qiáng)化學(xué)生的實(shí)驗(yàn)參與培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維素養(yǎng)?？茖W(xué)思維素養(yǎng)的內(nèi)涵還指向了模型建構(gòu)，在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中實(shí)驗(yàn)方案是某一物理實(shí)驗(yàn)得以順利開展的框架，所以教師可以通過歸還學(xué)生的主體地位，將實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)權(quán)利交還給學(xué)生，由此促使學(xué)生在構(gòu)建模型的過程中形成科學(xué)思維素養(yǎng)。例如：在執(zhí)教《機(jī)械能守恒定律》一課中，教師可以鼓勵(lì)學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維素養(yǎng)。首先，教師板書實(shí)驗(yàn)原理。其次，教師提出“怎樣設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)才能夠驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律？”的教學(xué)問題，以此教學(xué)問題引導(dǎo)班級學(xué)生結(jié)合實(shí)驗(yàn)原理驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。最后教師給予班級學(xué)生思考設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案的時(shí)間并在師生交互后總結(jié)三種實(shí)驗(yàn)方案，見下述內(nèi)容：實(shí)驗(yàn)方案①：可以任取物體下落過程中的兩個(gè)時(shí)刻，比較兩個(gè)時(shí)刻初態(tài)與末態(tài)機(jī)械能。若學(xué)生應(yīng)用該方案開展實(shí)驗(yàn)僅需測出物體下落過程中兩個(gè)時(shí)刻的初態(tài)、末態(tài)動(dòng)能與初態(tài)、末態(tài)高度之間的差即可驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。實(shí)驗(yàn)方案②：可以將物體剛下落的瞬間設(shè)定為初態(tài)，而后任取物體下落過程中的某一個(gè)時(shí)刻作為末態(tài)。若學(xué)生應(yīng)用該方案開展實(shí)驗(yàn)僅需比較初態(tài)與末態(tài)之間的勢能差即可，同時(shí)，如果學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中所應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)器具為打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，那么物體下落的初速度為0。實(shí)驗(yàn)方案③：可以計(jì)算物體的加速度，如果物體的加速度為9.8m/s2則可驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。若學(xué)生應(yīng)用該方案在計(jì)算物體加速度的過程中學(xué)生可以繪制圖像，而后基于線性擬合的方法驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。實(shí)質(zhì)上除上述三種實(shí)驗(yàn)方案外，學(xué)生也可以使方案①、方案②的物體沿斜面下落，而后基于方案①、方案②的操作思路開展實(shí)驗(yàn)，同樣可