基于核心素養的高中物理實驗教學的創新與實踐

金加團　楊雪明

物理學是一門以實驗為基礎的學科，物理實驗是物理教學的一個重要部分.《物理課程標準》明確把“物理課程應致力于學生物理素養的形成與發展”放到了物理實驗教學的重要位置.只有通過實驗驗證所學的理論知識.才能夠讓學生真正理解所學知識的實際意義，能夠幫助學生對基礎知識有更透徹的理解，從而更有效地提高成績.但是，部分高中物理教育工作者應試教育思維根深蒂固，高中物理實驗教學被嚴重忽視，成為高中物理教學的薄弱環節.由于實驗教學被忽視，導致了理論與實踐脫節嚴重，學生不能夠將理論知識與實踐經驗相結合，對成績的提高與學生科學素養的培養帶來負面影響.

高中物理學科的核心素養包括：物理觀念、科學思維、實驗探究和科學態度與責任，加強和改革高中物理實驗教學，既符合物理作為一門以實驗為基礎的學科特征，又是高中學生物理核心素養形成的主要途徑.本文針對目前高中物理實驗教學的現狀，闡述了高中物理實驗教學的重要性與意義，分析了目前高中物理實驗教學的問題，并給出了實驗內容要突出時代性與先進性，以學生為主體的實驗教學理念，以及如何培養學生核心素養的實驗教學方法的改革建議.經過幾年實驗教學的創新與實踐，總結了所取得的主要經驗和實踐成效，供同行交流、指正！

1主要經驗

1.1培養學生對物理創新實驗設計的興趣

物理的教學始終離不開物理實驗的教學，有趣的實驗現象是激發學生探索自然、理解自然的興趣與熱情的催化劑，親手操作是培養學生物理技能和實踐能力的最佳途徑；此外親身的實驗經歷能讓學生體驗科學探究的過程、了解科學研究的方法，有助于提高學生的科學素養.

1.1.1在自主課堂上設計相關的創新實驗引入課題

在引入新課時，我們教師會選擇一些有趣、新奇和使學生感到意外的創新演示實驗，由創新實驗引入課題，激發學生探究欲望.比如：抓百元大鈔引入自由落體，將一百元的人民幣折成紙團從一定高度自由下落，讓一位學生在下面用兩只手指來抓住，提高課堂趣味性；“巧勁拉書”突破超重失重規律教學，首先將兩本的物理書一頁一頁的疊在一起，叫兩個力氣大的男生將用力把書拉開，他們不管怎樣使勁都無法將兩本書分開.再叫一個女生，偷偷告訴她秘籍，要求她把書從較低的地方輕輕上拋，等書到最高點時，兩只手分別抓住兩本書的邊緣將他們分開了，這就是利用了完全失重的原理.這些創新實驗具有真實、形象、生動的特點，對中學生有很強的吸引力，極易喚起他們的興趣，創造愉悅的物理學習環境，以激發學生的求知欲望.

1.1.2在自主課堂上，注重學生徒手做分組“小”實驗

這些實驗基本不需其他實驗器材，主要利用雙手進行實驗，如將雙手的食指肚正對接觸并用力擠壓來說明“作用力與反作用力大小相等，方向相反、作用在一條直線上”；或用五指并攏來觀察遠處日光燈光線的衍射現象.通過這些簡單的“小”實驗，讓學生即加深了對物理知識的理解，又體會了做實驗探究的樂趣.

1.1.3開設《玩具中的物理》選修課，拓展學生視野

這門選修課從物理學角度介紹了從傳統玩具與現代玩具的設計原理，涵蓋高中物理的力學、熱學、電磁學、光學、原子物理學的各個部分.比如不倒翁的原理，從力矩角度解釋不倒本質；飛機和風箏的原理，從流體力學角度闡明了尾翼設計的重要性.使用玩具進行物理實驗教學，充分挖掘玩具的物理特點及刺激功能，對激發學生的學習興趣、學習的主動性和學生探索、創新能力的培養可產生獨特的教育功能，可起到使用現成實驗儀器所起不到的獨特作用.

1.1.4定期舉行趣味性創新實驗大賽

大賽讓學生經歷“提出問題——猜想假設——設計實驗——實踐實驗——分析評估——交流總結”的探究過程，如“水火箭的制作與發射比賽”“雞蛋撞地球比賽”“紙橋承重比賽”等.進一步培養了動手、歸納、交流的能力和團隊合作精神，同時也體驗到科學探究的喜悅，加深了對物理規律的理解和信任，領悟到一定的科學思想和精神，促進學科核心素養的全面養成.

1.2提高自身修養，提高實驗創新能力，傳播實驗教學理念

作為教學活動的主導者，教師首先要對實驗在物理教學中的重要性有足夠的認識，其次要充分利用教材中已有的實驗資源，并能夠根據教學實際設計一些創新性的實驗，同時引導學生進行實驗創新設計.物理實驗的創新設計，是教師秉承新課程標準的開放性理念，由課程的復制者走向課程的創造者的有效嘗試.它可以有效促進學生自主、富有個性地學習，對學生的科學探究能力、實踐能力和創新意識的培養大有裨益.

1.3創設創新性實驗大廳、操作性實驗室和開放性實驗室

1.3.1大廳實驗

在學校大廳走道制作一系列展板，向學生介紹物理學最為經典的、最為前沿的實驗，在大廳里擺放能讓學生直接動手操作的儀器.實驗裝置可以激發學生的興趣，讓學生通過動手操作理解實驗的方法和原理，引領他們走進物理世界.

1.3.2操作性實驗

操作性實驗設立于創新實驗室內.設立這些實驗的目的，主要是進一步激發學生的興趣，引發學生的思考，培養學生的物理思想，初步形成一定的科學意識和素養.

有些實驗，學生無法通過自己的思考和簡單的閱讀或自學去理解其原理和內在的物理概念，而學生觀察到了某種實驗現象后又有迫切需要解開這些謎團的意愿，我們就轉移到實驗室中，在老師的帶領幫助下解開這些謎團.有些演示實驗無法在大廳放置，我們將這些實驗放在實驗室內進行，一方面老師可以現場指導，另一方面對實驗器材的保護也比較好.還有一部分針對參加物理競賽的學生開設的實驗，我們也將它設立在操作實驗室內.

1.3.3開放性實驗

這是創新實驗室創建的重點，真正能夠鍛煉學生科學素養和創新能力的方式，只有通過自己的動手體驗和感悟才能做到.

我們創建創新實驗室的目的主要是要培養學生的問題質疑能力、發散想象能力和遷移獨創能力.因此在設置實驗內容和方式的時候改變了以往僅僅服從于教材和教學需要的模式，而是以滿足學生的需求和促進學生的發展為宗旨的模式.傳統實驗更注重的是對實驗原理和實驗步驟的要求，而對實驗的創新、改造和再開發支持不夠.傳統的實驗盡管有其成熟、經典、嚴謹的優勢，但是對于培養學生的創新意識，顯得有些力不從心.

學生的開放性實驗主要依托學習包展開.在高中階段，主要有以下四個學習包：自由落體、太陽能的利用、自動控制和模塊機器人以及電磁波.除了要充分利用教材上的材料和內容外，還要適當的加入課外拓展部分.

2實踐成效

2.1一年一次的物理創新實驗設計大賽成為了學校科技節傳統的比賽項目

學生參與積極性高，探索科學知識的愿望強烈，在校園內形成了良好的科技創作氛圍.

2.2創設了校園科技長廊

向學生介紹物理最為經典的、最為前沿的實驗.拓展學生的思維，激發學生探索科技的欲望，提升了學校的影響力.

2.3建立了多個實驗室

交通事故研究、拋體運動研究（豎直上拋、平拋、斜拋）、超重與失重、水波干涉、聲速的測量、逆風行舟、翻身陀螺、飛機升力演示儀、傅科擺、陀螺儀、啄木鳥、凱爾特魔石、昆特管、比利時咖啡壺、多米諾骨牌、不會掉下來的圓環、耦合單擺、圓偏振駐波、動量守恒演示儀、超聲霧化器、迷你鍋爐、太陽能發電、卡文迪許扭秤等.

電磁學實驗室：安培力演示儀、電磁炮、赫茲諧振器、避雷針原理、光電效應、雅各布天梯、靜電擺球、富蘭克林輪、磁懸浮演示儀、磁阻尼擺、磁阻尼管、溫差發電演示儀、自感現象演示儀、互感現象演示儀、電流秤、高壓輸電模型、光的偏振現象、全息照片、輝光放電、自動控制電路、腳踏發電機、法拉第圓盤發電機、地磁場產生感應電流、沖擊電流計.

2.4確立了開放性實驗的四個主要學習包

2.4.1自由落體

自由落體學習包的課內任務主要是探究自由落體的運動規律.而在此之外，我們還建立若干子課題，這些子課題包括驗證型的和探究型的.驗證型的例如：重力加速度的精確測量，重力加速度和緯度的關系等；探究型的例如：測人體反應速度，對雨滴的下落的研究，重力加速度的測定方法等.

2.4.2太陽能的利用與新能源的開發

太陽能的利用除了完成課內任務以外，還聯系能量的轉化、新能源的開發和利用等相關內容進行展開.

有關太陽能的子課題有：建造太陽能發電塔、提高太陽能發電效率的方法、太陽能發電技術及其發電效率等；有關新能源的子課題有：太陽能驅動斯特林熱機的研究、制作風力發電機、太陽能照明、LED照明技術、聲音制冷等.

2.4.3自動控制和模塊機器人

自動控制在課內部分比較簡單，因此我們要求學生和創造發明課結合起來，進行一些較為復雜的邏輯電路的設計和制作，并且應用這些邏輯電路實現簡單的自動控制功能，能夠做出成品，應用到教室或是家庭中.如防盜系統的設計、自動感應燈光系統、交通信號燈的自動控制等.

模塊機器人即可利用樂高機器人參加機器人比賽，也可以獨立設計機器人，還可以把一個機器人進行模塊化，每個小組設計一個模塊，最后組裝成為一個可以運行的機器人，作為一個完整的項目來進行.這個項目的重點是小組統籌協作和通過設計來實現不同的功能.

2.4.4電磁波

電磁波的常識和種類是課內所要求的，除此之外我們還可以進行電磁波的測量、電磁波對生物的影響、無線通信技術（信號的調制與解調）、天線的設計等課題的研究.還可以進行輻射的研究，比如核輻射的測量、核輻射和電磁輻射的區別等等.

2.5形成了一套基于自主課堂的物理實驗創新性設計的方法

如“找不足”列舉法、“談理想”列舉法和“知識交集法”來引導學生進行實驗創新.“找不足”列舉法，顧名思義，就是列舉事物的缺點或不足之外，再針對性地提出解決方法和措施.其中，找到事物的缺點或不足之處是本方法應用的重點；“談理想”列舉法，這是一種通過提出對事物的希望或理想，進而探究解決方法和措施的創新技法，其應用要點在于如何提出合理的希望或理想；“知識交集法”則是對相關聯的知識原理、實驗器材進行不同的實驗創新設計.

2.6促使科學素養的養成向基本核心素養的轉化

主要表現在我們的學生創新和實踐能力提高了，與他人的團結協作、溝通討論能力加強了，學習態度更加端正了，思考問題更加嚴謹了，做事的責任心也更強了.

3問題思考

只有通過訓練有素的實驗教學，才能使學生在獲取物理知識的同時，潛移默化地形成良好的科學素養，如：嚴謹的科學態度，實事求是的科學作風. 同樣，只有加強實驗教學，才能培養出具有較強動手能力的學生，而這種能力正是日后成為合格勞動者所必需的勞動技能素質的基礎.中學物理實驗教學要注重方法滲透，要注意階段性和層次性，由低到高有觀察法、實驗法、控制變量法、推理法、類比法、數學法、等效法、近似法、假設法、模型法等.教師要明白學生對思想方法的領悟是一種潛移默化的滲透過程，而不可把方法當作知識向學生灌輸，其滲透過程是循序漸進的、潛意識的，不同年級對同一方法的滲透是螺旋遞進的不能一步到位.我國物理創新實驗教學研究起步較晚， 開放式教學方法的實施更無從談起， 目前， 多數高中物理實驗還是普遍采用傳統式、灌輸式的教學方法， 尤其在實驗教學中采用啟發式、引導式等教學方法相對較少.正因為如此， 學生利用物理實驗室進行研究性學習和創客工作的人很少；在實驗完畢后， 由學生自己利用計算機處理數據的學生更是寥寥無幾.進一步來講， 利用數字物理實驗室， 解決生產和生活中實際問題的學生， 以及橫向拓寬實驗設計的學生就更少了.這一切都充分地說明了學生的實際操作能力是非常有限的， 也暗示著目前物理實驗教學還存在著許多方法上的問題.

3.1物理實驗創新與實踐是一門可以通過學科素養的落實轉為學生素質的課程

雖然我們在這門課程的教學上已經取得一定的成果，但這是一門持續性的課程，我們依然要思考“物理能留給學生終身受用的東西是什么？”這個問題，我們希望通過我們的努力，能培養學生核心素養的形成，讓學生成為全面發展的人，促進核心素養教育的發展.

3.2在創新實驗室的創建伊始，還有許多不足和疏漏之處，很多問題在創建的過程中逐步去發現和解決

學生探究開放實驗的過程，也是對我們創新實驗室的完善起到十分重要的作用.只有做好積累工作，逐步地將學習包擴大，形成學生自己的學習包，這樣的創新實驗室才能不斷地自我完善和不斷地推陳出新，這才是名副其實的創新實驗室.這些并不是完全由老師來完成，而是主要由學生來參與完在.也正是這樣，才能突出創新教學的思想，突出學生的主體作用.讓學生在物理實驗的創新與實踐中形成學科核心素養，成為全面發展的社會需要的人才.