基于核心素養的高中物理實驗教學探究

摘要：21世紀教育關注學生核心素養，在知識獲取的基礎上能力的培養與科學素養的形成更加重要。在物理課堂教學中注重對“物理核心素養”的培養是當前教學改革的重點。鑒于物理實驗的特殊教學功能，物理實驗對物理核心素養的培養有至關重要的作用。本文以“平拋運動”一節物理實驗課為例，就物理核心素養組成的四部分闡述在物理實驗教學中如何培養學生核心素養。

關鍵詞：平拋運動；實驗教學；物理核心素養

自21世紀以來，“核心素養”成為各國各地區教育改革的一個熱門話題。我國于十八大報告中首次提出將立德樹人作為教育的根本任務。因此在我國新一輪課程改革中，培養學生的核心素養是至關重要的。

學生總是抱怨學習物理有什么用處，教師也在不斷思考我們究竟要將學生培養成什么樣的人。其實在學生離開物理課堂走向社會最終留下的東西才是我們要培養的所謂的“核心素養”。關于物理學科的核心素養，全國有很多學者進行過研究與定義。在教育部下發了《普通高中物理課程標準修訂稿》內部征求意見稿中提出：物理核心素養是學生在接受物理教育過程中逐步形成的適應個人終身發展和社會發展需要的必備品格和關鍵能力，是學生通過物理學習內化的帶有物理學科特性的品質，是學生科學素養的關鍵成分。結合物理學科的特點與教學要求，物理核心素養的內涵包括物理觀念、科學思維、實驗探究和科學態度及責任這四方面。下面筆者以人教版高中物理必修二“探究平拋運動運動規律”為例，就物理核心素養組成的四個部分，詳細闡述下以培養學生核心素養為基礎如何進行物理實驗教學設計。

一、 實驗教學過程

本節課的教學過程由三個實驗部分構成，依次從觀察平拋運動運動軌跡到定性探究平拋運動運動規律到定量研究運動規律與驗證。三個實驗的設計環環相扣，體現對學生核心素養的培養。

1. 物理觀念

物理觀念是指從物理學視角形成的關于物質、運動與相互作用、能量等的基本認識，是物理概念和規律等在頭腦中的提煉和升華。

在實驗設計中第一環節是學生自行選擇方案觀察物體做平拋運動的軌跡，雖然學生在生活中觀察到的曲線運動并不少，但卻是在學習了直線運動后首次深入學習曲線運動。學生在設計實驗方案使物體做平拋運動中有助于對物理觀念中“運動觀念”的培養。平拋運動也是學生首次將生活中常見運動進行分析研究，是學習運動合成與分解十分重要的一節。實驗教學過程中水平與豎直方向上“小球運動對比實驗”的進行不僅讓學生具有“運動觀”并知道可以靈活應用“運動觀”分析問題和解決問題，除此之外，學生在實驗過程中會發現不僅是人、小球等物體可以用來做平拋運動的研究對象，細小的水流也可以，有助于培養學生的“物質觀”。

2. 科學思維

科學思維是物理核心素養的中心?？茖W思維主要指高中物理中重要的思維方法，包括建模的思想、理想化方法、分析綜合、抽象概括、批判性思維、推理論證等思維與方法。

本教學設計中在學生初步了解平拋運動運動軌跡之后進一步探究平拋運動的運動規律，其中教師以前一節“紅蠟塊運動”實驗引導學生思考如何將相對復雜的平拋運動化為簡單的直線運動進行研究。學生進行思考教師加以引導得出將其化解為水平與豎直方向的直線運動，巧妙應用“化曲為直”的思想將復雜運動化解為學生熟悉的直線運動。

接下來引導學生對小球進行受力分析，從理論上推測出平拋運動豎直與水平方向應是什么運動。下面教師采用演示實驗的方式進行實驗驗證，用事先準備好的iPhone手機拍攝下兩小球運動在水平與豎直方向運動對比視頻，數據直接連接到大屏幕上用慢動作播放的方式驗證理論猜想是否正確。如圖1和圖2所示。

在此實驗過程中教師始終采取引導的教學方式讓學生自行進行猜測，學生可以自由猜測并說出自己的觀點。實驗過程中將平拋運動分解為水平與豎直方向的運動，這種將復雜的曲線運動化解為學生熟悉的便于解決的直線運動培養了學生“化曲為直”的思維方法。教師在向學生展示實驗儀器之前讓學生先自行進行儀器設計，提出如果自己要驗證猜想會設計什么樣的實驗儀器，鍛煉學生的思維能力。本實驗在用iPhone手機拍攝視頻播放對比分析對小球進行定性分析后又應用DIS實驗儀器對實驗進行了定量分析驗證，培養學生從定性和定量兩方面進行科學推理找出物理規律的科學思維。

3. 實驗探究

實驗探究是核心素養培養的關鍵部分。實驗探究主要指高中物理中通過實驗發現物理規律的方法，包括發現問題、合理猜測、設計實驗探究方案和獲取證據、分析論證、合作與交流、評估和反思等。實驗探究素養的培養又是必須通過實驗探究過程來進行的，也反映了實驗教學在培養核心素養中不可缺少的地位。

本次實驗教學設計由學生自主探究實驗與師生共同探究兩部分組成。第一環節中教師讓學生利用可以得到的資源自行設計實驗方案得到平拋運動的軌跡進行分析。學生在相互討論與參考資料后主要提出了以下幾個實驗方案。

方案一：用實驗室中提供的“平拋運動實驗儀”探究小球做平拋運動的運動軌跡，使小球多次從斜槽上同一位置滾下，則小球每次的運動軌跡相同。觀察幾遍小球的運動軌跡之后，

將帶有吸鐵石的夾子放在運動軌跡上，小球撞擊夾子后便會在墊有復寫紙的白紙上留有痕跡，改變夾子的位置，多次釋放，便會得到一系列的痕跡點，之后將這些點用平滑的曲線連接起來得到小球平拋運動軌跡。

方案二：用生活中常見的礦泉水瓶裝入部分水，在瓶蓋上扎出一個孔，再在瓶下端側面扎出一個小圓孔，松開瓶蓋孔發現水噴出來，并且水流做平拋運動。由此可以觀察水流平拋運動的軌跡。

方案三：參照書中的案例使用數碼相機，將小球放在桌面上，用尺子擊打它，使它離開桌面做平拋運動，這時另一位同學用數碼相機拍攝下小球做平拋運動后幾張連續的照片，觀察小球運動軌跡。

學生在進行平拋運動軌跡研究過程中不僅鍛煉了提出問題、進行猜測的能力，更加培養了設計實驗方案與數據處理分析得出結論的能力。在教師帶領學生共同探究平拋運動運動規律中教師啟發性的提問讓學生不斷進行思考，一切實驗方案的提出總是在學生思考與優化之后給出的實驗設計，學生不是觀察者的角色，而是整個實驗探究的參與者。學生整堂課做到緊跟教師思路不斷進行思考探究有助于深入理解學習平拋運動的知識。

4. 科學態度與責任

科學態度與責任則是物理核心素養的靈魂所在，在各種能力培養之上，教師更希望學生在學習一堂物理課后形成嚴謹的科學態度與研究物理的好奇心與求知欲。希望學生既能正確認識科學的本質，還能主動與他人合作，實事求是，不迷信權威，具有保護環境、節約資源、促進可持續發展的責任感等。對于科學態度與責任的培養絕不是一朝一夕便可以做到的，這就需要教師在每堂教學設計中都要注重此素養的培養，在潛移默化中培養學生的“科學態度與責任”。

本堂課在實驗器材選用上先進DIS實驗儀器與生活物品的融合使用是設計的一大創新。在使用了生活中常見的iPhone手機拍攝視頻進行定性研究之后，采用了數字化儀器DIS對實驗進行了定量研究。在使用DIS實驗儀器前讓學生分析引起實驗誤差的原因，再向學生介紹能減小實驗誤差，使數據處理更方便的實驗儀器。

教師將待研究的物體釋放，物體離開平直軌道之后做平拋運動，通過數據傳感器將物體運動的橫縱坐標展示在電腦上，將數據和圖像展示給學生。

（如圖3、圖4）

得到數據之后，點擊“加速度”一項，程序便可直接計算出物體平拋運動在豎直方向的加速度數值，并與當地的重力加速度進行比較。利用DIS實驗軟件直接進行數據計算，可以較為清楚明了地看出平拋運動水平方向是平拋運動、豎直方向是自由落體運動。

即：x=vt，h=12gt2

在使用DIS實驗儀器進行數據采集時所得到的實驗數據相對來說精確了許多，同時也省去了繁雜的計算過程，可以為教學節省很多時間。DIS實驗軟件還能得出水平和豎直方向上的vt圖，快速、形象、直觀。而這一點是其他實驗器材所無法比擬的。

此環節的設計不僅是用數據計算的方式再一次驗證平拋運動的運動規律，加深學生的印象，同樣讓學生知道用生活用品與數字化儀器都能進行實驗得出結論，視頻拍攝方式更便于定性研究，實驗現象直觀，符合學生的認知特點，學生便于得出實驗結論。DIS實驗儀器則是十分的快速便捷，誤差小。兩種方法可謂是各有側重，各有千秋。兩種實驗方法同時展示也讓學生體會到課堂教學當中是秉承著嚴謹的科學態度。另一方面是在體現物理與生活緊密聯系的同時擴寬了學生的視野。啟發學生在日常生活中可用常見的物品來解決物理問題，有利于激發學生的好奇心與求知欲，培養學生的“科學態度與責任”。整個教學過程中生生之間、師生之間的合作也培養學生與他人合作的精神。

二、 結語

在新的教育改革中，學校學習的重點還是在于高考所考查的內容，但現如今高考題目不單單是考查學生知識的掌握，更多時候是考查學生的科學思維以及是否能靈活應用所學知識。對于能力、科學思維以及科學態度與責任的培養絕不是在題海中能學習到的。只有給學生機會讓學生真正去實踐，從“做中學”才能培養學生的探究意識、創新思維和實踐精神。實驗是物理教學的核心部分，創新物理實驗培養學生的物理核心素養是當前物理教學中培養核心素養的關鍵與有效途徑。如何在設計物理實驗時培養學生核心素養是我們要不斷研究與探索的事情。

（指導教師：韓玖榮、王景躍）

參考文獻：

[1]黎國勝.基于“學科核心素養”的高中物理教學思考[J].教育科學論壇，2016，20（10）：68-71.

[2]彭前程.積極探索基于核心素養理念下的物理教學[J].中學物理，2016，34（3）：1-2.

[3]呂云梅，陳連松.高中物理實驗教學的學科核心素養培育途徑[J].考試周刊，2018（1）.

[4]卓春，蕊楊，光敏，等.基于核心素養導向的高中物理教學設計研究以“反沖運動火箭”為例[J].科技資訊，2017（19）.

作者簡介：蔣東營，江蘇省揚州市，揚州大學物理科學與技術學院。