核心素養背景下演示實驗教學的重構

杜志剛

(山東省肥城市第一高級中學，山東 肥城 271600)

1 問題的提出

演示實驗教學是培養物理核心素養的有效途徑．物理實驗教學對培養學生物理觀念(物質觀、運動觀、能量觀、相互作用觀),科學思維(模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新),實驗探究(問題、證據、解釋、交流),科學態度與責任(科學本質、科學態度、科學倫理、STSE)等4個維度16個方面的核心素養都有重要促進作用．現實教學中,雖然物理教師普遍認識到物理實驗教學的奠基性作用,但在實際教學實踐中還是存在一些不足,例如,實驗方案不夠完善、實驗過程按部就班走形式、實驗現象不明顯,實驗與生活脫節,這些不足影響實驗教學的效果,對整個物理教學造成一些不利影響,不利于培養學生核心素養．“高中物理實驗在培養學生科學素養方面具有獨特的地位和全方位的功能．但在實際的物理實驗教學課堂上,經常可以看到僅僅滿足于模仿、筆做、觀看而忽視反思、體驗、生成的現象．”[1]為此有必要對高中物理實驗教學進行重構,從而改進教學效果,更好地服務于學生的學習,提升教學效率．實驗教學的重構可以從完善實驗方案改進實驗效果、借助視頻動畫優化實驗現象、豐富探究內容優化探究結果、避免實驗教學程式化培養學生科學思維、將物理實驗教學拓展到課外培養學生的實踐意識等5個教學策略,實現實驗教學的效果最優化,讓核心素養的培養得到真正落實．

2 演示實驗教學的重構策略

2.1 借鑒完善實驗方案

教材上的實驗方案是教學中學生分組實驗或者演示實驗的重要依據．教材中所給出的實驗方案也是編者根據學生的知識基礎、認知水平等綜合考慮,反復斟酌．但教師在實驗教學中要根據學生實際情況進一步完善實驗方案、實驗內容,讓學生能夠更好參與到實驗中,達到優化實驗教學效果,充分發揮實驗教學促進學生動手、動腦的作用,讓學生更好地通過實驗掌握知識,形成物理觀念,培養學生科學思維能力,實驗探究能力．“物理實驗是手腦并用的實踐活動．教材中大量的演示實驗和學生實驗,我們不能采取簡單的拿來主義,讓學生照方抓藥,機械操作．我們必須根據學校自身的教學資源,學生的認知水平,對教材提供的實驗方案進行適當的重構或者改進．”[2]有的實驗,按照教材上所給的實驗操作,難度實在太大,學生幾乎無法完成,為此教學中需要對實驗方案進行重構、優化,降低實驗操作難度,讓更多學生都能夠完成實驗,達到更好的實驗效果．

例如,在人教版、滬科版物理必修1中,研究滑動摩擦力時采用的實驗方案的裝置是一樣的,如圖1所示．在實驗時,彈簧秤的讀數要等于滑動摩擦力,物體就必須做勻速直線運動,然而在操作過程中要做到這一點非常不容易,一般情況下物體會做變速運動,彈簧秤讀數忽大忽小．為了降低實驗操作難度,教師在組織實驗教學時候可以借鑒魯科版教材的實驗方案,對實驗教學進行優化．魯科版實驗方案如圖2所示．該方案的優點在于:從A下抽出B,無論B做什么運動,A都是靜止的,保持平衡態,彈簧秤對A的拉力都等于B對A的滑動摩擦力．這大大降低實驗操作難度,更多的學生能夠完成實驗．

圖1

圖2

2.2 利用視頻動畫優化實驗現象

一些實驗現象不明顯,物理過程太快或太慢,太宏觀或太微觀,在物理課堂上不能演示,此時利用視頻、動畫突破時空束縛逼真模擬演示,讓學生觀看．雖然學生沒有親自動手,但實驗視頻或動畫現象明顯、可見度高、直觀形象,學生認識會更清楚,理解會更透徹．這能給學生很好的學習體驗,最大限度彌補了不能動手實驗的缺憾．

例如,在光電效應的教學中,該實驗成功的概率較小,而且實驗中學生只能看到驗電器張角的變化或者電流表G讀數的變化,而為什么會這樣需要教師進行詳細準確的解釋．解釋、推理的過程學生會覺得抽象、枯燥,在教學中在讓學生觀察光電效應實驗或實驗視頻后,給學生播放如圖3所示的動畫．通過動畫演示,學生對光電效應現象、原理有了深刻理解．

圖3

再如,原子核的衰變、裂變等不可能在實驗室或教室完成,播放模擬動畫能夠加深學生的印象,深化學生對現象與知識的理解．

2.3 補充慢鏡頭輔助實驗結果分析

物理上一些實驗現象明顯,操作簡單,學生可以在教師的引導下完成．但實驗過程很快,學生來不及詳細觀察實驗現象就結束了.這會影響學生根據實驗數據或現象分析得出正確的實驗結果．為此,教師可以在學生實驗之后,補充實驗慢鏡頭,讓學生通過觀察慢鏡頭分析實驗結論,慢鏡頭可以延長學生的觀察時間,可以根據需要暫停,還可以在慢鏡頭上添加運動物體的軌跡或其他有助于學生理解的標記等,使得實驗現象的呈現最優化,實驗教學效益最大化．

例如,在研究平拋運動的實驗中,需要通過實驗得出可以將平拋運動等效成水平方向的勻速直線運動和豎直方向的自由落體運動．實驗儀器簡單,操作方便,學生都能完成,但卻難以根據實驗分析出結論,原因在于實驗現象太快,教學中給出圖4所示的實驗視頻慢鏡頭,讓學生觀察,即可快速得出正確結論．

圖4

2.4 豐富實驗探究素材優化探究結果

教學中經常需要列舉生活實例、演示實驗，然后歸納得出一般性的規律、特點．有時,教材所給的例子具有局限性,涉及范圍不夠廣泛、不夠典型,且所列舉例子都是以文字、圖片說明為主,教學中教師要想方設法開發演示實驗將教材中的文字、圖片變成實驗過程,將不夠典型的例子替換,并補充探究內容,豐富實驗探究素材,讓學生在探究中有更深刻的體驗,讓學生通過實驗探究更好得出一般性結論．

以牛頓第三定律教學為例,教材上列舉了手拉彈簧、推桌子、湖面上推船、地面上物體和地球相互吸引等例子說明物體間力的作用具有相互性．這些例子有如下3個不足: (1) 物體類型涉及面不夠廣泛,所有的例子都只涉及固體和固體間的相互作用; (2) 力的類型涉及面不夠廣泛,只涉及重力、彈力; (3) 地面上物體和地球相互吸引的例子不具有典型性,學生沒有學習萬有引力定律,很難理解,教師的解釋也只能是灌輸．如果根據這些例子得出結論“物體間的作用是相互的”,教學有以偏概全的不足,阻礙學生科學思維的培養,也會因為灌輸式的講授讓學生缺失知識的建構過程,難以深入理解、切實掌握所學知識．為了改善教學效果,給學生提供更豐富的實驗探究,積累更多的感性素材可以讓學生完成圖5—圖9的實驗．圖5中甲乙兩人拔河,一人站在滑板上,甲乙互相給對方拉力;圖6中將硬紙板放在圓柱形鉛筆上,電動玩具車置于紙板上,啟動玩具車,車往前走紙板后退,車和紙板互相給對方摩擦力;圖7中,啟動玩具直升飛機,飛機上升,手明顯感覺到氣流向下,直升飛機與空氣產生相互作用;圖8中,彈簧秤下掛一個重物,記下讀數,將重物放入臺秤上的水中,彈簧秤讀書變小,臺秤讀數變大,彈簧和重物,重物和水,水和容器,容器和臺秤之間都產生相互作用;圖9中給導體棒通電后,導體棒受到安培力運動,小車和磁鐵向相反方向運動．

圖5

圖6

圖7

圖8

圖9

在上述實驗中,不同種類的物體(固體、液體、氣體)之間,產生不同性質的力,重力、彈力、摩擦力、電磁力等．充分的實驗探究可以讓學生更容易得出、理解“物體之的作用總是相互的”這一結論,更有助學生形成物理觀念,落實核心素養培養．

2.5 開展課外探究實驗培養實踐意識

實踐意識屬于核心素養“科學態度與責任”范疇,與科學本質、科學態度、科學倫理、STSE都聯系密切,培養學生的實踐意識可以有效落實核心素養的培養．教學中,加強物理與生活的聯系,將物理教學內容、物理情景多與生產生活場景聯系,多取材于學生生活,尤其是將與生活有關的實驗延伸到課外．

物理實驗探究延伸到課外常見的策略有如下兩種： (1) 是將與生活聯系密切的內容設置為課題讓學生在課后進行研究和手工制作,例如學習完必修1之后,讓學生進行課題“橋梁的研究”,具體內容包括:橋梁有哪些種類?為什么有這些不同的設計?建橋的材料及性能;自己設計并制作一個橋梁模型等．還可以,進行“各種汽車加速性能的對比研究”,“觀察、分析自行車上增大和減小摩擦的做法”、“剎車時車輪抱死的利與弊”等課題的研究．[3](2) 將日常生活與物理探究實驗有機融合．例如,在平拋運動的研究中,為了描述平拋運動的軌跡,除了可以利用實驗室的設備,還可以利用飲料瓶和細管開發成實驗裝置,如圖10(甲)所示，并讓學生嘗試用圖10(乙)和圖10(丙)的裝置通過細水柱的形狀來演示平拋運動的軌跡,比較3種情況的不同之處,并且解釋為什么要采用圖10(甲)的裝置．最后,讓學生思考圖10(甲)與生活中什么情景相類似,體驗該裝置的優點．

圖10