基于課堂教學中培養核心素養的科學探究

陳家禮 張成清

摘要：核心素養首先讓學生提出物理問題，然后形成猜想，進而通過物理實驗過程獲取信息并及時處理信息；根據實驗得到的相應證據，形成實驗結論，最后針對得出的結論作出合理的解釋.為使得到的結論更加合理，還需要對實驗探究過程進行交流與反思，最終得到令人信服的物理概念或規律.核心素養的培養離不開科學探究，在高中物理新概念的教學活動中，通過適當的實驗探究活動使學生對新物理概念形成科學、合理、完整的認知，從中學生要學會問，學會猜，學會做，學會想，還應學會相互合作.

關鍵詞：課堂教學，核心素養，科學探究

作者簡介：陳家禮（1971-），男，廣東清遠人，本科，中學高級教師，研究方向：高中物理學科教學；

張成清（1962-），男，湖北黃岡人，本科，中學高級教師，特約教研員，研究方向：高中物理學科教學.

在應試教育和“考什么學什么”等觀念的束縛下，高中物理教學活動中實施科學探究始終是物理教學中最為薄弱的環節之一，大多數的探究活動基本流于形式.最嚴重的體現在兩個方面：一是高中物理實驗探究教學多數停留在呈現物理現象、觀察物理實驗過程、機械完成物理實驗操作層面上，學生完成實驗最多也只是停留在驗證性實驗、測量性實驗、基本儀器的使用等“考試適用性”實驗上，“探究性實驗”也幾乎變成“驗證性實驗”，很少有真正的探究活動，更不用說在新課教學活動中讓學生進行自主實驗探究；二是在物理實驗的教學中，學生基本是被動地照搬實驗報告中的實驗方法與步驟進行物理實驗，缺乏實驗的探究與創新.這種狀況直接導致學生科學探究問題的能力得不到訓練，設計實驗的能力得不到提高，從而使學生喪失觀察、思考和進行科學探究的興趣.這種教育觀念和教學方式在很大程度上損傷了學生科學探究的積極性，抑制了學生的科學探究能力，禁錮了學生的創新思維，這與國家提出的中長期發展綱要中的要求“發展學生的核心素養的理念”是相違背的，如何在課堂教學活動中加強科學探究，提高學生的科學探究能力，培養和發展學生的核心素養？筆者以高一物理必修二（人教版）實驗探究課第七章第六節 《實驗：探究功與速度變化的關系》為例談談高中物理課堂教學中進行科學探究的感想.

1創設實驗條件，為科學探究活動作鋪墊

11教科書中的實驗裝置

高一物理必修二（人教版）第七章第六節 《實驗：探究功與速度變化的關系》教科書中對做功與物體速度變化的關系的探究采用的是如圖1所示裝置，首先通過平衡摩擦力的方法實現了橡皮筋的拉力是使小車速度改變的的唯一原因，其次通過改變橡皮筋的根數可以控制力對小車做功成比例增大（假定橡皮筋完全相同，每次伸長均相同），最后通過紙帶記錄的點跡確定小車的速度，完成這些探究活動就可以為科學確定做功與速度變化的關系提供很好的實驗依據.

以上探究活動從理論上講，是科學的也是合理的，但不是很完善.整個探究過程存在兩個問題：第一，在實驗過程中很難保證小車一定按照如圖1中的虛線路徑運行（很容易出現翻車、行進路線飄忽不定等），尤其是在實驗探究課中讓實驗技能不是很熟練的學生自己完成實驗探究難度更大，小車速度的測量存在不確定性；第二，每次成倍地增加橡皮筋的根數而獲得做功的大小比例關系，存在實驗結果不具有一般性的嫌疑.

2實驗裝置的改進和調試

為了探究做功與速度變化的關系，可以改進實驗裝置，創設實驗條件，使探究活動更加完善，也更易于學生自主完成.如圖2所示，利用懸掛鉤碼的重力拉小車，使拉力對小車做功，通過實驗記錄探究功與速度變化的關系，這種實驗裝置在驗證牛頓第二定律時已經使用過，學生比較熟悉，也能熟練進行實驗操作，為了達到實驗要求的條件，先進行基本的調試.

【教學活動片斷一】

（1）教師讓學生按照如圖3所示的裝置完成探究實驗所需要的平衡摩擦力的實驗步驟（將長木板右端抬高，形成一個斜面）；

（2）由于高一必修一已經做過驗證牛頓第二定律的實驗，各組學生很快完成此任務（在取下鉤碼的條件下，通過調節平板的傾斜程度，再輕推小車使其在平板上做勻速運動，小車的運動情況可以利用紙帶的記錄確定）；

（3）完成平衡摩擦力后，學生有一種期待，想利用該實驗裝置立刻測量出力對小車做功的大??；

（4）教師要及時提出問題：第一，利用懸掛鉤碼的重力拉小車，使拉力對小車做功，要測量這個功的大小需要測量哪些物理量？第二，拉力的大小如何確定？

（5）經過短暫的思考和交流后，學生很快確定了問題的答案：第一，需要測量拉力的大小和小車的位移；第二，如圖4所示，在滿足mM的條件下，可以認為T=mg.利用圖4所示裝置通過記錄所掛鉤碼的個數確定拉力的大小，利用紙帶記錄的點跡位置確定小車的位移，最后確定拉力對小車做功的大小.

2完成實驗的測量，記錄可供實驗探究的實驗數據

【教學活動片斷二】

（1）教師讓學生按照圖4所示裝置完成在不同的拉力作用下小車的運動情況，并記錄在不同拉力作用下小車的位置（鉤碼的個數和小車的位置坐標）；

（2）如圖5所示，教師指導學生進行測量和有關計算并填表.

測量的內容是A、B、C、D、E、F、G等各點到第一個點O的距離x1、x2、x3、x4、x5、x6、x7，由Wn=mgxn計算出做功的大小，由公式vn=xn+1-xn-12T（n=2、3、…）計算B、C、D、E、F、G等各點速度，A、G兩點的速度由運動學方法確定，并填寫設計的表格中.

（3）表1是教師收集到三位同學的實驗結果.

3合理利用實驗數據，進行猜想、嘗試，最后得出實驗結論

從以上收集到的三位同學的實驗結果看不出做功W與速度v之間的內在聯系，依據數據處理的一般方法，可以利用Excel中的圖表功能進行處理.

31根據甲同學的實驗數據得到的幾個圖線

從實驗數據可以看出，做功W與速度v之間的存在正相關的關系，可以猜想做功W與速度v之間可能存在W∝v，也可能存在W∝v2，W∝v3，W∝v等.

利用Excel的圖表功能得到甲同學完成實驗時的W-v圖線（如圖6）、W-v2圖線（如圖7）、W-v3圖線（如圖8）和W-v圖線（如圖9）.

通過比較W-v圖線、W-v2圖線、W-v3圖線和W-v圖線的形狀，雖然實驗存在誤差，但W-v2圖線幾乎就是一條直線，而且實驗過程具有一般性，這說明在初速度為零的情況下，力對物體做功與物體獲得的速度的平方成正比.

32根據實驗結果得到最終的實驗結論

甲、乙、丙三位同學完成實驗時，所使用的小車質量有差異，三位同學的實驗結果對應的表格見表2所示.

將三位同學的實驗結果在同一個W-v2圖象中比較，得到如圖10所示的圖象，由圖可知，若小車質量不同，則圖象的斜率不同，并且小車質量越大，斜率越大，由此可見合外力的功與物體質量正相關，這說明物體的動能與物體質量有關，為后面動能的探究埋下了伏筆.

至此，整個實驗探究活動結束，通過實驗探究，學生不僅切身體會到力對物體做功與物體運動速度變化之間的定量聯系，還通過不同組學生同時開展不同條件下的實驗獲取物體的動能與物體質量有關的事實，這比教師純說教式的教學方法更加有效，也為后面進一步學習其它的物理規律起到很好的引導作用.在實驗探究過程對實驗數據的處理中，有效利用Excel的圖表功能是能獲取實驗結論的關鍵因素，因此，要向學生灌輸這方面的相關知識，只有這樣學生對探究才有興趣，有熱情，有動力，使探究成為一種常態.

筆者認為這種教學模式比傳統的說教更有說服力，更能激發學生潛在的學習意志.在高考升學的巨大壓力下，要真正在教學中推行新課程標準的教育理念，建議能嘗試一下這種科學探究活動，也可能會起到意料之外的效果.

參考文獻：

[1]張啟業，殷卿.“問題化學習”培養學生物理核心素養的教學策略[J].中學物理，2018（9）：23-25.