基于核心素養談高中物理學生必做實驗

方學文 李成金

[摘? ?要]物理新課程標準注重發展和培養學生的物理學科核心素養，而物理實驗不僅是物理教學的重要內容，而且對于培養學生的物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任具有重要的作用。文章基于物理核心素養，談談高中物理課程標準（2017年版）要求的學生必做實驗。

[關鍵詞]物理核心素養;高中物理;必做實驗

[中圖分類號]? ? G633.7? ? ? ? [文獻標識碼]? ? A? ? ? ? [文章編號]? ? 1674-6058（2019）08-0054-02

物理核心素養是物理學科育人價值的集中體現，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關鍵能力和必備品格，是學生科學素養的重要組成部分，它主要由“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態度與責任”四個方面的要素構成[1]。

普通高中物理課程標準（2003年版）將“科學探究”作為重要的學習內容和教學方式。然而，對新課程實施的調查研究發現，盡管廣大教師認同科學探究的教學理念，但科學探究的質量不高[2]。普通高中物理課程標準（2017年版）相較于2013年版，強化了科學實踐，并且明確規定了學生必做實驗（必修課程12個、選擇性必修課程9個，共計21個必做實驗）。物理學是一門以實驗為基礎的自然科學。物理實驗不僅是物理學的重要研究方法，也是物理教學的重要組成部分，在中學物理中，闡述物理現象、形成物理概念、建立物理規律等都以實驗為基礎。因此物理實驗對培養學生的物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任具有重要的作用。本文基于學科核心素養談談普通高中物理課程標準（2017年版）規定的學生必做實驗必做的原因。

一、建立物理觀念，形成物質觀念、運動與相互作用觀念、能量觀念

物理觀念是其他物理核心素養的形成和發展的基礎，是物理概念和規律在頭腦中的提煉與升華，是從物理學視角解釋自然現象和解決實際問題的基礎[3]。物理實驗能幫助學生掌握物理核心概念，形成物理觀念。

[案例1]選擇性必修3中的“用油膜法估測油酸分子的大小”實驗，利用宏觀量的測量求出微觀量的大小，根據一滴油酸酒精溶液中油酸的體積和油酸在水面形成的單分子油膜的面積，從而得到油膜的厚度來估測分子的大小。雖然把分子當作球形處理，這是分子的簡化模型（圖1），但是通過這種估算方法能使學生理解分子模型，能對物質的成分及分子大小的數量級有比較清晰的認識，能對學生形成物質觀念產生促進作用。

[案例2]必修1中的“探究加速度與物體受力、質量的關系”實驗，該實驗通過控制變量法分別探究加速度與物體所受外力和加速度與物體質量之間的關系（圖2）。實驗過程中，學生作出a-1/m和a-F的函數圖像，進行分析，形成結論。通過對該實驗的探究，學生不僅能深刻理解位移、速度、加速度等重要概念，綜合運用所學知識分析問題，進行推測，而且能理解力是物體之間的相互作用和運動與相互作用的關系，認識機械運動與力的關系是整合運動與相互作用觀念的基礎。

[案例3]必修2中的“驗證機械能守恒定律”實驗，該實驗研究自由下落過程中動能與勢能的變化，[mgh=12mv2]，從而驗證機械能守恒定律。通過該實驗，學生知道在只有重力或彈力做功的物體系中，動能和勢能相互轉化過程中總量保持不變，即機械能守恒;能認識到能量是整個物理學的基本概念和建立能量觀念，使學生對物理學中能量相關概念和規律有概括性認識。學生能通過這些必做實驗建立系統的物理觀念，能從物理學的視角正確描述和解釋自然現象，能應用所學物理知識解決實際問題。

二、鍛煉科學思維，包括模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新

科學思維是基于經驗事實建構理想模型的抽象概括過程;是分析綜合、推理論證等方法在科學領域的具體應用;是基于事實證據和科學推理對不同觀點和結論質疑、批判，進而提出創造性見解的能力與品格[3]。很多物理實驗需要基于事實突出問題的主要方面，忽略次要因素，建立理想的物理模型，并且基于事實進行分析綜合、推理論證。

[案例4]如必修3中的“探究平拋運動的特點”實驗，此實驗將曲線運動分解為直線運動，即與平拋運動的初速度相同的水平勻速直線運動，并和平拋運動的水平分運動對比，將發生的自由落體運動和平拋運動的豎直方向的分運動對比，由力的獨立作用原理推測平拋運動的物體在不同方向上的運動情況，概括出平拋運動的特點。學生不僅經歷了“對比—概括—抽象”的過程，建立起了平拋運動的模型，而且學生經歷把一個整體的事物分解為幾個要素研究，以及把問題的幾個要素結合成一個整體進行綜合認識的思維過程，提高了學生的分析綜合能力。而在探究平拋運動的過程中，不僅僅是只有教材的實驗設計才能探究此運動的特點，學生在進行實驗時會有不同的問題，也有很多新想法，他們會質疑，甚至提出平拋運動實驗的創新設計，如通過噴水法和頻閃照相法也可以探究平拋運動規律，這培養了學生的質疑能力和創新能力。通過此必做實驗能培養學生將實際問題轉換成物理模型的能力、培養學生對綜合性物理問題的分析推理能力和創造性解決物理問題的能力。

三、培養科學探究能力

科學探究是指提出物理問題、形成猜想和假設、設計實驗與制定方案、獲取和處理信息、基于證據得出結論并作出解釋，以及對科學探究過程和結果進行交流、評估、反思的能力[3]。在高中物理課程中，科學探究更關注的是物理實驗。通過物理實驗提高學生制訂計劃的能力。學會從原理、器材、信息技術、信息處理方法等方面來構思探究計劃，學會通過查詢相關的資料來完善探究計劃。通過物理實驗讓學生體會科學研究中相互合作的必要性。

[案例5]選擇性必修2中的“探究影響感應電流方向的因素”實驗，此實驗涉及很多物理量，但是如何形成有效的猜想，可以引導學生嘗試從電流的各種效應入手猜想，包括熱效應、磁效應和化學效應。稍加分析可知，學生可能從電流的磁效應入手，即假設感應電流的方向和感應電流的磁場方向有關系。接著由前面的探究感應電流的產生條件是通過穿過閉合電路的磁通量的變化來研究的，所以學生又會從原磁場和感應電流磁場的磁通量的變化之間有無關系來研究。接下來探究感應磁場的方向和穿過線圈的磁通量的變化關系和感應磁場的方向與原磁場方向的關系，綜合歸納得出“增反減同”的結果，最終得到楞次定律[3]。通過該實驗，能提高學生做出有依據的假設、制訂計劃的能力，讓學生學會把探究課題分解為幾個相對獨立的小問題，根據現有條件選擇適當方法構思探究計劃;讓學生學會依照事實和證據，運用邏輯推理確定物理量之間的關系;讓學生學會交流探究方案的設計、數據收集和整理、結論的得出與解釋。

四、培養科學態度和科學責任

科學態度與責任是指在認識科學本質，理解科學·技術·社會·環境關系的基礎上，逐漸形成嚴謹認真、實事求是和持之以恒的科學態度，以及遵守道德規范，保護環境并推動可持續發展的責任感[3]。學生做任何實驗都必須實事求是，不可捏造和偽造數據，能基于證據和邏輯發表自己的見解，所以學生必做實驗不僅能提高學生科學探究能力，而且可以培養學生嚴肅認真對待實驗的態度，尊重實驗結果與事實，從而使學生勇于承擔科學責任。

五、結束語

這21個學生必做實驗，有些綜合地體現了物理核心素養的四個方面，如通過必修3中的“探究平拋運動的特點”實驗，讓學生經歷平拋運動的概念和規律的學習過程，掌握物理觀念;讓學生通過“化曲為直”的方法，制定與平拋運動相聯系的勻速運動和自由落體運動比較的科學探究方案，獲得并分析數據，培養科學探究能力;讓學生將實際問題轉化成平拋運動模型，并分析推理獲得平拋運動的規律，培養學生的科學思維;通過該實驗，讓學生認識到物理實驗必須實事求是，不能捏造數據，養成科學態度。有些重點體現的物理核心素養的某些方面，如選擇性必修3的“用油膜法估測油酸分子的大小”實驗重點體現了分子大小的物質觀念;如必修3中的“測量電源的電動勢和內阻”實驗，重點在于讓學生設計實驗和制定方案，獲取和處理路端電壓和電流的數據，并通過分析論證得出結論，即培養學生的科學探究能力和科學思維能力。總之，在學生必做實驗的教學中，圍繞核心內容，創設讓學生參與科學實踐活動的學習情境，引導學生發現問題，通過實驗經歷概念、規律的學習理解過程，引發學生探究的思考，促進科學思維和科學探究能力的發展，同時有助于培養學生良好的科學態度與責任感。

[? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?]

[1]? 中華人民共和國教育部. 普通高中物理課程標準（2017年版） [S]. 北京：人民教育出版社.2018.

[2]? 馬亞鵬， 王較過. 高中物理新課程教學方式轉變的實踐研究[J]. 基礎教育課程， 2014（2）：7-13.

[3]? 郭玉英，姚建欣，張玉峰. 基于學生核心素養的物理學科能力研究 [M]. 北京：北京師范大學出版社，2017.

[4]? 凌子屹， 梁吉峰， 夏偉寧. 綜合運用物理科學方法探究感應電流的方向：聯用控制變量法和歸納法對感應電流方向探究過程的再思考[J]. 中學物理， 2017（9）：13-15.

（責任編輯 易志毅）