基于核心素養的物理實驗教學
——以DIS簡單邏輯電路實驗為例

杜曉賀 倪 敏 郭強友 楊 陽

(上海師范大學數理學院 上海 200234)

近兩年中學物理教學中關于物理學科核心素養的討論熱度越來越高，由普通高中物理課程標準我們知道物理學科核心素養包括科學思維、物理觀念和科學態度與責任等.科學思維也就是要求學生將他們所熟悉的實際問題中的對象和過程轉換成物理模型，具有問題意識，從不同角度思考物理問題；物理觀念層面要求學生能從物理學的視角正確地描述和解釋自然現象，能靈活運用所學物理知識解決實際問題；科學態度與責任層面要求學生有學習和研究物理的內在動機，能與他人合作[1].本文在解讀核心素養的基礎上，分析了常規實驗教學中容易忽視的核心素養培養因素，并以DIS簡單邏輯電路為例，提出了核心素養指導下的實驗教學改進策略.

1 常規實驗教學中忽視了核心素養的培養

1.1 物理觀念的培養意識淡薄

(1)最近這幾年我國高中物理教材按照課程標準的要求進行了很多次改革，加入了很多貼合生活實踐的知識，但高考那一張試卷仍然免不了以基礎理論知識等記憶性內容為考查的主體，所以在高考試卷的導向作用下，上到教師下到學生都還是注重記憶基礎理論知識而很少注意科學物理觀念的形成和應用[2].而且有很多學生從小就聽說物理這門課難度高，從心理上就對物理沒有好感，其實物理學有很多與生活實踐的融合，有很多接地氣的知識，但是學生們帶著對物理的疏離感就沒法接觸到物理知識的本質，沒有辦法形成正確的物理觀念.

(2)很多教師為了追趕教學進度，為了更快速地把知識傳授給學生，他們甚至不帶領學生做實驗，而是在多媒體上進行演示，并且提前告知學生實驗步驟，注意事項[3].這樣學生不可能得到很好的物理觀念的訓練.

1.2 科學思維的培養力度不夠

(1)應付高考考試仍舊是學校教學的重點，這也就使得高中物理教學中對于物理實驗教學的投入相對較少，這也就造成學校在高中物理實驗室建設以及實驗設施的購置投入較少，導致許多實驗器械已經無法被再次投入使用，無法讓每個學生都在實驗課上有操作的機會，這些問題的長期存在使得高中物理實驗教學的有效性變得非常低下，也就沒有辦法讓學生很好地感受物理實驗，體驗科學思維.

(2)教師在實驗教學中沒有做到層層遞進、循序漸進、由淺入深地提出好問題，引導學生自主探索，啟發學生思維.問題不可太過跳躍，每個問題都要讓學生夠得著，讓學生在問題的解答中獲得成就感，然后趁熱打鐵，層層深入.我們知道學生們愛玩游戲，因為很多游戲會設置豐富的激勵措施，在學生一步一步完成任務后會很有成就感，我們在教學中也可以借鑒這種模式，合理地設置問題并多多鼓勵學生，讓學生在高效率的持續學習中增強科學思維.

1.3 科學態度的培養不受重視

(1)很多時候教師提問是一連叫起很多學生反復提問同一問題，只因為學生所回答的不是教師心目中的“理想答案”，久而久之，學生們也知道了老師只是想聽到教科書上所寫的“標準答案”，進而照本宣科讀出書中原文，失去了表達各種觀點的熱情，以學生為主體的思想形同虛設，導致學生對物理課程和物理知識越來越疏離，失去興趣.

(2)在教學中學生可能會問與門、非門和或門內部電流的流向是怎樣的？內部電路構造是怎樣的？實際上因為邏輯電路元件內部電路不同于普通直流電路，中學階段沒辦法給學生們完全說明，使他們透徹理解.而有的教師為了追趕教學進度或者自己對邏輯電路的認識不夠全面，會給學生畫出近似的邏輯門內部的直流電路，其實這容易對學生造成誤導.邏輯電路涉及到二極管、三極管、CMOS芯片等知識，可以在教學設計的過程中加以思考，適當滲透.

2 核心素養指導下的實驗教學改進策略

2.1 注重物理觀念的培養

引導學生形成物理觀念，從物理學的視角描述所看到的、所感受到的實驗現象.在簡單邏輯電路這一節實驗課中，學生由于對相關知識不夠了解，會對與門、非門和或門內部電路的形態產生疑問，學生會延續以往的直流電路的分析模式，問老師這些元件內部電流怎么流？元件內部到底是什么樣的電路形態讓它能夠控制燈的亮滅，控制鈴響與不響？

其實邏輯電路知識對高中生來說是一種新的抽象的物理知識，邏輯電路強調的是邏輯狀態，邏輯門元件的輸入和輸出都是用兩種邏輯狀態來表示，也就是“0”和“1”，開關的斷開和閉合，燈的亮和滅，鈴響與不響都對應的是這兩種邏輯狀態.這就要求學生把實際生活中的種種表象經過分析之后抽象成兩種邏輯狀態，而邏輯門元件就是一個處理輸入的邏輯狀態并得到特定邏輯狀態的裝置，而不要去想邏輯門內部電路是什么.教師應該引導學生去理解這是一種黑箱的思想觀念，黑箱思想讓我們在分析問題時忽略無關的表象，忽略局部的無關的復雜系統而從整體上把握問題的本質.

當然，我們要鼓勵學生發問，鼓勵學生刨根問底，有的學生對邏輯門內部電路構造感到好奇，所以教師可以給有興趣有精力的學生滲透二極管、三極管、CMOS芯片、集成電路等邏輯電路的有關知識，這些知識都是以“0”和“1”這兩種邏輯狀態作為基礎的，學生經過教師的引導和自我查閱資料也會加深對這種抽象邏輯思維的理解，形成正確的物理觀念.我們也可以通過學生們熟知的直流電路來模擬邏輯電路的邏輯關系，使學生對相關知識加深理解，如表1所示，但要強調這是對邏輯關系的模擬，不是真實的電路，以免對學生造成誤導.

表1 3種基本邏輯門

在有了正確的物理觀念的基礎上，教師可以引導學生體驗生活中的邏輯電路應用，比如車門報警器的應用，如圖1所示為簡單的車門報警電路圖，圖中的兩個按鈕開關S1和S2分別裝在汽車的兩道門上，如果兩車門均已關好，那么跟兩車門對應的開關S1和S2均閉合，即輸入邏輯均為“0”，那么輸出也是邏輯“0”，電流不通過發光二極管，這時發光二極管不會發光報警;只要其中任何一個車門打開時，S1或S2就處于斷開狀態，即輸入為邏輯“1”，那么輸出也是邏輯“1”，這時就有電流通過發光二極管，使其發光報警.這一實驗可以作為演示實驗，教師通過演示實驗加深學生對“0”和“1”這兩種邏輯狀態的認知.在學生理解了這兩種邏輯狀態之后，教師可以進一步發問：“我們知道，汽車一般有4扇門，那么我們怎樣改裝電路可以讓報警器能為全部4扇車門報警？”在這個過程中使學生能很好地體會物理知識與生活實踐的融合，成功地運用所學的抽象知識解決具象的實際問題，能有效指導工作和生活實踐，而不是機械地記憶基礎理論知識，從而打造良好的物理觀念.

圖1 車門報警電路圖

2.2 創設問題情境 培養科學思維

教師要做好精心的教學設計，要營造一個良好的課堂氛圍，調動學生積極性，創設與知識聯系緊密的教學情境，激發學生學習興趣，在實驗中培養學生的物理思維.邏輯電路的知識抽象程度比較高，所以為了增強學生的興趣以及加強學生對該部分知識的理解，教師要盡可能地將抽象的邏輯聯系到生活實際，將生活中常見的事物、學生熟悉的情境、學生感興趣的東西與物理知識相聯系，用物理知識來解決生活中的問題，學以致用.

另外，從課堂教學的反饋來看，中學生群體除了少數特別有天賦的學生以外，大多數學生都比較缺乏在獨立狀態下自主進行完整的實驗探究的能力，他們需要教師適當的引導和啟發.在實驗教學中，既不能把實驗方案、操作步驟直接拋給學生讓學生進行機械的實驗操作，也不能沒有任何參考資料和問題的引導而使學生閉門造車.而且設置的問題要由淺入深，讓學生有能力回答，并且在一步一步加深理解中，獲得成就感.

比如在學生了解了邏輯門的基本知識后，嘗試用邏輯電路來設計樓道燈的方案，教師用小區中樓道燈的短片作引入之后，接下來告知學生可以用手中的器材親自做出一個樓道燈，然后進行引導，問學生樓道燈要滿足什么條件，什么時候亮？什么時候滅呢？通過自身生活經驗和觀看短片，學生可以答出樓道燈白天保持熄滅狀態，而夜晚有聲音時燈亮.接下來要引導學生將燈的亮暗，聲音的有無，黑天白天的狀態抽象成兩種邏輯狀態“0”和“1”.黑天白天可以用光敏電阻元件的有光無光狀態來表示，有光時為高電位“1”狀態，無光時為“0”狀態[4]；聲音傳感器元件有聲時為高電位“1”狀態，無聲時為“0”狀態；燈亮為“1”，燈滅為“0”.根據之前的分析，可以引導學生得到表2所示的真值表.

表2 樓道燈邏輯真值表

由表2可以看出，只有同時滿足無光和有聲條件，燈才會亮，這符合與門的特性，所以燈要作為與門的輸出端，要通過與門與其他元件相連接，聲和光元件作為與門的輸入端.而且只要有光燈就不亮，符合非門的邏輯特性，所以光敏電阻元件要連接一個非門.連接好的電原理圖和實物圖分別如圖2及圖3所示.

圖2 電原理圖

圖3 實物圖

電路連接好之后，教師可以通過設置問題來引導學生進一步思考，比如把光敏電阻元件的特性換成有光時為低電位“0”狀態，無光時為“1”狀態，這種情況下又該如何設計電路呢？引導學生從不同角度審視檢驗物理結論，用不同方式分析解決物理問題，加深對物理問題本質的理解，促進學生科學思維的發展.

2.3 教學中滲透科學態度

培養學生的科學態度也就是要讓學生認識到物理研究是一項對知識進行抽象的創造性工作，要有學習和研究物理的興趣和動機.所以教師要聯系生活實際引導學生學習物理的興趣和動機.比如當前正值中美貿易戰的時期，美國控制尖端科技例如高端芯片技術的輸出，給中國的發展帶來很多困難，而我們所學習的邏輯電路知識是集成電路芯片技術的基礎，所以我們的學習是很有意義的.如果學生對集成電路基礎知識感興趣，教師可以適當地給學生介紹二極管和邏輯電路的聯系等基礎知識，這一部分知識時要先簡單介紹半導體中P-N結的單向導電性，再進一步介紹二極管的單向導電性如圖4所示，最后結合電原理圖展示二極管構成的邏輯門電路，如圖5所示是二極管構成的與門電路[5].

圖4 二極管導電特性圖

圖5 與門電路

通過以上知識內容的補充，學生對邏輯電路知識的理解會更加透徹.另一方面，師生交流中除了交流的內容之外，表達方式也很關鍵，表達方式的合理與否很大程度上影響學生的學習效果.中學生普遍對物理這樣的理科科目興趣不是很大，所以教師自身要善于表達積極樂觀的情緒，加強語言的抑揚頓挫強弱變化、表情情緒的傳達、動作手勢的控制，來帶動、鼓舞學生的情緒，引導學生的興趣.

3 總結

核心素養與物理實驗教學的結合需要注意以下幾點：

(1)物理觀念和科學思維是物理學科核心素養的關鍵內容，教師在進行教學設計要多下苦功，創設合理的學習情境，設置恰當的問題引導學生做實驗，培養學生的物理觀念和科學思維.

(2)教師應該不斷完善自身的專業素養，對每個物理概念精準理解，精益求精.比如在DIS簡單邏輯電路實驗中，邏輯門的輸入端和輸出端不宜使用電壓一詞，應該用電勢、電位等代替，避免學生因為電壓表示電勢差而在電路分析中去尋找這個差值，誤入歧途[6].

(3)學生的核心素養發展不是一朝一夕就能完成的，教師要循序漸進對核心素養與物理實驗教學的結合進行探索，在實驗過程中與學生進行良好的溝通與評價，互相反饋，教學相長[7].

核心素養與物理實驗教學的結合應用很廣泛，本文僅僅是以DIS簡單邏輯電路為例做一點簡單的思考，希望可以啟發更多的教育工作者.