創新實驗方法培養物理核心素養

陳海

【摘 要】本文就創新實驗方法，培養物理核心素養進行研究，提出在高中物理教學中，教師可以通過測量法、模型法、控制變量法等多種實驗方法優化學生的物理意識，使抽象概念具象化、知識對比得到升華。

【關鍵詞】創新實驗 核心素養 高中物理

【中圖分類號】G ?【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2019）08B-0071-02

隨著全面教育的發展，物理學的學科地位也在逐年上升，其中大部分的物理知識都是從實驗室中獲取的。動手實驗不僅能夠增強學生的知識貫徹度，還可以適應當代素質教育的要求去培養有動手能力、實驗探究能力的高中生。但是對于學生而言，實驗往往是晦澀枯燥的，因此，在高中物理的課堂上教師需要引領學生創新試驗方法，用各種新穎的、有效的方式帶領學生獲取知識，以培養學生的物理核心素養。筆者將從以下幾個方面進行簡要論述。

一、測量法，優化意識

（一）應用變換原理，轉換測量。在高中物理的實驗中有很多物理量是不方便測量的，但是我們可以通過轉換去測量易獲得的物理量，再根據已知條件推導計算出所需要的數據。這樣實驗難度會大大降低，測量數據也變得更加簡便，但需要學生比較透徹地理解物理量的轉化和內在關系。

例如，在講授高中物理必修 2“探究平拋運動的規律”時，需要測量物體拋出時的瞬時速度 v，這個物理量我們如何得到呢？顯然直接測量是沒有相關工具的，因此，筆者引導學生考慮能否換一種思路不直接測量而是由其他物理量推斷呢？同學們根據我們之前學過的知識提出：要想得到平拋運動拋出時的速度，可以通過測量平拋運動的距離得到。將其分解可知：水平方向的位移 x=v0t，vx=v0，豎直方向的速度 vy=gt，我們首先利用秒表記錄該平拋運動的時間 t，再測量出水平、豎直方向的位移，最后根據公式 ，即可得到瞬時速度。這樣復雜的速度問題可以簡化，測量的數據也便于獲得且更加準確，學生只需要把握好所用的公式和思路即可得到最后的結論。

可以看到，學生在進行物理量的測量時不必鉆牛角尖，我們可以采取“曲線救國”的方式，通過測量簡便的物理量，剖析其內在聯系計算出所需物理量。這不僅能提高學生的實驗動手能力，能使學生鞏固基礎知識和對物理量之間相互關系的合理應用，優化學生的實驗意識。

（二）應用相似原理，模擬測量。在高中物理學習過程中并不是所有的物理量都是可以測量的，由于環境條件的局限性有很多數據我們沒辦法獲取，這時教師可以培養學生模擬測量。運用相似原理人為地構建模型，可以將實際物體按照一定的比例縮小或者放大測量數據反推結論，還可以構建性質相似模型。

例如，在講授高中物理選修 3-1“磁現象和磁場”時，要想讓學生知道磁感線是如何分布的，我們可以利用鐵屑的分布去推斷。在課堂上筆者先帶領學生回顧一下我們已經學過的磁場對處于其中的磁極產生力的作用的現象，類比電場可以推斷磁極與磁極之間的相互作用是由于磁場的存在而產生的。在進行了一系列的小實驗以后我們驗證了這個假設，由此讓學生思考電場中可用電場線來表示電場方向，磁場中用什么來表示呢？這就是所謂的磁感線了。我們在一張白紙上均勻地撒上鐵屑，將電磁鐵放在上面可以看到鐵屑受到磁場力的作用形成一條一條的線狀，這樣的線條就是其中的磁感線?？梢钥吹酱鸥芯€是封閉的曲線，利用鐵屑就可以得到它的路線，這大大方便了我們之后的磁場探究。

在這個過程中教師需要注意，一定要引導學生分析出其中的相似點，透徹了解其聯系才能更好地運用好模擬測量這一方法。這在一定程度上降低了物理測量難度和實驗成本，可以在條件有限時加以利用，讓學生的實驗思維活躍起來，嘗試多角度思考，而不局限于物理量本身。

二、模型法，形象直觀

（一）替代模型，突出主要矛盾。所謂替代模型就是將某個物理概念放大或者縮小，但是其本質和特性保持不變，便于物理實驗過程分析的物理模型。這個過程主要傾向于突出物體本質的特征和主要矛盾，將次要的、不必要的那部分縮小甚至是忽略，使得我們實驗所需要研究的對象從客觀實體中抽離。

例如，在講授高中物理必修 1“相互作用”中力的分解時，我們要對某一個物體所受到的力進行分析。筆者拿出一個木塊將其斜壓在墻面上，使得它保持靜止狀態，請同學們畫出受力分析圖。學生們將木塊看作一個質點，它哪個部分受到筆者手的壓力并不重要，它只是一個受力的整體，可以忽視。分析得到木塊具有自身豎直向下的重力 G，筆者的手給它的向上傾斜的壓力 F，以及墻體給它的水平向左的支持力 FN，豎直向上的摩擦力 Ff，這四個力達到了均衡狀態。根據畫出的受力分析圖構建直角坐標系可以看到豎直方向向下受到了重力 G，向上受到摩擦力 Ff 和壓力 F 的分力;水平方向向右有壓力 F 的分力，向左為墻體的支持力 FN。將木塊看作質點大大簡化了分析過程。

雖然替代模型在很大程度上簡化了實驗思維過程，但是教師需要對學生的替代模型構建過程進行嚴格地監督。一旦模型構建錯誤或者忽視了原物體中的重要特征、本質，會直接影響到我們最后的實驗結果。學生需要學會找到物理實體中的主要矛盾，將其分離出來構建。

（二）相似模型，發現同樣規律。在實驗過程中有些事態的發展目前是沒有相關條件可以達到的，如何能進行合理的預測呢？這就需要師生一起構建相似模型，抓住實驗的本質利用模型去推斷其中的規律?？梢钥吹侥Ｐ秃驮偷母臼窍嗤?，故而我們可以發現一定的規律，使得實驗更加形象直觀。

例如，在講授高中物理選修 3-1“庫侖定律”時，根據章節背景可以知道本節主要探究的是靜止點電荷之間相互作用力的規律。請同學們回想一下我們在之前物理的學習過程中是否還有什么相互作用與本節內容相似呢？這時有同學提出：“我們之前學習過天體之間的相互作用力，當時得到的最終結論為萬有引力公式 ?。我們如果探究電荷之間的相互作用力其實可以類比該模型。”于是筆者帶領學生開展本節課的學習，庫倫由實驗得出在真空條件下兩個靜止的點電荷之間的相互作用力與其電荷量的乘積成正比，與它們之間的距離成反比，可以推導出這樣一個公式：（）學生在進行記憶時聯系萬有引力定律可以避免出錯。

在這個過程中需要注意模型必須保持與原型的相似才能做出規律的合理推斷。因此，構建相似模型時我們首先要對原型的本質進行剖析，抓住其內在根本以后再將其簡化成可以操作的物理模型，最后根據模型的實驗探究反推原型的相同規律，形成一個完整的實驗思路。

三、控制變量法，比較研究

（一）結合日常練習，驗證猜測。要想得到某一個因素對實驗最終結果的影響，需要保證其他變量都是相同的狀態，這就是所謂的控制變量法。在高中物理的教學中此法屢見不鮮，我們可以先讓學生進行理論分析做出合理假設，在日常實驗中加以練習驗證，長此以往學生可以熟練掌握變量法。

例如，在講授高中物理選修 3-1“歐姆定律”一章節時，首先請同學們觀察一下教室里的小燈泡，有同學提出教室里左邊的燈泡亮度比右邊的更亮。根據之前學過的知識可以畫出電路圖，這兩個小燈泡是并聯的關系。這時我們可以得到兩個小燈泡兩端的電壓 U 是一樣的，通過的電流 I 越大則燈泡越亮。學生們推測：這兩個小燈泡的電阻 R 是不同的。于是我們自己動手做了一個電路，將小燈泡與滑動變阻器、電流表串聯起來，將一個電壓表并聯在小燈泡兩端。一切準備就緒以后打開開關，燈泡發光，電路通路。根據電壓表、電流表測量出小燈泡兩端的電壓 U 以及通過的電流 I，移動滑動電阻器的滑片得到多組數據，最后得出 ?這個公式，即歐姆定律：在同一電路中，通過某段導體的電流跟這段導體兩端的電壓成正比，跟這段導體的電阻成反比。

我們鼓勵學生進行自主研究，根據自己目前已經獲得的知識進行合理的假設，并利用實驗驗證自己的假設。在日常練習中使學生體驗了成功和失敗，學會分析，從而提高了我們的教學效率，也增強了學生的實驗能力。

（二）結合實際生活，主題探究。高中物理知識體系的建構是由一個又一個的主題建立起來的，實驗的設計自然也是如此。教師根據主題結合實際生活，將理論聯系實際，使學生敢于提出自己的想法并進行自我探究。

例如，在講授高中物理選修 1-1“生活中的靜電現象”中的尖端放電時，筆者在課堂開始時給學生看這樣一張圖片：電閃雷鳴的天空劃過一道閃電，建筑物上面的尖尖的避雷針引人注目。筆者問：“同學們，你們知道為什么避雷針要設計成這個樣子嗎？”讓學生討論。由此筆者講解尖端放電現象與原因。并向學生提問，根據同種電荷互相排斥原理和電荷總量守恒定律，你們可以猜測一下避雷針的作用原理嗎？同學們推斷這種尖狀金屬物會連接地上的金屬板，當雷擊時異種電荷聚集在尖端產生尖端放電現象，避雷針中電荷中和避免了雷擊。因此，教師需要注意拓展教學內容，盡量在主題探究時多引用生活實例，加強學生生活與課堂之間的聯系。

我們可以看到，每種方法都可以應用于多個實驗，同時，在一個實驗中也可以用到很多種方法。我們需要根據情況選擇合適的方法，在動手實驗的過程中培養學生的物理核心素養，培養其成為社會需要的全面人才。物理實驗的方法當然不局限于以上幾種，我們希望教師能夠不斷優化高中物理教學。

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【作者簡介】陳 海（1970— ），男，中學一級，現就職于北流市第二中學，從事物理教學。

（責編 盧建龍）