初中物理創新實驗的開發策略

秦亮

物理核心素養是學科育人價值的集中體現，是學生在接受物理教育的過程中逐步形成的、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。

物理學科核心素養主要由物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任四種要素構成。其中，科學探究注重實驗和實踐。那么，在實驗教學中，為了激發學生的學習興趣，培養學生的核心素養，對實驗進行創新是很有必要的。

一、實驗內容的創新

常規課堂教學中的實驗，主要包括教師演示和學生分組實驗。這兩種實驗的內容，基本上都是根據課程標準和教材來實施的。在實踐中，有更多的創新內容可以作為課堂實驗的補充，比如綜合實踐活動，社團活動，校本課程中的實驗，研學基地中的實驗，科技館、博物館中的實驗，等等。

1.綜合實踐活動、社團活動、校本課程中的實驗

案例一：探究連通器的構造和工作原理

在學習《連通器》一課時，教師可以帶領學生參觀水利設施，面對現實中的船閘為學生講解。這便于學生對連通器的構造、原理和運行進行直接觀察和理解，使學生體會到科學、技術、社會的緊密聯系。

2.研學基地中的實驗

案例二：探究發電機的工作原理

在學習《產生感應電流的條件》一課時，教師可以帶領學生到研學基地近距離觀察風力發電機，請專業人員講解風力發電機的相關知識。這樣更有利于學生對知識點的掌握、理解，使學生認識到許多工具都源于物理學的發明創造。

3.科技館中的實驗

案例三：靜電實驗

在學習《電荷》一課時，教師可以帶領學生到科技館親身體驗靜電實驗。學生用手觸摸靜電球，身體內聚集了電荷，形成電場，頭發便順著電場線的方向豎起來了。由于腳下是絕緣體，所以電荷并沒有流動，也就沒有形成回路，因此無須擔心觸電。

二、實驗方式的創新

從學習模式和合作模式來看，實驗的主要方式包括學生獨立完成的實驗、學生分組合作完成的實驗。前者以家庭自主實驗為主，后者以課堂分組實驗為主。二者都屬于傳統的實驗方式，其局限性在于科學探究的四個方面，即問題、證據、解釋、交流往往無法得到充分的體現，難以完成學科核心素養的培養。

1.基于項目化學習的物理實驗

項目化學習，即學生在一段時間內通過研究并應對一個真實的、有吸引力的問題、課題和挑戰，從而掌握重點知識和技能。項目化學習的重點，是學生的學習目標，包括基于標準的內容以及批判性思維、問題解決、合作和自我管理等技能。因此，基于項目化學習的物理實驗，對培養學生的學科核心素養有著重要的作用和意義。

案例四：平均速度的測量

（1）尋找核心知識。在進行實驗前，首先要了解與這個項目化學習相關的關鍵概念、基礎知識和技能，即平均速度的概念、路程的測量、時間的測量等。

（2）設計驅動性問題。如，通常高速公路上是如何進行區間測速的？我們如何在運動場上的模擬區間測速？

（3）設計公開成果及評價要點。項目小組根據每個成員對區間測速相關信息收集進行交流討論，達成共識;設計實驗方案，在運動場上進行實驗。

（4）設計認知策略。一般有兩種做法：一是通過實地調研深入了解區間測速的原理和操作方法，二是設計實驗方案以再現高速公路上的區間測速。

（5）設計學習實踐及評價要點。項目小組通過社會實踐了解并掌握高速公路區間測速的原理和操作方法，通過探究性實踐在運動場上進行區間測速的實驗。

（6）深化全程評價。通過專業人士、物理教師的外部評價與項目小組成員的內部評價，項目小組成員對區間測速（平均速度的測量）進行反思，并撰寫反思筆記。通過與其他項目小組進行交流與分享，實現對項目的改進、創新和拓展。

2.基于STEAM教育的物理實驗

STEAM教育中的綜合素養主要包括：科學素養、技術素養、工程素養、藝術素養、數學素養。STEAM的本質是跨學科整合，而不僅是一個或多個學科的疊加。借助STEAM教育，最終目標是提高學生的創造力，核心概念是跨界思維。

案例五：能量的轉化——太陽能月球車

課程標準在關于“機械能、內能及其轉化”的部分中提出，通過實驗，學生認識到能量可以從一個物體轉移到另一個物體，不同形式的能量可以互相轉化。教師可將學生分成幾個實驗小組，為每個小組提供太陽能月球車的實驗器材套裝。學生合作分工，根據說明書和制作材料完成太陽能月球車的模型制作。學生通過實驗，理解了太陽能發電是指將光能轉變為電能的發電方式。太陽能屬于清潔能源，不會對環境造成污染，只要有陽光就能實現能量轉換，使用起來非常方便。

3.基于進階式學習的物理實驗

學習進階是對學生在一個時間跨度內學習和探究某一主題時，依次進階、逐級深化的思維方式的描述。學習進階致力于描述學生的思維發展過程，建立科學的認知發展模型，為教學序列的安排提供了依據，讓教學科學、有序、高效。初中物理實驗進階式學習的流程包括經驗、映射、關聯、系統和整合。

案例六：探究凸透鏡成像規律

（1）經驗。學生知道用放大鏡觀察物體時，物體會變大，但尚不清楚自己觀察到的正立、放大的虛像屬于凸透鏡成像規律中的一種情況。

（2）映射。學生手持凸透鏡觀察周圍的物體，當被觀察物體到凸透鏡的距離以及眼睛到凸透鏡的距離發生變化時，所觀察到的影像也隨之變化。進階：教師指導學生學習關鍵術語，即焦點、焦距、物距、像距、實像、虛像等。

（3）關聯。教師提供實驗器材，指導學生進行分組實驗。進階：學生通過操作、觀察、記錄等手段，發現凸透鏡成像時，焦距、物距、像距具有內在的聯系，進一步理解虛像和實像的含義。

（4）系統。通過學生的交流討論與教師的評價，師生共同總結出凸透鏡成像的規律。進階：學生學習從物理現象中總結歸納科學規律的方法，體驗科學研究的過程與方法。

（5）整合。教師指導學生學習凸透鏡成像規律在生活中應用的具體事例。進階：在探究凸透鏡成像規律的實驗中，激發學生的求知欲，培養主動與他人合作和交流的精神;學生能用核心概念統整對物理觀念的理解，并建構物理觀念間和跨學科概念之間的聯系。

三、實驗器材的創新

1.自制教具實驗

自制教具活動，是指教師或學生利用生活中或實驗室中常見的材料，來制作能夠演示物理原理和實驗規律的實驗儀器的教學活動。自制教具活動體現了課程改革理念，強調實踐與創造并重，注重科學與工程統一。

案例七：探究光的傳播與反射規律實驗裝置

將長方體形狀的玻璃缸擺放在平整的桌面上;在玻璃缸底部固定一塊小平面鏡;向玻璃缸中注入自來水;將少量淺色顏料或牛奶滴入水中，用玻璃棒攪拌至均勻;將一個鐵架臺放在玻璃缸左側;將紅色或綠色激光筆固定在夾子上;將夾子平行固定在鐵架臺上;打開激光筆的開關，可觀察到一條清晰的光線沿直線從水中穿過;將激光筆的光線對準小平面鏡，可以觀察到清晰的光的反射現象。

該裝置的特點：使用器材較少，組裝便捷，使用簡便;可以觀察到非常明顯的實驗現象;利用率高，能拆分組合成探究不同光學現象的實驗裝置。

2.信息化實驗

數字化信息系統（DIS）實驗室，是為實現理科教學和信息技術整合而開發的，是運用現代信息技術進行學習的一種手段。DIS運用傳感器采集實驗數據，通過接口與計算機連接，完成數據采集，并能給出數據分析表和曲線，從而實現了實驗數據的即時處理和直觀表現。DIS實驗簡化了實驗數據的采集過程，在觀測小信號和瞬間變化信號、處理數據和分析實驗結果等方面具有傳統實驗儀器不可比擬的優勢。這種方式不僅擴大了測量范圍，而且提高了精度、速度，拓寬了研究范圍。

案例八：觀察聲音的特性

（1）觀察聲波的圖像。使用電腦預裝的數據采集器，進入物理實驗專用界面，將聲波傳感器接到數據采集器第一通道上;敲擊音叉，將聲波傳感器靠近聲源，就可以在屏幕上觀察到聲音的波形圖像。由此證明發聲的物體在振動，且具有波形特征。

（2）觀察音調與頻率的關系。進入物理實驗專用界面，選取兩個頻率不同的音叉，用相同的力度分別在聲波傳感器附近敲擊，觀察不同頻率聲音的波形圖像。點擊“開始”按鈕，敲擊音叉，可以觀察到聲音的波形。然后點擊“停止”按鈕，可以觀察到兩組不同的圖像。對比計算得出音叉的頻率，總結音調與頻率的關系。

（3）觀察響度與振幅的關系。進入物理實驗專用界面，用不同的力度分別敲擊同一個音叉，將聲波傳感器靠近音叉，得到兩組波形，觀察兩組不同的圖像，總結響度與振幅的關系。

3.樂高積木搭建實驗

樂高教育獨創了4C顧問式的教育解決方案，即聯系、建構、反思、延續。4C的教育理念主要在于開發學生智力、想象力、創造力和動手能力，提高學生的科學素養。學生在搭建樂高積木的過程中進行觀察、思考、聯想，邊操作邊發現問題、解決問題，反思搭建的作品，逐步提高創造力、動手能力和團隊協作能力。

通過以上三種創新策略，物理教師可以拓寬實驗思路，完善實驗設計，以此有效激發學生學習物理的興趣，從而實現培養學生物理核心素養的目標。

（本文系2021年度河南省基礎教育教學研究項目“基于核心素養的初中物理創新型實驗開發策略的研究”的研究成果，課題編號：JCJYC210607023）