淺析中學物理教學中如何通過實驗體現物理課程的實踐性
——以《探究液體壓強與哪些因素有關》實驗為例

劉宏安

物理學是自然科學領域研究物質的基本結構、相互作用和運動規律的一門基礎學科。物理學通過科學觀察、實驗探究、推理計算等形成系統的研究方法和理論體系。從古代的自然哲學，到近代的相對論、量子論等，物理學引領著人類對自然奧秘的探索，深化著人類對自然界的認識。物理學對化學、生物學、天文學等自然科學產生了重要影響，推動了材料、能源、環境和信息等領域的科學技術進步，促進了人類生產生活方式的變革，對人類的思維方式、價值觀等都產生了深遠影響，為人類文明和社會進步做出了巨大貢獻。義務教育物理課程是一門以實驗為基礎的自然科學課程，義務教育物理課程旨在促進人類科學事業的傳承與社會的發展，幫助學生從物理學視角認識自然、解決相關實際問題，初步形成科學的自然觀

2017年教育部頒布了《普通高中物理課程標準》，2022年4月21日《義務教育物理課程標準(2022年版)》正式頒布。新課程標準凝聚著眾多課程專家、一線教師的集體智慧。北京師范大學物理系教授李春密介紹：“本次修訂是以習近平新時代中國特色社會主義思想為指導，全面貫徹黨的教育方針，落實立德樹人的根本任務，從有理想、有本領、有擔當三個方面明確了培養義務教育階段時代新人的具體要求，是對‘培養什么人、怎么樣培養人、為誰培養人’這一根本問題做出的有力回答。這次課標修訂吸納和繼承了我國物理課程改革和建設的成功經驗，也借鑒了國際上物理課程改革的新成果和理念，增強了物理課程的綜合性和實踐性，凸顯了課程在育人工程中的核心地位。”福建師范大學教授余文森說：“如果用一個關鍵詞來描述義務教育新課標的新意，那一定是‘核心素養’。核心素養是義務教育新課標的‘基因’，義務教育新課標是以核心素養為導向、為主線構建起來的新型課標，關注的是人的內在的品格和能力，它區別于之前‘三維目標’的課標，更區別于早期‘雙基’的大綱。”余文森在分析為什么把“必備品格”和“關鍵能力”作為核心素養的內涵時說：“這是因為品格(必備品格)是一個人做人的根基，是幸福人生(道德人生)的基石；能力(關鍵能力)是一個人做事的根基，是成功人生(智慧人生)的基石。品格是人作為主體最富有人性的一種本質力量，內蘊著人的道德性、精神性與利他性；能力則是人作為主體最引以為傲的一種本質力量，內蘊著人的創造性、能動性與內發性。”他又說：“就實際表現而言，核心素養指的是個體在面對復雜的、不確定的現實生活情境中，能夠綜合運用特定學習方式所孕育出來的(跨)學科觀念、思維模式和探究技能，結構化的(跨)學科知識與技能，以及世界觀、人生觀和價值觀的動力系統，進行分析情境、提出問題、解決問題、交流結果的綜合性品質。”

綜合上述余文森教授的觀點，所謂“核心素養”就是人活在這個世界上要成為一個好人(有道德)、有智慧的人所應該具有的品質和能力。如何才能成長為一個既好又有智慧的人呢？那就要學習，尤其是要經過學校教育中的系統性學習，但不能只學習知識，要在學習過程中形成素養(必備品格和關鍵能力)，一個人走出學校，經過一定的時間后，所學習的知識將會忘記，但在學習過程中形成的品格和能力將會沉淀，影響一個人的終身發展。用英國哲學家懷特海的話說就是：“當你丟掉你的課本，燒掉你的聽課筆記，忘掉你為了應付考試而背誦的細節，你的學習對你來說才是有用的。”筆記本上記的是知識，剩下的東西才叫“素養”。因此，今后的學校教育要由“知識本位”向“素養本位”轉變。

新課標的課程目標發生很大變化，從過去的三維目標變為現在的核心素養目標。核心素養是課程育人價值的集中體現，是學生通過課程學習逐步形成的適應個人終身發展和社會發展需要的正確價值觀、必備品格和關鍵能力。物理學科從物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任四個方面提出了核心素養目標。

新課標非常強調實踐性，強調加強實驗教學對培養學生學科核心素養的重要性；進一步明確物理課程是以“實驗”為基礎的一門自然科學課程。新課標的一大變化是新增了“實驗探究”作為一級主題，含21個學生必做實驗。旨在體現物理課程實踐性的特點，培養學生發現問題和提出問題的能力，動手操作和收集數據的能力，分析和處理數據的能力，解釋數據的能力，表達和交流的能力，引導學生學會學習、學會合作，培養學生嚴謹認真、實事求是的科學態度。北京師范大學物理系教授李春密說：“探究從某種意義上講是一種研究方式，即解決問題的方式。強調問題、證據、解釋和交流四個要素。所以，老師在組織相應的探究教學時，要盡量讓學生提出問題，設計方案，包括操作，要體現學生的主體性，把實驗活動還給學生。探究既是過程，也是培養學生各種能力的重要手段。”文章以《探究液體壓強與哪些因素有關》實驗為例，探討在核心素養目標下進行實驗探究的思路和做法。

《探究液體壓強與哪些因素有關》實驗，是新課標在2011版課標基礎上新增的一個必做實驗，是液體壓強這一節教學中的核心，學生在做這個實驗之前已經認識了液體壓強的存在性和產生原因，實驗之后要進行液體壓強公式的推導，所以，這個實驗對突出重點、突破難點起著至關重要的作用，實驗的目的是定性探究液體壓強與密度、深度等的關系，實驗方法體現了物理學的多種科學思維方法，如控制變量法、轉換法等，對培養物理課程核心素養所包括的物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任，并在此基礎上促進學科核心素養養成和發展有重要的作用。

建構主義理論認為：學習不是將知識由教師向學生傳遞，而是學生建構自己知識的過程，教師應關注學生原有的經驗、心理結構和信念來建構知識，加強學生學習的主動性、建構性、探究性和情景性，對初中物理教學來講，不但要重視物理知識和技能的教學，更應注重學生實踐動手能力、創新能力、團隊協作意識以及自主探究能力的培養和提高。教育現代化的根本任務就是為社會主義現代化建設培養新型勞動者和高素質人才。要實現這一目標，就要轉變教育觀念，堅持以人為本，因材施教，著眼于每一名學生的成長發展，滿足學生個性化學習需求，培養學生的綜合素質。所以本實驗采用科學探究和合作學習的方式。在初步認識了液體壓強的存在性和產生原因后，引導學生進行科學探究。強調科學探究的四個要素，即問題、證據、解釋、交流，也即模型建構、科學推理、科學論證和質疑創新四個要素。

一是模型建構，考慮到初中生的年齡特點和思維發展水平，初中階段強調的是會用所學模型分析常見的問題，不要求會建構，如讓學生體會用模型解決問題的便利，且能夠反映事物的本質。能通過物理實驗建構物理概念，深化對物理規律的認識，領悟其內涵及相互聯系；有將實驗探究方法及安全操作規范等運用于解決日常問題的意識，能根據所學知識和說明書等解決現實中的簡單問題。

二是科學推理，要結合課程內容進行科學思維方法的學習，如控制變量法、轉換法、比較法等，對相關問題進行分析、歸納、演繹等，進行科學推理。知道科學探究會受到各種因素的影響，在實驗中能關注主要因素，忽略次要因素；能根據實驗數據通過歸納推理獲得探究結論；有判斷實驗數據是否合理、有效的意識；能對實驗進行反思，提出改進建議。

三是科學論證，要有證據意識，要利用證據對所研究的問題進行描述分析和解釋。在實驗中有發現問題、提出問題的意識；能根據實驗目的設計實驗方案，會正確使用已學實驗器材收集數據，能遵守實驗室規則，注意實驗中的安全問題；能對收集的數據進行整理、歸納、總結，形成結論并做出解釋；有合作交流的團隊意識，能撰寫簡單的實驗報告。

四是質疑創新，強調的是獨立思考，敢于質疑，敢于表達自己的觀點。能初步體會物理研究是建立在觀察和實驗基礎上的創造性工作；能通過實驗獲得結論，產生成就感，有學習物理的興趣和嚴謹認真、實事求是的科學態度；有節約資源、保護環境的責任感及自覺行為。

首先提出問題：液體的壓強跟哪些因素有關呢？接著教師呈現一些事實，例如從學生生活中體驗和感悟游泳時身體受到水產生的壓強。并做幾個演示：

(1)將繃著橡皮膜的正方體框架浸沒在水中。發現上下、前后、左右各面都凹進去了，觀察各面橡皮膜凹進去的程度有什么不同？

(2)同一容器(玻璃管底部繃上橡皮膜制成)，盛水的深度不同，觀察到容器底部的橡皮膜凸出的情況怎樣變化？

(3)容器(同上)中裝深度相同的不同液體(水和煤油)，觀察橡皮膜凸出的程度是否相同？

然后鼓勵學生大膽猜想，教師引導歸納：液體產生的壓強可能與液體的密度、液體的深度、容器的底面積、容器的形狀、測試的方向等因素有關。接下來學生分組實驗探究影響液體壓強的因素，先提出問題讓學生思考。第一個問題：怎樣比較液體的壓強？在學生思考后介紹實驗器材：兩個底面積和形狀不同的大容器，水，濃鹽水，酒精。主要是U形管壓強計的作用和用法(如圖)，就是把液體壓強的大小轉換成U形管壓強計中兩側液柱的高度差。壓強計中兩側液柱的高度差越大，說明橡皮膜所受的壓強越大，這里運用了轉換法的科學思維方法。

接著介紹組裝器材時的注意事項：①實驗前，應檢查U形管壓強計的氣密性，用手按壓金屬盒上的橡皮膜，觀察U形管兩側液柱的高度是否發生變化，若變化，說明氣密性良好；若不變，說明裝置漏氣。②若發現U形管壓強計漏氣，需重新安裝，保證氣密性良好。

第二個問題：以上已經猜想到液體壓強跟多個因素有關，怎樣把它們一一探究清楚呢？大多數學生會根據已有的實驗素養回答，要用到控制變量法。這又是科學思維方法的應用，應該肯定學生的回答。并請某一小組代表比較詳盡地說明實驗過程。至此，設計實驗制定計劃的環節基本完成。

新課標要求課堂教學必須使學生主動參與到學習中來，勇于實踐操作，體驗自己動手的快樂，在快樂中學習，更好地掌握和理解物理知識與技能。實驗教學完全符合實現核心素養的要求，更是實現核心素養目標的最有效的教學方法之一，可以將原本死板生硬的物理知識變得更加生動化和形象化，充分激發學生自主學習的積極性和探究欲望。接下來就是收集證據的環節，教師將進行實驗探究的步驟呈現在屏幕上，讓學生開始分組探究，學生順著教師設置的臺階進行實驗，降低難度，提高實驗效率，保證在有限的時間內完成實驗探究。保持探究活動的興趣和連續性，并將實驗數據記錄在表格中(表1)，教師做巡回指導，引導學生分工合作，隨時幫助學生解決問題，使他們有序完成實驗。表2對探究過程中的一些要點進行說明。

表1 實驗數據表格(樣例)

表2 《探究液體壓強與哪些因素有關》實驗要點

在得出實驗數據以后，進行分析論證環節，要求各小組以討論形式自主論證分析，總結液體壓強的特點及所遵循的規律。各小組單獨匯報，然后教師引導全體同學討論完善，總結出準確表達的規律：

(1)液體內部向各個方向都有壓強，同一液體同一深度處向各個方向的壓強相等；

(2)液體內部的壓強大小只與液體的密度和液體的深度有關；

(3)同種液體內部，深度越深，液體壓強越大；

(4)在同一深度處，液體的密度越大，液體壓強越大。

在得出實驗結論后，還要進行交流評估與拓展的環節：請各小組交換傳看實驗數據表格，比較各組數據是否相同，思考出現不同的原因。然后教師提出問題，小組討論解決：

(1)大家實驗中有沒有遇到了什么困難？你們組是怎樣解決的？

(2)實驗前要做哪些準備工作？(①先檢查U型管左右兩邊的液面是否相平。②檢查裝置的氣密性)

(3)實驗時發現U型管內高度差沒變化原因是什么？怎么解決？

(4)如果壓強計U形管兩側液面高度差過大，使部分有色液體從管中流出，還能繼續實驗嗎？應該怎么做？(需要把連接用的橡皮管取下重新連接)

(5)有兩只杯子分別盛有清水和鹽水，但沒有標簽，你能否用U形管壓強計將它們區分開？

通過交流評估，分析實驗設計、實驗過程和實驗結果，思考總結，提出改進意見和完善方案，通過探究實驗，落實新課標要求，在強調知識的理解和記憶的同時，注重科學研究方法的學習，培養學生敢于質疑的思維習慣，給學生創設出類似科學研究的情景。提供給學生動手、動腦、動口的時間和空間，使他們親自參與、探究、發現和體驗，在探究過程中學會學習，掌握探究實驗的基本步驟和科學方法，讓學生經歷科學探究的一般過程。即提出問題→猜想假設→設計實驗→進行實驗→分析論證→交流評估。最后要求學生完成實驗報告。

文章以《探究液體壓強與哪些因素有關》實驗為例，說明了在實驗探究中貫徹核心素養目標的思路和做法。這個過程涉及核心素養的物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任四個方面。從物理觀念方面來說，這部分知識前承壓強概念、二力平衡規律等知識，后啟連通器、大氣壓強、浮力等重要概念和規律，我們通過探究實驗的論證分析，認識它知識性的方面，并將其納入學生已有的知識結構中去，達到知識內化和遷移。而對實驗結果的分析論證需要分析、綜合、歸納、演繹、比較、概括等思維過程，對發展學生的科學思維具有非常積極的作用。科學探究的過程體現問題、證據、解釋、交流四個要素。而在實驗的過程中，學生尊重事實、自主探究、合作互助、大膽質疑、積極表達的過程，無疑是對學生的科學態度與責任的鍛造和提升。所以說，以物理學科核心素養目標為引領，在實驗探究中用心琢磨，切實實施，效果明顯，大有可為。

實驗教學要關注實驗原理的科學性、方案的可行性、實驗器材的合理性、操作的安全性和規范性；指導學生真實、全面記錄實驗數據，關注與預設結果相矛盾的信息；引導學生針對實驗活動中的困難或錯誤自主分析原因，積極思考并努力解決；引導學生對實驗活動進行總結和評價，促進學生交流、評估、反思能力的提升。所有這些，可以歸咎為學生科學素養和科學精神的培養，也就是新課標所倡導的核心素養的培養。

文章以《探究液體壓強與哪些因素有關》實驗為例，探討如何通過實驗提升學生的核心素養。在物理課程新課標的實施過程中，以實驗教學為載體培養和提升學生核心素養，其實可以貫穿在每一個學生實驗、演示實驗，還可以包括課外探究、跨學科實踐等。可以說，物理無處不探究，學習面面涉素養。讓我們以物理實驗為抓手，努力實現全體學生核心素養提升，為學生的終身學習和全面發展奠定堅實的基礎。