基于學(xué)科核心素養(yǎng)的物理實(shí)驗(yàn)活動(dòng)單設(shè)計(jì)

薛 萍

(上海市通河中學(xué) 上海 200435)

1 研究背景

2017年底教育部頒布了《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》,課程目標(biāo)由二期課改時(shí)的三維教學(xué)目標(biāo)升級(jí)為核心素養(yǎng)培養(yǎng)目標(biāo);學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)科育人價(jià)值的集中體現(xiàn),是學(xué)生通過學(xué)科學(xué)習(xí)而逐步形成的正確的價(jià)值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力.為學(xué)生終身發(fā)展、應(yīng)對(duì)現(xiàn)代和未來(lái)社會(huì)發(fā)展的挑戰(zhàn)打下基礎(chǔ)[1].

《課標(biāo)》中明確指出:在高中物理課程中,應(yīng)注重科學(xué)探究,尤其應(yīng)注重物理實(shí)驗(yàn),這在培養(yǎng)學(xué)生的探究能力和科學(xué)態(tài)度等方面具有重要地位[1].物理實(shí)驗(yàn)是物理教學(xué)的重要組成部分,不獨(dú)立于概念和規(guī)律教學(xué),兩者是相輔相成的.學(xué)生通過物理實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、研究、操作和反思,能對(duì)概念和規(guī)律有更深層理解,同時(shí)培養(yǎng)科學(xué)思維和科學(xué)探究能力的學(xué)科核心素養(yǎng).

2 實(shí)驗(yàn)課堂現(xiàn)狀

從當(dāng)前教學(xué)來(lái)看,學(xué)生對(duì)物理實(shí)驗(yàn)課堂有興趣,但是現(xiàn)存的實(shí)驗(yàn)課堂中尤其是探究實(shí)驗(yàn)中仍然存在一些問題,導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)沒有達(dá)到預(yù)設(shè)的效果.

受限于課時(shí),在課堂中學(xué)生熟悉器材、觀察現(xiàn)象、推斷規(guī)律的時(shí)間非常有限.學(xué)生在進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室前,教師就會(huì)演示一遍實(shí)驗(yàn),將實(shí)驗(yàn)步驟和注意事項(xiàng)一一告知學(xué)生.做實(shí)驗(yàn)變成了走程序,限制了學(xué)生的思維,實(shí)驗(yàn)教學(xué)始終處在這樣一種低層次的思維狀態(tài)[2].

實(shí)驗(yàn)課中,班級(jí)人數(shù)較多,而實(shí)驗(yàn)器材和實(shí)驗(yàn)空間有限,往往分小組實(shí)驗(yàn),無(wú)法做到全體學(xué)生參與,實(shí)驗(yàn)中教師還要調(diào)試儀器,無(wú)法及時(shí)解答學(xué)生實(shí)驗(yàn)生成的問題,錯(cuò)過實(shí)驗(yàn)教學(xué)的黃金時(shí)間.

在實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Ψ矫?要對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行操作,學(xué)生至少要具備一些基本的操作技能;要對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行觀察,學(xué)生要有基本的觀察能力;要對(duì)各種實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析,學(xué)生還要具備基本的分析綜合能力等等[3].如果對(duì)基本知識(shí)不了解,就無(wú)法理解實(shí)驗(yàn)原理,無(wú)法識(shí)別、分析和解決實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的各種問題.

3 實(shí)驗(yàn)活動(dòng)單設(shè)計(jì)

我校實(shí)行在實(shí)驗(yàn)課前教師設(shè)計(jì)具有針對(duì)性的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)單,每個(gè)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)單主要包含3個(gè)部分,分別是課前使用的設(shè)計(jì)方案單、課中使用的難點(diǎn)輔助單和課后使用的總結(jié)反饋單.

3.1 設(shè)計(jì)方案單

設(shè)計(jì)方案單主要是幫助學(xué)生整體理解實(shí)驗(yàn),從而得到實(shí)驗(yàn)探究的通用策略.詳細(xì)敘述方案有利于學(xué)生深層次理解實(shí)驗(yàn).在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案單中教師根據(jù)實(shí)驗(yàn)難易程度可給定實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)流程或框架,包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)器材、實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)測(cè)量和處理等.設(shè)計(jì)方案在課堂前填寫,能很好起到引導(dǎo)作用,相當(dāng)于腳手架,幫助學(xué)生們?cè)谡w把握和設(shè)計(jì)上拾級(jí)而上.例表如表1所示.

表1 設(shè)計(jì)方案單

3.2 難點(diǎn)輔助單

在填寫實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案單的基礎(chǔ)上,我們發(fā)現(xiàn)有些實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的物理思想和方法學(xué)生很難想到,還有些實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生動(dòng)手能力的要求較高,學(xué)生如果沒有形成正確、科學(xué)的操作方法,就會(huì)使得實(shí)驗(yàn)探究課停留在實(shí)驗(yàn)操作表面而不能深入探討.在難點(diǎn)輔助單中我們可以提前列出學(xué)生可能出現(xiàn)思維難點(diǎn)的地方,設(shè)計(jì)相應(yīng)的難點(diǎn)輔助單,以幫助學(xué)生提前思考和解決實(shí)驗(yàn)難點(diǎn),挖掘?qū)嶒?yàn)中學(xué)生的思考深度,從而達(dá)到實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生核心素養(yǎng)培養(yǎng)的目的.

例如實(shí)驗(yàn)中測(cè)量速度對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)是個(gè)難點(diǎn),他們更熟悉位移傳感器,比較難想到用光電門傳感器測(cè)量速度,并且對(duì)光電門傳感器使用并不熟練,教師可設(shè)計(jì)如表2所示的難點(diǎn)輔助單.

表2 難點(diǎn)輔助單

3.3 總結(jié)反饋單

實(shí)驗(yàn)的課程結(jié)束不代表實(shí)驗(yàn)探究的結(jié)束,實(shí)驗(yàn)之后的反思也是實(shí)驗(yàn)的一部分.總結(jié)反饋單可以設(shè)計(jì)學(xué)生反思和總結(jié)部分,幫助學(xué)生及時(shí)梳理實(shí)驗(yàn)中得到的想法,幫助他們糾正實(shí)驗(yàn)前的錯(cuò)誤觀念,更能激發(fā)優(yōu)秀學(xué)生的創(chuàng)新思維,提高創(chuàng)新能力.鼓勵(lì)學(xué)生將實(shí)驗(yàn)中的困惑及時(shí)記錄下來(lái),在課后繼續(xù)研究討論,老師在實(shí)驗(yàn)后還能發(fā)現(xiàn)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的盲點(diǎn),幫助學(xué)生及時(shí)解決問題.設(shè)計(jì)的總結(jié)反饋單如表3所示.

表3 總結(jié)反饋單

4 實(shí)踐案例

下面,筆者以滬科版必修第二冊(cè)第七章第3節(jié)“動(dòng)能 動(dòng)能定理”為例進(jìn)行如下設(shè)計(jì).我們用DIS實(shí)驗(yàn)定量研究物體的動(dòng)能與物體的質(zhì)量、速度的關(guān)系.通過功能關(guān)系得到動(dòng)能表達(dá)式,根據(jù)物體具有的能越多,做功的本領(lǐng)越大的原理,以測(cè)量滑塊被推動(dòng)的位移來(lái)代替小車的動(dòng)能,猜想變量之間的函數(shù)關(guān)系,并將此關(guān)系通過計(jì)算機(jī)對(duì)測(cè)量出的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像擬合,以尋找到最符合實(shí)際情況的變量關(guān)系.如果在課堂中能讓學(xué)生體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)過程,能很好培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科的核心素養(yǎng),使學(xué)生體驗(yàn)“科學(xué)猜想”“圖像擬合”“歸納推理”等多種物理學(xué)研究方法,培養(yǎng)學(xué)生觀察分析、比較判斷、歸納總結(jié)及處理實(shí)際問題的能力.通過小組討論、實(shí)驗(yàn)探究、相互交流等方式,創(chuàng)設(shè)平臺(tái),讓學(xué)生對(duì)生活中常見的一些事例討論分析,調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的情感,感受辨證思想.

在課堂實(shí)際教學(xué)中,本實(shí)驗(yàn)對(duì)高一學(xué)生而言理解上難度大,實(shí)驗(yàn)操作復(fù)雜,學(xué)生無(wú)法在一節(jié)課時(shí)間內(nèi)獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn).然而如果直接告知結(jié)果就失去了學(xué)生自發(fā)探究、培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的機(jī)會(huì),學(xué)生對(duì)動(dòng)能的理解也不夠深刻,物理思維過程也欠缺了.筆者針對(duì)本校學(xué)生上述實(shí)際問題設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)單.探究動(dòng)能表達(dá)式實(shí)驗(yàn)活動(dòng)單設(shè)計(jì)如下(教師主要給出框架,內(nèi)容由學(xué)生填寫).

4.1 設(shè)計(jì)方案單

課前設(shè)計(jì)方案單如表4所示.

表4 探究動(dòng)能表達(dá)式設(shè)計(jì)方案單

4.2 難點(diǎn)輔助單

根據(jù)學(xué)生填寫的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案單和以往實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn),本實(shí)驗(yàn)中存在以下難點(diǎn)并設(shè)計(jì)相應(yīng)難點(diǎn)輔助單,如表5～7所示.

表5 探究動(dòng)能表達(dá)式難點(diǎn)輔助單1

(1)間接法測(cè)量物體動(dòng)能(表5).本實(shí)驗(yàn)需要探究動(dòng)能大小與哪些因素相關(guān),需測(cè)量小車的動(dòng)能,小車的動(dòng)能需要通過做功和能量轉(zhuǎn)換的關(guān)系間接測(cè)量,這種間接測(cè)量物理量的科學(xué)思維方式需要培養(yǎng).

(2)學(xué)生測(cè)量速度的技能(表6).學(xué)生更熟悉位移傳感器,比較難想到用光電門傳感器測(cè)量速度,并且對(duì)光電門傳感器使用并不熟練.

表6 探究動(dòng)能表達(dá)式難點(diǎn)輔助單2

(3)數(shù)據(jù)處理的技能(表7).學(xué)生已經(jīng)學(xué)會(huì)用圖像方式處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),但以往實(shí)驗(yàn)都在提前告知圖像的名稱,這次探究實(shí)驗(yàn)在處理數(shù)據(jù)時(shí)需要學(xué)生猜測(cè)物理量之間的關(guān)系并選擇不同圖像進(jìn)行嘗試,最終找到物理量的線性關(guān)系,學(xué)生缺乏相關(guān)經(jīng)驗(yàn).

表7 探究動(dòng)能表達(dá)式難點(diǎn)輔助單3

4.3 總結(jié)反饋單

在進(jìn)行學(xué)生實(shí)驗(yàn)前,筆者首先下發(fā)了活動(dòng)單中實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案單,要求學(xué)生要通過閱讀實(shí)驗(yàn)資料,填寫活動(dòng)單這一部分,在填寫的過程中理解實(shí)驗(yàn)原理、熟悉實(shí)驗(yàn)儀器、了解本實(shí)驗(yàn)的操作過程,實(shí)驗(yàn)單上交后筆者針對(duì)填寫有困難的部分提前進(jìn)行了指導(dǎo)并完善了難點(diǎn)輔助單.在實(shí)驗(yàn)課上,筆者先和學(xué)生們共同探討了難點(diǎn)輔助單中的3個(gè)難點(diǎn),在幫助學(xué)生們突破這3個(gè)難點(diǎn)之后分小組實(shí)驗(yàn)探究動(dòng)能大小,學(xué)生們結(jié)合實(shí)驗(yàn)單已經(jīng)能較好梳理本實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)操作,能較為順利地完成實(shí)驗(yàn)探究得到動(dòng)能大小的表達(dá)式:動(dòng)能正比于質(zhì)量和速度平方的乘積.實(shí)驗(yàn)中少數(shù)小組存在問題筆者也能較快發(fā)現(xiàn)并予以指導(dǎo).在實(shí)驗(yàn)探究結(jié)束,筆者讓學(xué)生對(duì)本次實(shí)驗(yàn)探究進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)總結(jié),課后思考在本實(shí)驗(yàn)中可能存在的誤差和進(jìn)一步對(duì)實(shí)驗(yàn)探索和改進(jìn),完成活動(dòng)單中第三部分(表8),學(xué)生基本能較好完成實(shí)驗(yàn)探究.

表8 總結(jié)反饋

5 效果和反思

5.1 提升實(shí)驗(yàn)課堂效率

以往教學(xué)中較少涉及這個(gè)實(shí)驗(yàn),原因是實(shí)驗(yàn)原理難,實(shí)驗(yàn)操作復(fù)雜,課堂中實(shí)施效果不佳.這次借助實(shí)驗(yàn)活動(dòng)單嘗試在課堂中完成了實(shí)驗(yàn)探索過程,通過實(shí)驗(yàn)充分重視知識(shí)的生成過程,整個(gè)探究實(shí)驗(yàn)以學(xué)生為本,強(qiáng)調(diào)通過學(xué)生主動(dòng)參與、大膽猜想,培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)、分析判斷、歸納概括的能力.在正式操作之前,通過實(shí)驗(yàn)活動(dòng)單幫助學(xué)生理清實(shí)驗(yàn)思路;針對(duì)實(shí)驗(yàn)中幾個(gè)思維難點(diǎn)借助輔助單的使用并詳細(xì)分析,使學(xué)生在實(shí)際操作上更有針對(duì)性,加強(qiáng)了學(xué)生在實(shí)驗(yàn)上的參與度,增加了學(xué)生科學(xué)探究的自主性.在一節(jié)課的時(shí)間內(nèi)學(xué)生充分體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)過程,通過親身體驗(yàn)從而感悟動(dòng)能大小與哪些因素相關(guān),并獲得相應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果.最后在課后能反思和總結(jié),得到完成一般實(shí)驗(yàn)的方法,這樣能較好解決學(xué)生基礎(chǔ)薄弱、學(xué)生人數(shù)多器材有限等問題,有效提高實(shí)驗(yàn)課堂效率,從而達(dá)到實(shí)驗(yàn)預(yù)設(shè)的效果,提高學(xué)生核心素養(yǎng)的目標(biāo).在實(shí)驗(yàn)過程中也能很好滲透“能量”的物理觀念.

5.2 有效培養(yǎng)核心素養(yǎng)

實(shí)驗(yàn)活動(dòng)單是將理論和操作融為一體,實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)操作相互結(jié)合,促進(jìn)學(xué)生理解科學(xué)探究的精髓,因此它不僅僅是學(xué)生探究過程的引導(dǎo)者,還是學(xué)生創(chuàng)新思維的啟蒙者,更是學(xué)生學(xué)習(xí)過程的反思者,使學(xué)生的思維品質(zhì)得到不斷的提升[4].實(shí)驗(yàn)思維活動(dòng)單的設(shè)計(jì)和使用能更好培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng),活動(dòng)單的設(shè)計(jì)使我們的教學(xué)從教向?qū)W轉(zhuǎn)變,更好培養(yǎng)學(xué)生的自主探究能力,有效地提煉和升華物理概念和規(guī)律,幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題,培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力、樹立正確的科學(xué)態(tài)度和責(zé)任,從而讓學(xué)生學(xué)會(huì)學(xué)習(xí),終身學(xué)習(xí).