核心素養下“非常規”物理實驗的應用

物理學是一門實驗科學，實驗教學是物理教學的重要組成部分，同時也是培養學生核心素養的重要方面。在教學實踐中，一些“非常規”物理實驗非常有利于學生核心素養的培育。

一、應用自制實驗儀器培養學生質疑精神

質疑是一種重要的科學思維品質，是能夠提出創造性見解的前提，是批判精神和批判能力的顯性表現。具有質疑品質的學生往往不盲目輕信已有結論，在教學中當學生對某些觀點提出不同看法時，教師應及時對學生的這種精神給予支持，鼓勵他們通過創造性思維解決問題。

電磁感應教學過程中有一個經典問題：磁鐵通過金屬管時會產生電磁阻尼，但是磁鐵通過開縫銅管時，還有沒有電磁阻尼呢？這不僅是教材中的練習題，還是很多教輔書中常見的習題。許多教輔書認為這時沒有電磁阻尼，也有許多物理工作者認為這時電磁阻尼很微弱，甚至包括一些教師用書中都認為磁鐵通過開縫銅管時產生的電磁阻尼很微弱。教學中有學生提出這樣的質疑：開縫后就沒有電磁阻尼或電磁阻尼很弱，實際上真是這樣嗎？有什么依據呢？

為了更好地解決學生的疑問，筆者帶領學生自制電磁阻尼比較儀，用實驗進行探究。首先是在盒蓋內面板上用支架分別固定銅管、鋁管、塑料管、開縫銅管，盒體內部底層鋪上緩沖布毯，其中銅管、鋁管、塑料管、開縫銅管這4根管子長度完全相同，如圖1所示（1左右支架、2銅管、3鋁管、4塑料管、5開縫銅管、6布毯、7鋁管、8盒蓋、9盒體、10合頁）。

具體探究過程是先讓磁鐵通過塑料管，由于近似自由落體， 磁鐵下落很快；再讓磁鐵通過銅管、鋁管，由于產生電磁阻尼，磁鐵下落慢得多；接著讓磁鐵通過開縫銅管，結果發現依然很慢，最后讓對比通過開縫銅管、不開縫銅管及塑料管，發現在開縫銅管中下落只比不開縫銅管稍慢些，但比塑料管要慢得多。

實驗表明，磁鐵通過開縫銅管產生的電磁阻尼依然非常強烈，磁鐵下落要比相同長度、相同口徑的塑料管慢得多。

以上研究結論既是對電磁感應現象的深層詮釋，也是對廣大師生包括教材編寫人員錯誤認知的斧正。在此基礎上，筆者鼓勵學生繼續查閱資料，從理論層面探討這種現象產生的原因，學生不久就得到結果：原來磁鐵通過開縫銅管時產生了縱向渦流，所以電磁阻尼依然存在并且不弱。

二、應用自制實驗儀器培養學生創新能力

創新是一個民族進步的靈魂，是國家興旺發達的不竭動力，對學生創新能力的培養是核心素養理念下物理教學的獨特育人價值。

在閉合電路歐姆定律的教學中有學生提出，外電壓可以用電壓表顯示，內電壓怎樣才能直觀顯示出來呢？電動勢與內外電壓之和怎樣通過實驗直觀驗證呢？

內電壓是由于電流在內阻上引起的電勢降落，在實際教學中如何把內電壓直觀地顯現出來一直是教師回避的一個實驗難點。為此，筆者和學生一起研究制作了電池內電壓數字顯示儀，基本原理是用醋酸作為弱反應電池的液體，用銅棒和鋅片作為電池的正負極，用銅質探針作為電池內部電壓的電極，用高精度集成數字模塊顯示電池的內電壓和路端電壓。

操作時取下U型玻璃管注滿食用醋，然后接入電路中；把外接電壓表（0—2.5v）接到儀器外接端子上；閉合電源開關K1，儀器內數顯電壓表點亮；撥動開關K2到“接通”檔，電流表、電壓表有數值顯示；調節電位器旋鈕，觀察電池內、外電壓及電流的變化（圖略）。

通過以上操作學生清楚地看到了電源的內電壓和外電壓，通過調節電位器旋鈕，可看到在電池內、外電壓變化的過程中其和基本不變。該自制儀器可以培養學生在已有知識的基礎上創新，通過這次創新，學生更加全面地了解了電池的構造，對電源內部和外部有了一個具象認知，使學生的電源學習變得更為具體且更容易理解和記憶。

三、在實驗探究中提升學生科學思維

科學探究是指基于觀察和實驗提出物理問題、形成猜想和假設、設計實驗與制訂方案、獲取和處理信息、得出結論并給出解釋，以及對探究過程和結果進行交流、評估和反思的能力；科學思維則是從物理學視角對客觀事物的本質屬性、內在規律及相互關系的認識方式。科學探究和科學思維貫穿于物理知識學習的全過程，二者相輔相成，一方面科學思維的培育依賴于科學探究過程，另一方面科學探究過程同時也有助于提升科學思維培育。

在自由落體運動教學中，自由落體運動是什么性質的運動是一個核心問題。此問題可以通過實驗研究，實驗方案有打點計時器法、頻閃照相法等，但頻閃照相法受限于儀器和環境，在課堂做并不現實。從提升核心素養的角度來看打點計時器法無疑是最合適的，因為它能更好地體現科學探究和科學思維。筆者將實驗過程設計成實驗前、實驗中、實驗后三個階段，在這三個階段中，教師的作用體現在實驗前的引導，實驗中的指導，實驗后的反思；學生的探究表現為在教師的啟發下設計方案—觀察發現—分析論證—評估交流（表1、表2、表3）。

由上述內容得到自由落體運動的性質：初速度為零的勻加速直線運動。教師接著可以介紹自由落體加速度，之后再引導學生在運動學公式的基礎上得到自由落體運動的相關公式。而實驗后繼續研討的主要目的是解決學生認知上的一些障礙，引導學生進一步思考，使其思維不因實驗的結束而止步，從而擴展實驗的廣度，提升實驗的效度。

作者單位 "陜西省西安市第八十五中學