提升学生科学素养的物理实验教学

张滨　阮伟文

摘 要：物理学科是一门以实验为基础的学科，培养学生实验素养和实验设计创新能力是中学物理教学的主要目标之一。改进和创新高中物理实验教学，使物理课堂有趣味、有思想、有创新是高中物理教师的主要工作之一，通过设计出有效的实验教学方案可以帮助高中学生物理核心素养的形成和提高。

关键词：高中物理；实验教学；科学思维

物理学是一门以实验为基础的自然科学，物理学的教学需要培养学生具备实验探究素养这一核心素养.该核心素养包含：学生经历真实的实验探究过程，能使用常见的物理实验仪器，独立完成物理实验的能力；能运用所学知识设计相关实验；能主动将自己的想法与同伴交流，坚持正确的观点，积极修正错误想法，拥有团队精神；积极关注国内外科技发展，有创新思想，能结合数字实验，物联网实验进行创新设计；具有创造性思维和严谨科学态度等[1]。

提升高中生的物理学科核心素养，就是要让学生通过物理学习，掌握研究物理最主要的方法和思维，并形成带有物理学科特点的品质和关键的能力，中学物理实验教学可以培养学生对周围事物的观察力、实验仪器的操作能力和实验数据的分析处理能力等。基于学生物理核心素养的培养，笔者从以下几个方面对高中物理实验课程进行拓展，提升学生的实验研究能力。

1 设计趣味实验， 体验科学思维

兴趣是最好的老师。实验趣味性不仅仅只是为了吸引学生的眼球，更重要的是要能引发学生的深刻思考和激发学生的求知欲望，唤起学生的创新意识。只有在学生对实验充满热情和探求欲时，实验教学才能达到理想的效果，才能通过实验达成对学生物理核心素养培养。所以教师在教学中要能根据教学内容和要求，根据学生已有的知识和体验，巧妙设计出有亲切感的有趣实验。设计出的趣味性实验不能仅停留有新奇感，更应该要能与教学内容相结合，能够让学生体验科学思维素养，激发学生的探究激情。在上《牛顿第三定律》这节课时，可以用图1所示的趣味实验，让学生动手体验气球直升机，并观察气球直升机的构造，分析其飞行原理，寻找该气球直升机中有几处用到作用力和反作用力的关系。这样不仅提高学生学习物理兴趣，而且能更好掌握作用力和反作用力的关系。有趣的物理现象有助于学生通过具体现象建立初步物理概念，促进他们尽快的建立起准确的概念和认识规律，完成从感性认识到理性认识的飞跃。通过对物理现象剖析和本质的探求，向学生展示其中所含科学思想和科学方法，提高学生对物理本质及研究方法的认识，培养了学生研究物理问题的能力，提高了他们的科学素养。

2 巧用物理实验构建中学物理观念

物理观念是从物理学视角出发对物质、运动与相互作用、能量等客观物理现象和过程形成的基本认识，是物理概念和规律等在头脑中的提炼和升华，包括物质观念、运动观念、相互作用观念、能量观念及其应用等要素[2]。新的课程标准要求教师要有新的教学理念，转变原有教学观念，教师的角色应定位在学生知识体系构建的促进者和引导者，教师的教学核心应该是通过巧妙的教学设计，能够最大限度地发挥学生学习的主观能动性。所以在中学物理教学中，教师对实验设计的立足点应该是让学生通过实验探究能构建起物理的核心概念，帮助学生将抽象的物理概念变成具体形象实验或模型。《滑动摩擦力》这节课，在构建对滑动摩擦力概念的完整认识时，学生最难理解的就是滑动摩擦力的方向。在探究滑动摩擦力方向和物体的相对运动方向相反时，我们设计了这样分组实验。让每个学生拿着一把毛刷，让它在毛巾垫上运动。由于跟毛巾接触的刷毛末端受到的滑动摩擦力，刷毛发生弯曲。因此可以根据刷毛的弯曲方向，来探究判断滑动摩擦力的方向。我们可以设计一个表格（见表1）：

可以看到，刷子相对于毛巾垫向左运动受到的滑动摩擦力向右，相对于毛巾垫向右运动，受到的滑动摩擦力向左，因而探究出滑动摩擦力方向和物体的相对运动方向相反。

物理概念和物理规律是建立物理学大厦的基石。中学物理教师应该清醒地认识这一点，要善于利用物理实验夯实核心概念，掌握物理的分析方法，提高学生的思辨能力，让学生在对物理核心概念进行理解和升华中，体验物理学特有的研究思想，培养和发展学生物理学科的核心素养。在物理教与学的过程中，物理概念的学习相对比较枯燥乏味，而适当的实验可以让学生在探究中找到乐趣，更好的理解物理概念。教师如果能够利用能引发学生思考的物理实验，采取有效的措施强化学生对物理基础概念的学习，就能纠正学生在物理学习中的偏差，促使学生深入理解物理基础概念。

3 利用探究性物理实验，提高学生的科学思维

新课程物理学科提出的培養学生科学素养包含有“科学思维”，其具体内容包含有“模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新”[3]。在探究性物理实验中，我们能让学生比较全面的经历和体会这些过程。探究性实验本身就要针对观察到的现象提出问题，形成猜想和假设，通过建立模型和设计并操作实验，获得数据并结合适当的理论分析得出基于证据的结论。在这一过程中学生也要经历交流、反思的过程，来进一步提高实验和理论水平。这对培养学生的科学素养有极大的作用。

在上《向心力》这节课时，探究向心力的大小跟哪些因素有关时，可以设计了三个实验：

实验1： 在一根细绳的一端拴一个橡皮塞或其他小物体，抡动细绳，使小物体做圆周运动（如图2）。引导学生的猜想：向心力跟物体质量m、半径r、角速度ω有关。

实验2：进一步引导学生猜想向心力与m、r、ω的定性关系。学生根据感受可能猜想向心力与质量m成正比，与半径r成正比，与角速度ω成正比。

（1）介绍图3向心力演示器实验构造

（2）实验方法：控制变量法

（3）实验过程

①质量不同的钢球和铝球，控制它们运动的半径r和角速度ω相同，比较向心力的大小

②两个质量相同的小球，保持运动半径相同，探究出向心力与角速度之间的关系

③两个质量相同的小球，保持小球运动的角速度相同，选择不同的半径r，比较向心力的大小。

综合上述实验结果可知：物体做匀速圆周运动需要的向心力与物体的质量成正比，与半径成正比，与角速度的二次方成正比[4]。

实验3： 借助DIS数字化传感器向心力演示器进行实验，将光电门传感器和力传感器分别接入数据采集器，按实验装置图4把两个传感器固定在向心力实验器上，在电脑上记录F与ω数据如图5，借助电脑软件描绘F 与ω2关系的图像，选取X轴为“ω2”，Y轴为“F ”，发现是线性关系如图6，通过实验的图像逐一探索改变向心力的因素，从而验证向心力公式，更有力地说明实验的科学性和重要性。

利用DIS实验进行的探究性实验教学，是目前及未来一定时间内发展的趋势。它有利于学生提高探究的效率，解决一些传统方法无法解决的问题，并将学生的注意力集中在知识的建构上，有利于学生巩固和利用所学的物理知识解决新问题，有利于学生进行探究和创新.

当前还有一些物理教师在教学还是采用传统的灌输式的教学方法，只是将实验设计、原理和方法直接灌输给学生，而不是采用启发式、引导式和探究式等教学方法.不少学校购买了数字化实验设备，但利用这些设备进行实验的不多.要善于利用数字物理实验室，提高学生的兴趣和体验精确的实验和数据处理对物理的重要性，在条件允许时更应该让学生接触探究型的实验设计。要让学生的不断的接触实际操作机会，只有让经历过实际的实验操作，学生的实验能力才能得到真实的提高，学生的学科核心素养才能得到提高。随着新课程改革更多的实验物理的成果不断推出，学生的学习方式也会不断改善。新一轮课程改革是围绕着提高学生的学科核心素养展开的，我们应该转变观念，适应新课程的需要，发挥物理的实验教学在培养学生创新思维不可替代的作用，让物理实验 可有趣、有用，促进学生的全面发展。只要我们深入研究，不断探索物理实验教学方法，做到因内容制宜、因学生制宜，就能为提高学生的科学素养做出贡献。

參考文献：

[1]张平昭.基于物理核心素养拓展物理实验课程[J].物理教师，2016（11）：35-37.

[2]陈小平.创新实验设计，培养高中生的物理核心素养[J].课程教学研究，2016（10）：69-73.

[3]中华人民共和国教育部.高中物理课程标准[M].北京：人民教育出版社，2017.

[4]司南中学物理教材编写组.普通高中课程标准实验教科书物理（必修2）[M].济南：山东科学技术出版社，2005.