创新实验方法培养物理核心素养

陈海

【摘 要】本文就创新实验方法，培养物理核心素养进行研究，提出在高中物理教学中，教师可以通过测量法、模型法、控制变量法等多种实验方法优化学生的物理意识，使抽象概念具象化、知识对比得到升华。

【关键词】创新实验 核心素养 高中物理

【中图分类号】G  【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2019）08B-0071-02

随着全面教育的发展，物理学的学科地位也在逐年上升，其中大部分的物理知识都是从实验室中获取的。动手实验不仅能够增强学生的知识贯彻度，还可以适应当代素质教育的要求去培养有动手能力、实验探究能力的高中生。但是对于学生而言，实验往往是晦涩枯燥的，因此，在高中物理的课堂上教师需要引领学生创新试验方法，用各种新颖的、有效的方式带领学生获取知识，以培养学生的物理核心素养。笔者将从以下几个方面进行简要论述。

一、测量法，优化意识

（一）应用变换原理，转换测量。在高中物理的实验中有很多物理量是不方便测量的，但是我们可以通过转换去测量易获得的物理量，再根据已知条件推导计算出所需要的数据。这样实验难度会大大降低，测量数据也变得更加简便，但需要学生比较透彻地理解物理量的转化和内在关系。

例如，在讲授高中物理必修 2“探究平抛运动的规律”时，需要测量物体抛出时的瞬时速度 v，这个物理量我们如何得到呢？显然直接测量是没有相关工具的，因此，笔者引导学生考虑能否换一种思路不直接测量而是由其他物理量推断呢？同学们根据我们之前学过的知识提出：要想得到平抛运动抛出时的速度，可以通过测量平抛运动的距离得到。将其分解可知：水平方向的位移 x=v0t，vx=v0，竖直方向的速度 vy=gt，我们首先利用秒表记录该平抛运动的时间 t，再测量出水平、竖直方向的位移，最后根据公式 ，即可得到瞬时速度。这样复杂的速度问题可以简化，测量的数据也便于获得且更加准确，学生只需要把握好所用的公式和思路即可得到最后的结论。

可以看到，学生在进行物理量的测量时不必钻牛角尖，我们可以采取“曲线救国”的方式，通过测量简便的物理量，剖析其内在联系计算出所需物理量。这不仅能提高学生的实验动手能力，能使学生巩固基础知识和对物理量之间相互关系的合理应用，优化学生的实验意识。

（二）应用相似原理，模拟测量。在高中物理学习过程中并不是所有的物理量都是可以测量的，由于环境条件的局限性有很多数据我们没办法获取，这时教师可以培养学生模拟测量。运用相似原理人为地构建模型，可以将实际物体按照一定的比例缩小或者放大测量数据反推结论，还可以构建性质相似模型。

例如，在讲授高中物理选修 3-1“磁现象和磁场”时，要想让学生知道磁感线是如何分布的，我们可以利用铁屑的分布去推断。在课堂上笔者先带领学生回顾一下我们已经学过的磁场对处于其中的磁极产生力的作用的现象，类比电场可以推断磁极与磁极之间的相互作用是由于磁场的存在而产生的。在进行了一系列的小实验以后我们验证了这个假设，由此让学生思考电场中可用电场线来表示电场方向，磁场中用什么来表示呢？这就是所谓的磁感线了。我们在一张白纸上均匀地撒上铁屑，将电磁铁放在上面可以看到铁屑受到磁场力的作用形成一条一条的线状，这样的线条就是其中的磁感线。可以看到磁感线是封闭的曲线，利用铁屑就可以得到它的路线，这大大方便了我们之后的磁场探究。

在这个过程中教师需要注意，一定要引导学生分析出其中的相似点，透彻了解其联系才能更好地运用好模拟测量这一方法。这在一定程度上降低了物理测量难度和实验成本，可以在条件有限时加以利用，让学生的实验思维活跃起来，尝试多角度思考，而不局限于物理量本身。

二、模型法，形象直观

（一）替代模型，突出主要矛盾。所谓替代模型就是将某个物理概念放大或者缩小，但是其本质和特性保持不变，便于物理实验过程分析的物理模型。这个过程主要倾向于突出物体本质的特征和主要矛盾，将次要的、不必要的那部分缩小甚至是忽略，使得我们实验所需要研究的对象从客观实体中抽离。

例如，在讲授高中物理必修 1“相互作用”中力的分解时，我们要对某一个物体所受到的力进行分析。笔者拿出一个木块将其斜压在墙面上，使得它保持静止状态，请同学们画出受力分析图。学生们将木块看作一个质点，它哪个部分受到笔者手的压力并不重要，它只是一个受力的整体，可以忽视。分析得到木块具有自身竖直向下的重力 G，笔者的手给它的向上倾斜的压力 F，以及墙体给它的水平向左的支持力 FN，竖直向上的摩擦力 Ff，这四个力达到了均衡状态。根据画出的受力分析图构建直角坐标系可以看到竖直方向向下受到了重力 G，向上受到摩擦力 Ff 和压力 F 的分力;水平方向向右有压力 F 的分力，向左为墙体的支持力 FN。将木块看作质点大大简化了分析过程。

虽然替代模型在很大程度上簡化了实验思维过程，但是教师需要对学生的替代模型构建过程进行严格地监督。一旦模型构建错误或者忽视了原物体中的重要特征、本质，会直接影响到我们最后的实验结果。学生需要学会找到物理实体中的主要矛盾，将其分离出来构建。

（二）相似模型，发现同样规律。在实验过程中有些事态的发展目前是没有相关条件可以达到的，如何能进行合理的预测呢？这就需要师生一起构建相似模型，抓住实验的本质利用模型去推断其中的规律。可以看到模型和原型的根本是相同的，故而我们可以发现一定的规律，使得实验更加形象直观。

例如，在讲授高中物理选修 3-1“库仑定律”时，根据章节背景可以知道本节主要探究的是静止点电荷之间相互作用力的规律。请同学们回想一下我们在之前物理的学习过程中是否还有什么相互作用与本节内容相似呢？这时有同学提出：“我们之前学习过天体之间的相互作用力，当时得到的最终结论为万有引力公式  。我们如果探究电荷之间的相互作用力其实可以类比该模型。”于是笔者带领学生开展本节课的学习，库伦由实验得出在真空条件下两个静止的点电荷之间的相互作用力与其电荷量的乘积成正比，与它们之间的距离成反比，可以推导出这样一个公式：（）学生在进行记忆时联系万有引力定律可以避免出错。

在这个过程中需要注意模型必须保持与原型的相似才能做出规律的合理推断。因此，构建相似模型时我们首先要对原型的本质进行剖析，抓住其内在根本以后再将其简化成可以操作的物理模型，最后根据模型的实验探究反推原型的相同规律，形成一个完整的实验思路。

三、控制变量法，比较研究

（一）结合日常练习，验证猜测。要想得到某一个因素对实验最终结果的影响，需要保证其他变量都是相同的状态，这就是所谓的控制变量法。在高中物理的教学中此法屡见不鲜，我们可以先让学生进行理论分析做出合理假设，在日常实验中加以练习验证，长此以往学生可以熟练掌握变量法。

例如，在讲授高中物理选修 3-1“欧姆定律”一章节时，首先请同学们观察一下教室里的小灯泡，有同学提出教室里左边的灯泡亮度比右边的更亮。根据之前学过的知识可以画出电路图，这两个小灯泡是并联的关系。这时我们可以得到两个小灯泡两端的电压 U 是一样的，通过的电流 I 越大则灯泡越亮。学生们推测：这两个小灯泡的电阻 R 是不同的。于是我们自己动手做了一个电路，将小灯泡与滑动变阻器、电流表串联起来，将一个电压表并联在小灯泡两端。一切准备就绪以后打开开关，灯泡发光，电路通路。根据电压表、电流表测量出小灯泡两端的电压 U 以及通过的电流 I，移动滑动电阻器的滑片得到多组数据，最后得出  这个公式，即欧姆定律：在同一电路中，通过某段导体的电流跟这段导体两端的电压成正比，跟这段导体的电阻成反比。

我们鼓励学生进行自主研究，根据自己目前已经获得的知识进行合理的假设，并利用实验验证自己的假设。在日常练习中使学生体验了成功和失败，学会分析，从而提高了我们的教学效率，也增强了学生的实验能力。

（二）结合实际生活，主题探究。高中物理知识体系的建构是由一个又一个的主题建立起来的，实验的设计自然也是如此。教师根据主题结合实际生活，将理论联系实际，使学生敢于提出自己的想法并进行自我探究。

例如，在讲授高中物理选修 1-1“生活中的静电现象”中的尖端放电时，笔者在课堂开始时给学生看这样一张图片：电闪雷鸣的天空划过一道闪电，建筑物上面的尖尖的避雷针引人注目。笔者问：“同学们，你们知道为什么避雷针要设计成这个样子吗？”让学生讨论。由此笔者讲解尖端放电现象与原因。并向学生提问，根据同种电荷互相排斥原理和电荷总量守恒定律，你们可以猜测一下避雷针的作用原理吗？同学们推断这种尖状金属物会连接地上的金属板，当雷击时异种电荷聚集在尖端产生尖端放电现象，避雷针中电荷中和避免了雷击。因此，教师需要注意拓展教学内容，尽量在主题探究时多引用生活实例，加强学生生活与课堂之间的联系。

我们可以看到，每种方法都可以应用于多个实验，同时，在一个实验中也可以用到很多种方法。我们需要根据情况选择合适的方法，在动手实验的过程中培养学生的物理核心素养，培养其成为社会需要的全面人才。物理实验的方法當然不局限于以上几种，我们希望教师能够不断优化高中物理教学。

【参考文献】

[1]黄 洁，张 玮.新课程下的高中物理实验创新教学[J].中学物理教学参考，2017（4）

[2]寿千里.高中物理实验教学现状及思考[J].物理通报，2008（11）

[3]马 力.高中物理实验教学的研究[J].中小学实验与装备，2007（3）

[4]周胜凤，关 民.如何在高中物理实验教学中培养学生的创新能力[J].延边教育学院学报，2005（6）

【作者简介】陈 海（1970— ），男，中学一级，现就职于北流市第二中学，从事物理教学。

（责编 卢建龙）