核心素养导向的高中物理实验教学策略

蔡千斌

(浙江省温岭市新河中学，浙江 台州 317502)

当前的高中物理实验教学已经步入了核心素养时代．在实践中,我们总结提炼了核心素养导向的高中物理实验教学策略,包括实验知识的条件化策略、实验知识的结构化策略、实验知识的情境化策略和实验知识的情态化策略．具体策略详述如下．

1 实验知识的条件化策略

实验知识的条件化策略是指揭示实验知识产生过程的策略,也就是从实验知识的源头开始教学的策略．其目的是让学生明白实验知识是怎么来的．如果学生不清楚实验知识的产生过程,就容易陷入机械识记的学习状态,一旦碰到实际的实验场景,将难以设计正确的实验电路,无法破解具体的实验问题．实践表明,像描绘小灯泡伏安特性曲线实验电路的设计问题,如果没有采用从知识源头开始教学的方式,其中一部分学生直到高考结束都还没有搞明白分压式电路的画法．

案例1:分压式电路的设计．

教师:如图1(a)所示,小灯泡分别接在“1、2”,“1、3”,“1、4”的不同位置时,小灯泡两端获得的电压是不同的．如果图1(a)中有很多个电阻,小灯泡左端的接线柱不动,小灯泡右端的接线柱就有多个不同的选择,小灯泡两端就可获得多种不同的电压．但是这种接法有个缺点是小灯泡两端无法获得连续变化的电压值．怎么改变图1(a)中的电路,使小灯泡两端获得连续变化的电压值?

学生:如图1(b)所示,用一个阻值较大的电阻代替如图1(a)中的多个小电阻,小灯泡右端的接线柱改成一个可以滑动的滑片,这样就可以实现小灯泡两端电压从0—U之间的连续调节．

教师:显然,图1(b)电压调节比图1(a)更为方便．由于图1(b)中小灯泡两端的电压是从滑动变阻器某一部分的两端分得的,因此图1(b)的电路也就称为分压式电路．

在图1(b)的基础上,将电流表与小灯泡串联、电压表与小灯泡并联,即可得到描绘小灯泡伏安特性曲线的实验电路图．通过这样的教学,学生学到的分压式实验电路知识才是牢靠的,在具体应用时从头脑中提取出来也是容易的．

图1 分压式电路的构建

2 实验知识的结构化策略

实验知识的结构化策略是指将前后的实验知识建立联系,把新的实验知识纳入到原有的认知结构中,在学生的头脑中形成有意义的认知逻辑．其目的是揭示各个物理实验的本质,便于物理实验知识的迁移与应用．如果学生没有理清实验知识之间的逻辑关系,没有构建出有意义的实验知识结构,就容易陷入越学越多,越学越杂的境地,感到实验知识的庞杂与无序,势必影响前后综合实验问题的破解．实践表明,像高中物理中的很多实验都涉及到纸带,它们横跨必修1、必修2和选修3-5,内容跨度大,时间跨越长,如果没有用一条纸带将这些实验串接起来,学生就难以完整地把握住它们的物理本质．

案例2:纸带类实验．

问题1:如图2中的实验装置,可以完成以下哪些实验?

图2 纸带类实验1

(A) 研究匀变速直线运动.

(B) 探究弹力与弹簧伸长的关系.

(C) 探究求合力的方法.

(D) 探究加速度与力、质量的关系.

(E) 探究功与速度变化的关系.

(F) 验证机械能守恒定律.

(G) 探究碰撞中的不变量.

(设计意图:问题1是对力学实验中哪些方案可以选用这套仪器的讨论,这是异中找同,从纵向的角度帮助学生建立纸带类实验的知识结构——哪些纸带类实验可以用同一套实验装置来完成?)

问题2:如图3所示,“研究匀变速直线运动”“探究加速度与力、质量的关系”“探究功与速度变化的关系”这3个实验中,摩擦力对实验结果没有影响的是哪些?

图3 纸带类实验2

(设计意图:问题2突出了对3个实验方案中何时要平衡摩擦力问题的讨论．哪些需要平衡摩擦力,为什么?哪些不需平衡摩擦力,为什么?)

问题3:图4(a)“探究加速度与力、质量的关系”实验中打出的纸带是哪一条,为什么?图4(b)“探究功与速度变化的关系”实验中打出的纸带是哪一条,为什么?图4(c)“探究碰撞中的不变量”实验中打出的纸带是哪一条,为什么?

图4 纸带类实验3

(设计意图:问题3突出了对3个实验方案中如何识别所打纸带的讨论,从纵向角度帮助学生理清不同纸带类实验的原理．)

通过这样的讨论比较,使学生在纵向上对高中物理涉及的所有纸带类实验都有了深刻的理解．当然,还可从横向上对纸带类实验进行知识上的意义建构,在此不再赘述．

3 实验知识的情境化策略

实验知识的情景化策略是指教师创设真实的物理实验情境,使学生经历类似于物理实验知识产生过程和运用过程的教学策略．目的是使学生的实验活动更具趣味性、生动性,从而激活学生的求知系统,激发学生学习的原动力．如果没有让学生面临活生生的实验情境,学生就会感觉实验知识的枯燥与乏味,直接影响后续物理实验学习的动力．例如,让学生画出测定一节干电池电动势和内电阻的各种实验电路图,所用仪器为除一节干电池、开关、若干根导线外,包括“有一只电压表、一只电流表、一个滑动变阻器”或“仅有一只电压表、一个电阻箱”或“仅有一只电流表、一个电阻箱”的各种情形．这样的实验知识教学就显得乏味．

案例3:选器材进行实验．

情境:在“测定电源的电动势和内电阻”的实验中,教师提供如图5所示的实验器材包括若干导线,请学生选择合适的器材,并进行实验．

图5 从多余的仪器中选择合适的器材进行实验

(设计意图:根据题意选择合适的器材,实质是对实验原理的考查．学生的心中如有明确的实验原理,清晰的实验电路图,在连接实物时就不会出错．)

实际操作表明,只有2%的学生能够顺利地解决这个问题．绝大多数学生没有根据要求选择合适的器材．其实质是对实验原理不明确．如果学生的心中有明确的实验原理,清晰的实验电路图,在选择器材连接电路进行实验时就不会出错．结果虽然并不理想,但这样的情境设置,反而激起了学生的实验热情,引发了他们进一步研究的动力．

当然,不管设置怎样的真实实验情境,都离不开学生对实验原理的正确理解．只有紧紧抓住物理实验原理这个本质,才能较好地解决基于真实情境的实验教学问题．

4 实验知识的情态化策略

实验知识的情态化策略是指将实验理智与实验情感相互交融的实验教学策略．目的是使我们培养的学生既有科学素养,又有人文情怀．这样的教学,使学生觉得实验知识并不是冷冰冰的,而是有温度的,并且能够引领、丰富学生的真情实感．因此,它能使物理实验知识融入到学生的精神层面,并上升到学生的态度与价值观层次．例如,为了讲清弹簧是有弹性限度的,一位教师拿出一根完好的新弹簧,使用暴力直接拉直弹簧,结果弹簧无法回缩,说明弹簧是有弹性限度的,好好的一根弹簧就被这样生生地拉坏掉了．这位教师上了3个班,最后就拉坏了3根弹簧．虽然,这种教法鲜明直观,但在学生面前示范了直接破坏学校公物的形象实在有些不佳,不利于学生在实验教学中形成正确的情感态度与价值观．

图6 欧姆调零时的短接

再如,在练习使用多用电表测量电阻实验时,都有一个欧姆调零的操作过程．演示时,教师将红表笔插在“+”插孔、黑表笔插在“-”插孔中,通过投影,演示欧姆调零的操作过程,如图6所示．仔细观察可以发现,教师的手指握在红、黑表笔的金属部分,这样的操作固然不会影响实验的调零结果,但是人的手上有汗,长期这样操作,手上的汗水会腐蚀红、黑表笔的金属部分,这是不允许的．就像天平使用中,我们是不允许学生直接用手去取砝码的道理是一样的．因此,这样的教学不利于培养学生的实验态度．其标准的实验操作,应当是手指握在红、黑表笔的塑料部分,而不应该握在红、黑表笔的金属部分．

案例4:电容器所带电荷量与电容器两极板间电压的关系．

图7 电解电容器

教师提供器材：每小组提供6只如图7所示的电解电容器(规格为“16 V，47 μm”)，1只数字式多用电表，1个电池组，若干导线.

实验方法：采用“一只不带电电容器与另一只相同电容器接触进行电荷量平分”的方法，来改变带电电容器所带的电荷量；用数字式多用电表测出电解电容器两极间的电压值.

实验步骤及数据处理： (1) 让学生先给第1只不带电的电解电容器充电，充电后所带电荷量记为q，然后用数字式多用电表测出电容器两极间的电压值。(2) 用第2只不带电电解电容器的正、负极分别与第1只电解电容器的正、负极接触，分离后每只电容器所带的电荷量为0.5q； 用数字式多用电表测出分离后第1只电解电容器正负极间的电压值.(3) 依次用第3、4、5、6只电解电容器重复步骤(2)的操作，分别测出第1只电解电容器正负极间的电压值.(4) 将测得的电压值及电容器所带的电荷量记录在表格中，如表1所示；作出第1只电解电容器所带电荷量Q与两极间电压值U的关系图，如图8所示.

表1 第1只电解电容器两极间的电压值U与所带的电荷量Q

图8 电容器所带电荷量与电容器两极板间电压的关系

(设计意图:利用身边的石英钟、干电池和易得的电容器,就可以获得跟利用高科技DIS实验所得的结果一样．这对于学生来说,心灵上的震动是不少的,其获得的成功体验不容小觑．因此,对培养学生的情态非常有用．)

实践告诉我们,实验知识的情态化策略能极大地激发学生的探索兴趣、操作兴趣,使学生愿意体验,积极体验,能有效地激活学生动手实验的内驱力,从而提高学生的探究能力与水平,提升学生的物理实验素养．

5 总结

实验知识的条件化策略、实验知识的结构化策略、实验知识的情境化策略和实验知识的情态化策略这四者之间存在着递进的关系．实验知识的条件化策略解决的是实验知识是怎么来的问题;实验知识的结构化策略解决的是实验知识是怎么构成有意义逻辑关系的问题;实验知识的情境化策略解决的是实验知识是怎么运用到真实情境中去的问题;实验知识的情态化策略解决的是实验知识是获得成功体验的最高层次,是精神层面上的一种升华．

实践表明,在高中物理实验教学中有效地运用条件化、结构化、情境化和情态化策略,会最大可能地提升学生物理学科的核心素养．

1 余文森.核心素养导向的课堂教学[M].上海:上海教育出版社,2017:179-196.