于雅舒
德州市第一中学 253000
【摘要】本文立足于近年提出的物理核心素养的要求，笔者通过调研以及自身教学实践中鲜活的案例，探索高中物理实验教学中如何培养学生的核心素养，并提出了具体的教学策略。文章旨在培养学生的逻辑思维能力、批判性思维能力、解决问题与自我调节的能力等，从而有效提高高中物理教学水平与效率，促使学生多元化发展，最终达到具备物理核心素养的培养目标。
【关键词】物理核心素养 物理实验教学
近年来，核心素养的培养成为教育的重要目标。物理作为高中阶段的核心课程之一，通过物理教学培养学生的思考、创新及动手能力的重要性不言而喻。物理知识的推导和验证都离不开实验，因此，在物理实验教学中渗透核心素养，是时代发展的需要，并且具有重要的意义。笔者在调研了诸多专家学者最新实验教学策略的基础上，结合自身两次执教课例《欧姆定律》并荣获山东省“一师一优课，一课一名师”活动“优课”的实践经验，提出了四种实验教学设计的指导理念，能更好地培养学生物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任四个方面物理核心素养的形成。经过在教学实践中的检验，效果良好。
1 背景和意义
伴随新课改以及素质教育的逐渐深化，对于学生的学科核心素养的培养渐渐引起各界重视。在高中教育之中，物理属于重要学科，物理核心素养是物理学科育人价值的集中体现，是学生科学素养的重要组成部分。
对于高中物理教师来说，我们可以通过物理实验教学，对学生的核心素养进行全面培养和提升。在实验中教学不仅可以增强学生的求知欲和探索欲，而且还能促进学生成绩的提升，帮助学生全面理解且有效掌握物理知识、形成科学思维、培养实践能力，进而为学生日后发展奠定良好基础。由此来看，核心素养导向下的高中物理实验教学能够充分地促进学生的全面发展。
然而，从高中物理实验教学的现状来看，存在不少问题。许多教师依然受到传统教学思想的影响，对操作性实验重视程度不足[1]。一些教师为了节约更多课堂时间进行理论知识讲解，往往直接告知学生实验步骤，要求学生按照教材中给出的方法和步骤来操作实验，有些教师甚至直接用演示实验来替代学生实验，导致学生一味地被动接受知识。这些做法，无法使学生通过实验学习环节得到学习能力的提升，甚至会使学生对物理实验形成枯燥的刻板印象，难以形成创新意识，教师也难以通过实验教学环节将核心素养渗透给学生。
高中生正处于思想活跃、追求新鲜事物的阶段，而当前的物理实验教学方式缺乏创造性和新鲜感，对学生创新意识、发散思维的培养带来限制，与核心素养的目标要求不吻合。
因此，为了使核心素养导向下的实验教学得以有效开展，笔者在调研了大量文献和教学案例后，结合自身执教经验，尤其是在对《欧姆定律》这一课例历时两年反复打磨过程中的所想所悟，又经过不断尝试与改进，总结了四种实验教学设计的指导理念，能更好地培养学生物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任四个方面的物理核心素养。
2 实验教学设计的指导理念
2.1设置引人入胜的演示实验，引导学生形成正确的物理观念
物理观念是关于物质、运动与相互作用、能量等的基本认识，是物理核心素养的基础[2]。教师要注重学生认识问题、理解知识的物理视角，引导学生经历科学、正确的知识内化过程，重视解决问题过程中学生对物理观念的运用。
物理知识较为抽象，很多学生难以理解物理概念和规律，学习起来存在一定的困难。教师通过演示实验，能帮助学生了解物理概念，形成物理观念。
案例：在讲解瞬时速度这一概念时，教师可以为学生演示木块从平整倾斜的长木块上下滑的过程[3]。
师：木块是不是做匀速运动？
生：速度越来越快。
师：如何证明越来越快？
学生经过讨论，可能会提出测时间，测全程位移和时间，但无法证明其速度越来越快。在此基础上，教师可以引导学生提出分两段、四段、八段测量时间。但在具体演示过程中，学生发现木块的下滑速度太快，无法测量每段位移的时间。
师：时间测量有困难，怎么办？
教师引导学生，由等距测时变等时测距。学生可以将红墨水装在注射器里，每隔一定时间滴一滴，用橡皮筋绑在物体上并演示。
师：分析纸上的墨迹，能不能说明运动得越来越快？
生：相同时间，位移越来越大。
师：运动速度越来越快，那运动中每一点的速度一样吗？ 如何测出木块经过某点（某时）的速度？比如 D 点速度（如图 1）。
师：能否更为精确地测量 D 点速度？
生：滴水的频率加快。
师：滴水的时间越短，算出来的速度越接近真实的速度， 进而得出瞬时速度的定义。
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在这一案例中，教师通过创设具体的速度变化情境，引导学生进行分析，让学生认识到引入瞬时速度的必要性，并使学生在具体问题中理解极限的含义，加深对瞬时速度的理解。另外，实验探究能激发学生的学习热情，让学生把知识应用于实际生活，有效培养学生的科学思维和解决问题的能力。
2.2利用具有思辨性的创意实验，培养学生的科学思维
科学思维不仅是学生在认识和解决物理问题时采用的方式、方法，也是在实际问题的认识和解决过程中对思维方法的内化。培养科学思维是物理教学的核心所在，要求学生能从定性和定量两个方面进行科学推理、找出规律、形成结论[4]。
在物理实验教学中，教师可以设立一系列有效问题，促进学生的逻辑思维体系不断完善，让学生体验物理学研究问题所运用的思想和方法，从而培养学生的科学思维品质，促进学科核心素养的养成。
案例：笔者在课例《欧姆定律》中的教学片段——探究元件的电流随电压如何变化。
1.提出问题
师：我们已经知道，定值电阻的I-U图像是什么形状？
生：过原点的直线。
师：这表明定值电阻的电流随电压成线性变化。那么小灯泡和二极管的电流随电压如何变化，它的I-U图像是什么形状呢？
2.猜想或假设
师：请大家来猜一猜！把图像画在草稿纸上。
学生各抒己见，说明自己猜想的每种元件的I-U图像形状及依据。
师：伟大的物理学家普朗克说过，物理定律不能单靠“思维”来获得，还应致力于观察和实验。那我们应该怎样检验刚才的猜想对不对呢？
生：实验！
师：下面我们就通过实验，描绘出每种元件的I-U图像，探究出他们的电流随电压的变化规律。
3.设计实验
师：我们以小灯泡为例来设计实验方案。如果我们想要描绘I-U图像，需要测出什么物理量？
生：电压和电流。
师：只测一组数据行吗？
生：不行，得多测几组，才能作出I-U图像。
师：所以我们需要哪些器材呢？如何设计实验电路呢？控制电路中滑动变阻器用分压还是限流？测量电路中电流表用内接还是外接？请同学们想一想，将电路画在展示课学案上。
通过实物投影展示学生设计的电路图
生1：我设计的电路是限流、外接。小灯泡的电阻是10Ω左右，电流表的内阻只有几Ω，电压表的内阻有几千欧，所以小灯泡是一个小电阻，用外接法误差比较小。将滑动变组器和小灯泡串联，就可以改变电流和电压，测多组数据，所以用限流式接法。
生2：:我的测量电路和刚才同学的一样，电流表也是用的外接。控制电路我用的是分压式接法，因为这样可以使小灯泡两端的电压从0开始变化，比限流式的可调范围更大。
师：哪种接法好？
生3：第二种。因为虽然限流式接法比较简便，但是小灯泡两端的电压不能从0开始调节，这样我们就无法知道电压在0附近时，电流的变化情况，所以用分压、外接法比较好。
4.进行实验
1-3组的待测元件是定值电阻，作为验证性实验，验证一下I-U图像究竟是不是过原点的直线。4-6组的待测元件是小灯泡，小灯泡的阻值和定值电阻接近，也用相同的电路。7-9组是二极管，二极管是半导体，老师直接告诉大家，也可以用这个电路。每个大组的AB两个小组各自进行实验。
师：停止实验。现在断开电键，整理好实验器材。AB小组交换一下实验结果，每个大组准备一份实验报告，一会上台展示。
5.分析论证
每个大组送上来一份实验报告。分别展示每种元件的各组描绘的I-U图像。
师：测量定值电阻的三组同学描绘的图像都是过原点的直线，说明电流随电压成线性变化，这种元件叫线性元件。
师：测量小灯泡的三组结果一样，图像都是过原点的曲线，说明电流随电压成非线性变化，这种元件叫非线性元件。这位同学是将各个数据点用折线连起来的，对吗？
生：不对，应该用平滑的曲线拟合。
师：测量二极管的三组结果一样，图像也是过原点的曲线。但是和刚才小灯泡的变化规律是不是不一样啊？谁能具体描述电流随电压的变化规律？
生：在电压较小时，电流几乎为0，当电压增大到某一数值时，电流急剧增大。说明电流随电压成非线性变化，那么这也是非线性元件。
师：我们看到，不同元件的I-U图像不同。虽然小灯泡和二极管的图像都是曲线，但是曲线形状也明显不同啊，说明他们具有不同的电学性质。
6.得出结论
师：刚才我们通过实验，描绘了三种元件的I-U图像，定值电阻的I-U图像是过原点的直线，小灯泡的I-U图像是过原点的曲线，二极管的I-U图像是过原点的曲线。根据图像形状不同，这些元件可以分为几类啊？
生：两类。线性元件和非线性元件。
师：我们画的这种I-U图像，就叫做元件的伏安特性曲线。
7.评估交流
师：那么大家有没有这样的疑问，小灯泡中的钨丝也是金属材料，为什么它的I-U图像和定值电阻不一样呢？二极管的电流为什么开始几乎不变，后来急剧增大？它和金属材料的导电原理一样吗？有兴趣的同学可以课下查阅资料，探讨一下这两个问题。
在以上的教学案例中，教师先通过演示实验引导学生提出问题“小灯泡和二极管中的电流随电压的变化规律如何呢？”让学生根据已有知识进行猜想。很多学生猜想小灯泡的I-U图像和定值电阻的一样，也是过原点的直线，后面再通过实验得出是曲线的结论，制造冲突，使学生更加有探索的欲望，迫切想弄明白其中的原因，这就为本章第6节“导体的电阻”的学习做好了铺垫。
教师通过实验探究，设置层层递进的问题，引导学生步步深入地分析问题、解决问题，使学生自主生成概念，真正理解了什么是线性元件和非线性元件，并且形成了掌握了科学的思维方式。
2.3开展契合生活的趣味实验，培养学生的科学探究能力
科学探究是通过问题提出、猜想假设、信息获取与处理、得出结论、陈述交流、反思评价等一系列过程最终获取科学知识的主要方法，在中学物理课程中主要以“探究性实验”为载体。科学探究的过程具有重要的价值，教师要特别重视探究过程中学生对科学方法的学习，以及各项探究能力的发展。
物理是一门实用性的很强的学科，我们生活中方方面面都能发现物理的影子，通过物理实验教学可以使学生更好地理解物理知识并运用于实践。因此，要重视将物理实验与生活实际相结合，引导学生观察生活中的物理现象，引导学生通过掌握物理理论知识或技能的方式来走进日常生活、了解日常生活，并运用物理知识思考和解决问题，这也是增强学生参与课堂活动积极性的一个重要途径。
案例一：教师可以指导学生在生活中运用物理知识完成一些小制作和小实验，如运用浮力和重力的知识引导学生自己制作孔明灯、水火箭，并思考其中的物理原理[5]。
案例二：进行“长度测量”实验教学期间， 教师可准备相应的器材，如游标卡尺与螺旋测微器，组织学生对现实生活当中一些物体进行测量，如书桌长度、水杯高度以及瓶口直径等[6]。通过这些日常的实践操作不断提升学生的思考能力和动手能力，培养核心素养。
案例三：以自然现象为选题来源的“阳光透过树荫成像的探究”[2]。提到这个现象学生第一反应就是物理中的小孔成像。但是，学生却很少去思考树荫下这些圆形的光斑和非圆形光斑是怎样形成的。实验中让学生观察现象，描述观察到的现象，而后引导学生提出具有探究价值的问题，如：探究树荫形成圆形光斑和非圆形光斑的原因和条件，思考在日环食的自然现象下，这些光斑是否会发生变化，尝试用实验结论测太阳的直径。
在上述和生活密切联系的趣味探索性实验中，学生通过观察、描述现象进而提出有价值的探究问题，从已有的知识体系出发，紧密联系生活中的物理经验、自然现象或物理课本中的拓展知识，在主动探究中将科学方法和科学思维进行合理的运用，体会探究和知识之间的关系，从而真正做到把物理知识与科学方法以及科学本质的学习融合起来，在有意义的实验过程中实现物理核心素养的养成。
2.4在物理实验教学中培养学生的科学态度与责任
相比从前三维课程目标中的“情感态度与价值观”，核心素养中的“科学态度与责任”素养加入了科学本质、社会责任方面的内容，同时对科学态度做了更为丰富的阐述和要求。这样就把科学研究与研究者需具备的态度、品质紧密联系起来。
科学离不开严谨的态度，认真求实是探索科学知识的基础，所以教师在教学中要注重培养学生实事求是、勇于质疑的科学态度。
案例：通过误差分析，帮助学生深入理解实验原理，养成严谨的实验操作习惯。
在探究牛顿第二定律的实验中，用沙和沙桶的重力大小来替代拉力存在明显的原理缺陷，这种实验误差必须通过改进实验方案来减少[3]。还有一些误差来自测量人员的误差，如实验步骤错误或者操作不规范、测量时疏忽大意，造成读数或记录错误等。受传统教学思想的影响，部分学生做完实验后没有做误差分析，甚至有些学生为得到正确的实验结论，随意改动实验数据，导致实验失去意义。
实验教学中教师要让学生明白，按照产生原因划分，误差可分为测量仪器误差、测量方法误差及测量人员误差。测量仪器造成的误差，如仪器老化磨损，仪器分辨率不高，数字式仪器所带来的量化误差。测量方法误差，主要指测量原理上采用某种近似方法引起的误差。测量人员误差是指操作不规范或读数等带来的偶然误差。
教师应要求学生认真记录，处理实验数据后，要进行误差分析。这可以帮助学生正确地设计实验方案，选择合适的实验仪器，深入理解实验原理，还能让学生养成认真严谨的实验态度和规范的实验操作意识，这对于学生今后的职业规划和人生发展具有重要的意义。
3 分析与讨论
实际教学中，一些教师不愿意“浪费时间”在实验探究上，希望课堂教学直奔主题。事实上，教师不能总以分数作为评价学生的主要依据，而应该更多地关注训练思维和动手能力的过程。只有教师带动，才会使学生主动；只有增加师生互动，课堂才会生动[7]。课堂教学实现这“四动”，就能更好地引导学生参与课堂，帮助学生建立利用实验研究物理的意识，培养学生良好的实验习惯，提升学生实验能力。若能在核心素养导向下，构建教学逻辑清晰、思想活跃的物理实验课堂，将必有助于学生的终身学习和个性发展。
笔者执教的课例《欧姆定律》经过了反复钻研，多次修改，探究性浓厚，能在多角度很好地培养学生的物理核心素养。在物理观念的形成方面，教师不是直接给出概念，而是引导学生通过解答层层深入具有思辨性的问题，自主构建物理观念。学生只有经历了紧张的脑力劳动，才能实现知识的建构和内化。知识不是靠教师教的，而是靠学生自己悟的，光靠老师讲并不能深刻理解和灵活应用，正所谓“教育是农业而不是工业，教育是生长而不是填充”[6]。在实验探究方面，探究活动的环节完整，按照：提出问题、猜想或假设、设计实验、进行实验、分析论证、得出结论、评估交流的七个步骤展开，使学生在实践中掌握了进行科学探究的一般步骤。最后通过对课堂内容的总结总结和拓展延伸，实现了从实验探究到理论探究的升华，实现了从特殊到一般的演绎过程，有效培养了学生科学思维习惯。本节课设置的是与课本内容不完全相同的创意实验，最大限度地激发了学生的学习动机，提高了学生的课堂参与度，学会了尊重客观事实，实事求是，逐渐了形成正确的科学态度和责任观。
本文正是要突出物理实验课程的开放性和探究性等特点。课堂上设置多元化的演示实验、创意实验、趣味实验，教师只是在过程中的关键环节予以引导，这既能锻炼学生的独立动手能力、思维拓展能力，也能够激发学生的实验兴趣，提升实验教学质量。例如，在已有实验步骤的前提下，教师引导学生自行设计实验流程，并尝试独立操作[5]。在对教材中既定的实验完成操作后，可以鼓励学生独立思考，改变实验步骤中的某一因素或环境等，让学生观察最后的结果是否会出现变化。在这期间，教师能够相应地给予引导和点拨，尽可能地引导学生独立思考，并不断鼓励学生、激励学生、相信学生，提高学生的自信心，不断地挖掘学生的思考潜能，从而提高物理实验教学对学生能力培养的有效性，最终实现培养学生物理核心素养的目标。
参考文献
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