立足于提升学生物理核心素养的实验教学

    杨凡

    

    

    

    摘? ?要：本文从2019年厦门市初三毕业班教学质量检测的一道物理实验题谈起，反思在实验教学中如何更好地以生为本，帮助学生在实验过程中体会物理实验思维的运用，更好地培养学生知识迁移能力，提升物理学科核心素养。

    关键词：核心素养;实验教学;教学反思

    物理是一门以实验为基础的科学，实验教学在物理学科中占据着重要的地位，实验考察在物理考试的评价体系当中扮演着重要的角色。

    物理学科的核心素养包括物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任。在物理实验教学中，通过对经验事实的分析、推理等培养学生的科学思维、物理观念;通过实验过程的猜想假设、设计实验、操作反思、分析论证等，培养学生的科学探究能力以及科学态度与责任。

    在以往的实验考察中，由于传统纸笔测试所带来的困境，部分实验试题仅围绕教材中实验方案进行考査，问题设计未能跳出传统习题训练的范围，缺乏现实的问题情境，过于关注技能知识的简单考査等[ 1 ]，使得实验考察“死板化”。而试题的命制会直接影响实验教学的方向。

    本文所举例题源于课堂知识，高于课堂知识，要求学生对于实验内容、方法有较好的吸收与内化，并能将其应用到不同的实验环境下。

    1? 试题评析

    1.1? 试题回顾

    学习小组想探究“通电导体在磁场中受力的大小与导体在磁场中长度的关系”。

    【实验目的】探究通电导体在磁场中受力大小与导体在磁场中长度的关系。

    【实验器材】边长不同的矩形线圈2个、足够宽的U形磁铁、弹簧测力计、电源、导线、开关。

    【实验步骤】

    （1）如图1，用弹簧测力计测量矩形线圈a的重力G1，再将a放人磁场中。通电后，弹簧测力计示数变为F1。发现F1小于G1，则磁场对线圈a作用力的方向是_____。

    （2）換用矩形线圈b，重复步骤（1）中的实验，每次实验时AB边在磁场中的_____相同。记录线圈b受到的重力G2和拉力F2值。应比较_____和_____的关系，得出结论。

    （3）某次实验时，发现弹簧测力计的示数比该矩形线圈的重力大，你觉得可能的原因是：_____。

    1.2? 试题分析

    本题探究的问题是“通电导体在磁场中受力的大小与导体在磁场中长度的关系”，学生在“科学探究：电动机为什么会转动”（沪科版九年级全一册）一课中学习过：磁场对通电导体具有力的作用，其作用的方向与电流方向、磁场方向有关。因此该情景学生似熟非熟，需要结合实验目的、测量原理及受力分析知识进行解题。

    1.2.1? 控制变量法的运用

    本实验所使用的实验方法为控制变量法，从实验目的出发，分析实验基本过程：控制除通电导体在磁场中的长度以外的其他条件相同，改变通电导体在磁场中的长度，观察、测量、比较通电导体在磁场中的受力情况。通过所学知识，学生猜想本实验中除通电导体在磁场中的长度外的其他影响因素还可能包括：导体的电流强度、电流方向、导体所处位置的磁场强度、磁场方向等，因此需要控制以上变量在实验过程中不发生改变。由此，可以得到第二小问第一空的答案“每次实验时AB边在磁场中的位置相同”

    1.2.2? 受力分析与转换法的运用

    重新回到实验设计过程，本实验设计的另一大难点在于如何测量通电导体在磁场中受力的情况变化。在本题中，第一小问很好地为学生架设了一个“台阶”。“用弹簧测力计测量矩形线圈a的重力G1，再将a放人磁场中。通电后，弹簧测力计示数变为F1。发现F1小于G1，则磁场对线圈a作用力的方向是_____。”如图2对通电前后的线圈a进行受力分析：在通电前，线圈a处于静止状态，拉力等于重力G1;通电之后，拉力变小，重力不变，而此时线圈依然处于静止状态，说明通电后线圈还受到另一个与拉力方向相同的力Fa，显而易见：这就是磁场对线圈的作用力，通过分析我们可以得到：Fa=G1-F1。

    该方法其实在“认识浮力”（沪科版八年级全一册）一课中就有出现（如图3）：通过比较石块在空气和水中的弹簧测力计示数情况判断浮力的方向，通过受力分析计算浮力大小。二者在本质上有异曲同工之妙。

    所以我们可以得到第一小题“如图，用弹簧测力计测量矩形线圈a的重力G1，再将a放人磁场中。通电后，弹簧测力计示数变为F1。发现F1小于G1，则磁场对线圈a作用力的方向是 竖直向上 。”

    第二小问第二、三空，通过实验过程的分析，学生需要观察、测量、比较通电导体在磁场中的受力情况即“应比较G1-F1和G2-F2的关系”。

    第三小问学生通过上述两题的分析，可以得到，若弹簧测力计示数变大说明磁场作用力的方向为竖直向下，结合所学知识：“磁场作用力的方向与电流方向、磁场方向有关”，可解“某次实验时，发现弹簧测力计的示数比该矩形线圈的重力大，你觉得可能的原因是：? 改变了电流方向或磁场方向? 。”

    本题源于课堂知识，高于课堂知识，要求学生对于实验内容、方法有较好的吸收与内化，并能将其应用到不同的实验环境下。充分考察了学生对知识的理解、迁移能力。知识迁移能力，是创新型人才最重要的能力。没有知识迁移，就不可能有科技创新。知识迁移能力是指用已学知识解决新问题的能力，包含对新情境的感知能力、对旧知识的链接能力、对新事件的解决能力、对新规律的概括能力[ 2 ]。所以，该题考察的正是学生需要提高的能力。

    2? 教学建议

    2.1? 更新教学观念，重视实验本质

    实验教学对于物理学科的重要性不言而喻，过去的传统教学中，由于考察方式的局限性，有的教师功利地认为“学生只需要会做题，不需要会做实验”。但是对于实验教学来说，最重要的是让学生在这一过程中提升学科核心素养，贯彻落实“以生为本”，所以应该将实验课“还”给学生。实验探究过程包括提出问题、假设猜想、设计实验、进行实验、收集证据、分析反思。在这些过程中，设计实验的过程常常因为课堂时间有限等原因被忽视，在这一过程中让学生设身处地的运用科学方法，例如控制变量法：控制哪些变量不变？观察哪个量的变化情况？假如观察的实验效果不明显该怎么办？能否使用转换法，该怎么用？……经历这些思考过程与实验设计过程，对于学生的思维提升，相较于教师的“一言堂”来说，有本质上的区别与进步。

    在探究过程中，教师的作用是引导学生，帮助每个学生打开自己的思维大门，学习是螺旋式上升的过程，在学习过程中勿要拔苗助长，适当的施肥、浇水才是园丁的责任与义务。

    2.2? 详解课本实验，拓展学生思维

    课本是经过教材组专家编排设计而形成的适用于学生学习、教师教学的教材。其内容的选取经过了严密的思考与严格的审核，将知识用最基础、最根本的方式呈现出来，是学生“思维大厦”的地基所在。

    详解课本实验，在学生设计实验过程中，尝试将学生实验计划与课本实验相比较，详解课本实验设计细节，由学生来分析优缺点、设计改进方法等。

    例如在“科学探究：电动机为什么会转动”教学过程中：课本实验选择用平行的匀强磁场进行实验，有的学生选择用马蹄形磁铁形成的磁场进行实验，对比两次实验的实验现象：在课本实验中，金属杆放置的位置不影响其运动情况;但假如选择用马蹄形磁铁，学生便会发现，金属杆放在不同的位置，现象是不一样的：在磁极附近金属杆很容易就运动起来了，但假如放在凹口处，金属杆运动的速度较慢，甚至不运动。此时可以引导学生做进一步猜想：是什么影响了马蹄形磁铁中导体的运动呢？摩擦力？磁场强度？怎么验证？这两种磁场哪一种更好？好在哪里？这一系列的问题，可以帮助学生深入地体会科学探究的过程，从课本实验出发，自主挖掘、拓宽实验思维，达到教学目标。

    2.3? 提高教师素养，创新实验情景

    习近平总书记在同北京师范大学师生代表座谈时曾表示：“在信息时代做好老师，自己所知道的必须大大超过要教给学生的范围，不仅要有胜任教学的专业知识，还要有广博的通用知识和宽阔的胸怀视野。”

    现如今，学生所能接触的学习资源剧增，黑洞照片、5G、石墨烯等新知识、新概念的出现使得课本实验、常规实验已经不能满足学生对物理学习的好奇心。科学的发展是永不停息的，教师应发展自身业务素质，与时俱进，不能固守自己的三分地。从生活实际出发，从基本方法入手，将课本知识与新时代、新创新、新视角相结合，创设新的实验情景。帮助学生通过不同的情景与实验巩固所学的科学方法，锻炼学生的知识迁移能力。

    3? 结语

    物理课堂既包括教师的教，也包括学生的学。在课堂实验教学中应该重视学生的实验设计，鼓励学生进行设计与改进，培养学生的各项素养;在课后练习中应该提升教师的备课、出题能力，与时俱进，用更新、更靈活的题目，锻炼学生的思维品质。

    参考文献：

    [1]叶兵. 高考物理实验题命制的几点思考[J]. 物理教学，2018，40（12）：32-36..

    [2]董友军，李跃明. 凸显“知识迁移能力”，落实“物理核心素养”——2017年全国Ⅰ卷物理实验评析[J]. 物理实验，2017，37（9）：57-60.