基于核心素养的初中物理实验教学新视角
周吉平
摘 要：物理核心素养教学的落实，实际教学中与理论阐述者的见解略有区别，本文从理想实验、实验创新、误差分析等能力的培养方面阐述学生物理核心素养的教育途径.
关键词：物理学史;压力概念;误差分析
1 理想实验中科学态度素养的培育
科学态度与责任是物理学科重要的核心素养，其包括科学本质、科学态度、科学伦理.从课堂教学融合物理学史角度出发，以《牛顿第一定律》教学为案例进行研究，梳理了初中、高中、大学有关该定律教学内容，初步探讨了物理学史与学科教学的整合路径，探索科学态度素养培育的落脚点.
表中所述初中版内容浅显、形象，符合学生认知特点，而物理学史中明确指出：伽俐略的实验初衷是为了论证亚里士多德“落体定律”的错误，但初中教材中却被认为定律形成的关键性实验.因此我在教学过程中补充科学史实，让学生结合当时的科学背景，客观地认识到亚里士多德等物理学家的贡献，从而培养他们敬畏科学、尊重真理的科学态度.高中人教版沿袭初中版模式，遵循伽俐略发现、笛卡尔完善、牛顿总结的编写逻辑，论述了定律的形成过程.在定律的形成过程中，三位物理学家的贡献作用突出且各有千秋，因此有必要结合物理学史，向学生再现一下科学研究原貌，促成学生对物理科学不断发展这一本质的认知.大学生的抽象逻辑思维能力强，他们对定律的理解主要建立在初、高中阶段的认知基础上，因此初、高中阶段的牛顿第一定律教学要建立在科学的基础上，教学内容上要形成系统连贯性，要挖掘物理学史中的资源，从知识源头上帮助学生厘清科学求真的本质，从而培养他们的实证精神及严谨的求知态度.
如何在初中课堂中融入物理学史的教学，提升课堂教学内容的科学性？教学过程中由简介亚里士多德的“落体定律”导入，设计质量不等的两球同时落地实验，引发学生猜想力和物体运动的关系，阐述伽俐略的结论，补充迪卡尔的改进内容，强调牛顿的抽象过程，得出第一定律.通过教学，学生们认识到：牛顿第一定律是几千年来物理学家们不断累积的成果，不能割裂物理学的历史背景而孤立地理解物理知识，每一个概念、规律、定理有其相应的科学时代背景.将物理学史融入课堂教学设计，立足于科学的课堂，学生更能认识到科学发展的艰难与必然，学生的科学态度素养达成落到实处.
2 实验课中创新精神的培育
学生在学习压力内容时常出现以下困惑：不能有效区分压力与重力概念，混淆压力与重力方向，认为压力由重力产生，受生活中表面物理现象干扰.出现上述现象，与他们生活经验的思维定势有关，根据生活经验，学生们会认为载重卡车、盛水的桶对地面压力大，而一张纸、一根鹅毛对接触面不会产生压力，学生常认为物体越重，产生的压力越大，这根深蒂固的错误前概念问题不解决，对学生后续学习力学知识会造成困扰.要让学生真正理解压力概念是不容易的，只有通过实验演示压力的产生条件、方向等，让学生由直观思维提升到理性思维，从而认识压力及其作用效果，才能让学生走出对压力和重力认知上的误区.笔者围绕压力概念教学进行了相关探索，并利用身边器材对传统实验进行了如下简单创新：（1）通过海绵在水平面、斜面、竖直面方向的形变，演示压力产生的条件;（2）以海绵形变方向与指针指向显示压力方向;（3）用刻度尺和指针测量海绵形变量Δh，探究影响压力作用效果的因素.这些改进增强了实验现象的可视化程度，提升了实验课堂的教学效率，促进了学生对压力概念的深度理解.
生活中常见的压力是如何产生的？压力就是重力么？围绕压力这个核心主题展开如下探究.
如图1所示：水平木板上放海绵，上放一张纸，海绵没有明显形变，加上砖块后发生形变，学生常常误认为砖的重力比纸的重力大，砖的重力使海绵发生形变，略提起砖块位于海绵正上方，脱离海绵，砖块有重力，海绵此时不发生形变，说明海绵形变非重力作用.那是什么力使海绵发生了形变呢？再次缓缓放下砖块，让学生观察到砖块先接触海绵到挤压海绵的全过程，砖块接触挤压海绵时产生了压力，压力使海绵发生了形变.通过实验让学生明确了压力的施力物体是砖块，砖块所受重力的施力物体是地球，若压力就是重力，两力施力主体相矛盾，便自然而然的區分了压力和重力.利用上述器材还探究了“物体相互接触是否就能产生压力和压力一定等于重力” 两个重要问题，操作如下：水平木板上放海绵，上加一块砖，缓缓提起木板一端构成斜面，比较图1和图3，发现海绵形变程度减弱，说明受到压力减小，而砖块质量不变，重力不变，说明砖块对海绵的压力大小不等于砖块重力大小.学生常认为压力方向与物体重力方向相同，按下列图4、图5所示操作：手压铁片和海绵，贴在海绵上的指针会随着海绵沿水平向下、斜面等方向延伸，发现指针总是垂直于接触面，所以得出“压力的方向垂直于接触面”这个结论，这与重力的方向总是竖直向下不同.
解决上述问题后，鼓励学生利用现有器材，添加一个刻度尺设计探究影响压力作用效果的因素的实验，学生很快设计了如图6所示实验，操作清晰明了：水平木板上放一块海绵，用刻度尺和指针测量海绵原始高度h，加上一块砖，用刻度尺和指针测出海绵高度h1，再添一块砖，测出海绵高度h2，发现（h-h1）>（h-h2），说明受压面积一定时，压力越大，作用效果越明显.在实验用的海绵旁边添加一块厚度相同的海绵，放上相同数目的砖，测出海绵高度h3，发现（h-h2） >（h-h3），说明压力一定，受压面积越大，压力作用效果越不明显.
上述实验教学中利用简易器材，通过设计砖块压海绵、测量海绵高度变化等实验内容，直观展现压力的作用效果，让学生更深刻地理解压力概念，将有效地解决学生学习中的困惑.改进后的实验现象更直观，加强了对控制变量法的理解，培养了学生的科学态度和乐于探索物理概念规律的科学精神.
3 物理实验课中误差分析能力的培育
在教学中笔者发现学生最喜欢上物理分组实验课，但最怕上的也是物理分组实验课，为什么会出现反差？因为学生在实验课中怕笔者的实验“三问”.一怕问他们实验中发现了什么问题;二怕问他们找出了哪里存在误差及误差产生的原因;三怕填写实验报告中系统分析一栏.初中物理验证性实验居多，由于实验器材及实验环境等的因素影响，实验时出现与实验结论大相径庭的现象时而有之，如有的学生在做探究串联电路中电流的规律实验时，喜欢一次性在电路中串联三个电流表，这与在相同电源的情境下分三次串联同一个电流表所得的实验结论有区别，这常引起学生怀疑课堂上所学的理论是否正确.同样的情况还出现在测量小石块的密度等实验中，因与课本密度表中数据相差甚远，导致不少学生怀疑实验方法是错误的，甚至有些学生杜撰实验数据以期与课本上相同，这是不尊重实验规范的表现.每节实验课结束验收实验报告时，笔者都告诉学生不要为了拼凑实验数据而造假，这是对科学精神的亵渎.同时引导学生共同分析各种实验误差的出现，可能与电流表的内阻，小石块的质地，刻度尺的热胀冷缩系数，摆的形状、直径、重心、空气阻力等有关.学生便慢慢的从多个实验中逐渐地理解实验误差的内涵，知道实验误差是科学测量中的必然存在.长期以这种方式培养学生分析物理实验中的误差，有助于学生们养成尊重科学、尊重自然规律的精神，慢慢地，学生也不怕笔者的三问了.
学生物理核心素养教育的落实是长期培养的过程，非一朝一日可以形成，正如物理实验中的误差一样，是一种客观的真实存在，需要物理教育者们不断地耕耘创新，才能慢慢地接近核心素养的真实境界，任何理论空谈都是苍白无力的.
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（收稿日期：2019-12-19）
