基于学科核心素养的探究式分组实验教学策略
摘? ?要：物理教师应怎样设计、实施分组实验以落实学科核心素养？文章以“探究小灯泡的伏安特性曲线”为例，在分析讨论的基础上，从教学设计和教学实施方面给出了具体、可操作的建议。
关键词：学科核心素养;科学探究;探究式分组实验教学
中图分类号：G633.7 文献标识码：A ? ? 文章编号：1003-6148（2020）7-0073-4
1? ? 问题的提出
学科核心素养是学科育人价值的集中体现，是学生通过学科学习而逐步形成的正确价值观念、必备品格和关键能力。物理学科核心素养主要包括“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”四个方面[1]。那怎样让核心素养落到实处？这些素养的发展与形成，不是一蹴而就的，而是循序渐进、逐步形成的。在培养学生物理学科核心素养的过程中需要载体，课程内容是课堂教学的承载，也是核心素养落实的主要载体[2]。物理实验是物理学习的重要环节，是教师进行情境教学的活动载体，是学生经历科学探究过程、发展科学思维、提升科学探究能力的载体，是培养学生物理学科核心素养的重要途径和方式。因此，物理实验在培养学生的探究能力和科学态度等方面具有重要地位。
在探究实验教学活动中，学生是知识的主动构建者，教师是学习知识的引导者、指导者，是教学活动的参与者、探究伙伴，是学习过程的评价者[3]。探究式实验教学过程具有开放性、自主性、探索性等特点。
为了让物理学科核心素养在实践中落地，笔者对探究式分组实验教学的教学设计和教学实施进行思考，将“自主、合作、探究”学习方式应用到探究式分组实验教学的设计和操作环节，希望能有借鉴的意义。
2? ? 探究式分组实验教学的设计策略
物理学科中科学探究是指基于观察和实验提出物理问题、形成猜想和假设、设计实验和制订方案、获取和处理信息、基于证据得出结论并作出解释，以及对科学探究过程和结果进行交流、评估、反思的能力，主要包括问题、证据、解释、交流等要素[1]。通过这些要素培养学生的科学探究能力，可以提高学生的物理学科核心素养，达到物理实验的育人功能。进行探究式分组实验教学设计和教学实施时，具体可从以下几方面入手。
2.1? ? 开展小组分工合作，培养学生团队协作意识
教师可以根据学生的层次和特点，对学生进行合理分组，4～6人组成一个实验小组[4]，每组有学习能力强的学生，有擅长动手操作的学生，有乐于组织协调的学生……每一位学生在小组中承担一定分工，还要合作共同完成某项预习任务（搜集有关证据、提出问题、思考老师留的问题）或探究方案设计。这样学生不仅发展了个性，还能懂得尊重他人，学会交流与合作。他们优势互补，“兵教兵”相互讨论学习。学生以自学为基础，生生互学，用所学的知识帮助同伴解疑释难、解决问题，在教与学的交互作用过程中慢慢“生成”新知[5]。学生在不断和别人讨论的过程中形成更高层次的认识，让他们在不同的意见中学会倾听、汲取，扩充原來自己并不完善的想法，这才是一个完整的教育[6]。小组分工合作既发展了学生的语言表达能力，又能让其体验合作所收获的喜悦，主动建构知识，培养其团结协作能力。
2.2? ? 内化核心素养，确立探究式实验教学目标和学生学习目标
教学活动以知识为载体进行教学，但不应仅仅只落到知识层面上，而应落到思维层面、探究层面、育人价值层面上。
教师基于提升学生的物理学科核心素养的理念安排教学设计时，应将教育目的和培养目标具体化。首先，要依据教科书中的教学内容分析这一节所能体现的核心素养要素。教师需要对学生、课程、科技、生活应用等多方面进行研究整合，结合教材内容内化学科核心素养，明确这节课的学业要求，将物理内容与学科核心素养培养对应起来。其次，应该确定实验教学目标。确定核心素养培养目标时，教师要关注不同年级学生应该达到的水平，关注物理学科核心素养培养中不同年级的差异性，明确适合学生年龄特征和物理学科特征的核心素养培养目标[2]。教师需要清楚哪些内容是学生通过自主学习可以学会的，哪些问题是要经过合作讨论才能解决的。
以“探究小灯泡的伏安特性曲线”实验为例，在初中阶段，学生已学过欧姆定律和串、并联电路等知识。结合核心素养要求和教学内容，可以确定实验教学目标如下：
实验教学目标：（1）能在他人帮助下制订科学探究方案，设计电路测小灯泡的电压和电流，可能出现不同实验小组设计的实验电路方案不同，如图1甲、乙、丙、丁四种方案，能使用基本器材连接电路，通过实验采集数据，描绘小灯泡的I-U特性曲线。然后发现非线性特征，并分析其主要原因（学科核心素养科学探究水平3）。（2）根据不同实验电路方案完成同样的探究任务，实现各小组之间的实验数据共享，发现规律，形成合理的结论，交流和反思探究过程和结果，分析不同实验方案得到数据之间的差异，教师引导学生，总结出滑动变阻器接法的选择原则和伏安法测电阻内外接法的选择原则（学科核心素养科学探究水平4）。
学生学习目标：（1）根据先学导学单自主学习、小组合作，设计测小灯泡的电压和电流的实验电路。（2）小组合作，按照电路图连接好器材。（3）小组分工合作，分组实验探究，记录实验数据。（4）描绘小灯泡的伏安特性曲线，发现特征，尝试用已有的物理知识进行解释。
2.3? ? 设计情境问题或活动，引导学生提出问题
确立教学目标后需要创设问题情境或设计实验活动，以活动为载体，让学生进入真实物理情境，能从中发现问题、提出问题。设计问题时应从学生现有知识水平、学习起点出发，关注学情，设置适合学生水平的问题，最好能设置认知冲突，“以惑为诱”或“以问促学”。
2.4? ? 设计先学导学单，指导学生自主先学
教师设计先学导学单（包含情境问题，自主先学的任务），课前发给学生，引领学生自主先学，指导学生有目的地自主学习。创设情境问题，让学生主动思考所要学习的内容，通过搜集有关资料获得感知，形成感性认识，并小组内讨论交流，制订实验探究方案，见表1。
2.5? ? 分组实验探究时教师及时给予指导
课前教师要了解学情，对于学生可能遇到的困难，教师要有分析、有预判。例如，学生不会连接电路，电压表（电流表）不会读数等。学生分组实验探究时，教师巡回指导学生实验操作，提醒学生注意安全，及时发现、解决每个小组遇到的个性化问题，防止因为存在学习困难使学生失去探究的兴趣。
2.6? ? 注重多元评价，关注发现和解决问题的过程性评价
“价值引领、素养导向、能力为重、知识为基”的高考评价理念[7]，需要通过活动载体落实到教学之中。教学中生生、师生互评也是活动的一种。生生互评学生先学会倾听，然后经过思维加工去点评别人的观点，提出自己的不同见解，这个活动促使学生学会尊重别人，经信息输入和认知加工后，理清思路，概括观点，最后把自己的观点讲出来。既实现学生主动学习，又可以培养学生观点概括、问题表述和问题解决以及表達、交流等综合能力。教师应该及时肯定、表扬学生在过程中的表现，以鼓励学生的探究热情。在学生相互点评不到位、不完善时，教师的补充则是“画龙点睛”，使生生、师生合作探究活动上升到新高度，完成课堂生成。
下文结合“探究小灯泡的伏安特性曲线”的实验教学，对课堂教学实施进行阐述。
3? ? 探究式分组实验教学的实施
3.1? ? 准备阶段——导学单引领学生自主先学
实验之前，教师指导学生自主学习教材或查阅资料，结合初中学过的有关知识，根据先学导学单上的任务单（见表1），有目的地进行自主学习和思考。教师只指导学生阅读教材选修3-1的第47页，教师“导而不答”，不直接给出答案，留出足够的思考时间，让学生自己思考。接着，实验小组内学生交流讨论，生生互学，合作完善答案，每个实验小组拿出最优的实验探究方案，以备课堂交流展示。此处可以落实培养学生的自主学习能力，搜集和选择有用信息的能力，与同学交流合作的团结协作能力。
3.2? ? 探究阶段——交流展示，生生互学，教师助学，开展分组实验探究
课堂开始，小组派代表到教室前面交流展示自己小组设计的实验电路图，别的小组点评补充，思维碰撞，生生互评，老师适时汇总出四种方案（如图1）。
接着，学生分组实验探究，根据自己设计的实验电路图，实物连线。滑动变阻器的分压接法是难点，教师巡视不同小组的连线，在学生遇到困难时及时给予帮助、指导，适时解决实验小组遇到的问题。接着，教师利用PPT投射出操作注意事项，学生调节滑动变阻器测量电压和电流，记录在表2中。
设计表格时，不给出U=0时I=0点，留作后面探究的生长点，让学生自己探索发现、总结。
3.3? ? 总结阶段——处理实验数据，描点作I-U特性曲线，形成结论
四种方案分别得出的小灯泡的I-U特性曲线，如图2。
比较甲、乙、丙、丁四种方案的曲线，发现后两种方案小灯泡获得的最小电压为1.8 V（学生电源4 V挡，滑动变阻器最大阻值为20 Ω），无法获得0～1.8 V时小灯泡的电压值，只能描出1.8～3 V之间的伏安特性曲线，该段直线表示这个区间小灯泡的电阻不变;而前两种方案却能让小灯泡获得0～3 V时小灯泡的电压值，伏安特性曲线更完整，说明甲、乙方案电路中测量电压范围大。曲线在0.3 V左右发生弯曲，为减小误差，在0.3 V左右测绘点要密集。
综合四种方案可以得出结论：
（1）图线是一条曲线，它的斜率随电压的增大而减小，这表明小灯泡的电阻（斜率倒数）随电压（温度）升高而增大。
（2）灯泡两端电压在额定电压附近变化（小灯泡接近正常发光）时，曲线的斜率几乎不变，即灯丝的电阻值变化很小。一般情况下可忽略这个变化，认为阻值不变。随即教师提问“为什么白炽灯常常在打开开关时烧坏”，以解决生活中的实际问题，增强学生的实践意识。
3.4? ? 反思创新阶段——对探究过程与结果进行交流和反思，质疑创新，提升素养
引导学生深度思考：丙、丁方案为什么不能测得0～1.8 V的数据？甲、乙方案电路图的区别在哪里？大胆放手让学生充分讨论，仔细分析、比较特性曲线，学生自己总结出滑动变阻器分压接法和限流接法的区别，并深刻体会到“要求电路中电压（电流）从0连续变化时必须用分压接法”。教师顺势演示滑动变阻器的两种实物接线，借助实物情境强化理解。还发现甲、乙方案电流表接的位置不同，哪种误差更小呢？学生讨论，教师引导，电压表看作能读出电压的大阻值“电阻”，电流表看作能读出电流的小阻值“电阻”，在电路中把电压表、电流表看作一个“电阻”，生生、师生交流后得出：Rx>>RA时用内接法，Rx<<RV时用外接法，误差较小。这样经过分析、比较每个方案的优缺点，发现在这个实验中方案甲是最优方案，训练提高了学生“设计电路、滑动变阻器接法选择、电流表内外接法选择、误差分析”等方面的实验能力。学生自主经历获得知识的过程，在实验探究中找规律，在探索中掌握知识，并解决现实情境问题。这样在解决问题中体会到科学描述和解释生活现象的乐趣，提升对科学本质的认识，提高科学探究能力。
4? ? 探究式分组实验教学的操作思路
探究式分组实验教学活动中，教师是“导演”，学生是“演员”。教师结合学科核心素养和科学探究要素精心设计探究式实验教学目标（解决为什么教、教什么的问题）和学生学习目标（解决学什么的问题），设计导学案和上课环节（解决怎样教的问题），引领学生课前自主学习、小组合作学习，设计实验方案。课堂上小组交流展示，出现多种实验方案，老师不直接肯定或否定设计方案，让学生按照自己的设计去实验探究，让学生去感受和体验实验过程，然后大家把不同方案得到的结果拿到一起比较孰优孰劣，形成统一认识。如此，不仅能加深学生对所学物理知识的理解，更能培养其知识建构的能力。
参考文献：
[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.
[2]廖伯琴，李洪俊，李晓岩.高中物理学科核心素养解读及教学建议[J].全球教育展望，2019，48（9）：85.
[3]张仁贤.打造高效课堂的有效策略[M].北京：世界知识出版社，2014：5.
[4]张安.高中新课程物理实验探究能力教学初探[J].物理教学探讨，2010，28（10）：1-3.
[5]徐州市教育局.“学进去 讲出来教学方式”行动计划[S].2013.
[6]叶澜.叶澜谈基础教育改革[J].基础教育论坛，2015（29）：1.
[7]于涵，莫雷.中国高考评价体系说明[S].北京：人民教育出版社，2019.
（栏目编辑? ? 李富强）
收稿日期：2020-06-02
基金项目：本文为2018年江苏省基础教育前瞻性教学改革实验项目“普通高中数字化实验室支撑理科深度学习的教学改革实践建构”（苏教基函【2018】6号）的研究成果。
作者简介：张学庆（1978-），男，中学一级教师，主要从事高中物理教学工作，曾获2018年度江苏省中学实验教学说课比赛一等奖，被评为2019年度全国中小学实验教学能手。
