基于學科核心素養的物理實驗活動單設計

薛 萍

(上海市通河中學 上海 200435)

1 研究背景

2017年底教育部頒布了《普通高中物理課程標準(2017年版)》,課程目標由二期課改時的三維教學目標升級為核心素養培養目標;學科核心素養是學科育人價值的集中體現,是學生通過學科學習而逐步形成的正確的價值觀念、必備品格和關鍵能力.為學生終身發展、應對現代和未來社會發展的挑戰打下基礎[1].

《課標》中明確指出:在高中物理課程中,應注重科學探究,尤其應注重物理實驗,這在培養學生的探究能力和科學態度等方面具有重要地位[1].物理實驗是物理教學的重要組成部分,不獨立于概念和規律教學,兩者是相輔相成的.學生通過物理實驗的設計、研究、操作和反思,能對概念和規律有更深層理解,同時培養科學思維和科學探究能力的學科核心素養.

2 實驗課堂現狀

從當前教學來看,學生對物理實驗課堂有興趣,但是現存的實驗課堂中尤其是探究實驗中仍然存在一些問題,導致實驗沒有達到預設的效果.

受限于課時,在課堂中學生熟悉器材、觀察現象、推斷規律的時間非常有限.學生在進入實驗室前,教師就會演示一遍實驗,將實驗步驟和注意事項一一告知學生.做實驗變成了走程序,限制了學生的思維,實驗教學始終處在這樣一種低層次的思維狀態[2].

實驗課中,班級人數較多,而實驗器材和實驗空間有限,往往分小組實驗,無法做到全體學生參與,實驗中教師還要調試儀器,無法及時解答學生實驗生成的問題,錯過實驗教學的黃金時間.

在實驗能力方面,要對實驗儀器進行操作,學生至少要具備一些基本的操作技能;要對實驗現象進行觀察,學生要有基本的觀察能力;要對各種實驗方法、實驗現象進行分析,學生還要具備基本的分析綜合能力等等[3].如果對基本知識不了解,就無法理解實驗原理,無法識別、分析和解決實驗中出現的各種問題.

3 實驗活動單設計

我校實行在實驗課前教師設計具有針對性的實驗活動單,每個實驗活動單主要包含3個部分,分別是課前使用的設計方案單、課中使用的難點輔助單和課后使用的總結反饋單.

3.1 設計方案單

設計方案單主要是幫助學生整體理解實驗,從而得到實驗探究的通用策略.詳細敘述方案有利于學生深層次理解實驗.在實驗設計方案單中教師根據實驗難易程度可給定實驗設計流程或框架,包括實驗目的、實驗原理、實驗器材、實驗操作、數據測量和處理等.設計方案在課堂前填寫,能很好起到引導作用,相當于腳手架,幫助學生們在整體把握和設計上拾級而上.例表如表1所示.

表1 設計方案單

3.2 難點輔助單

在填寫實驗設計方案單的基礎上,我們發現有些實驗設計的物理思想和方法學生很難想到,還有些實驗對學生動手能力的要求較高,學生如果沒有形成正確、科學的操作方法,就會使得實驗探究課停留在實驗操作表面而不能深入探討.在難點輔助單中我們可以提前列出學生可能出現思維難點的地方,設計相應的難點輔助單,以幫助學生提前思考和解決實驗難點,挖掘實驗中學生的思考深度,從而達到實驗對學生核心素養培養的目的.

例如實驗中測量速度對學生來說是個難點,他們更熟悉位移傳感器,比較難想到用光電門傳感器測量速度,并且對光電門傳感器使用并不熟練,教師可設計如表2所示的難點輔助單.

表2 難點輔助單

3.3 總結反饋單

實驗的課程結束不代表實驗探究的結束,實驗之后的反思也是實驗的一部分.總結反饋單可以設計學生反思和總結部分,幫助學生及時梳理實驗中得到的想法,幫助他們糾正實驗前的錯誤觀念,更能激發優秀學生的創新思維,提高創新能力.鼓勵學生將實驗中的困惑及時記錄下來,在課后繼續研究討論,老師在實驗后還能發現學生在實驗中的盲點,幫助學生及時解決問題.設計的總結反饋單如表3所示.

表3 總結反饋單

4 實踐案例

下面,筆者以滬科版必修第二冊第七章第3節“動能 動能定理”為例進行如下設計.我們用DIS實驗定量研究物體的動能與物體的質量、速度的關系.通過功能關系得到動能表達式,根據物體具有的能越多,做功的本領越大的原理,以測量滑塊被推動的位移來代替小車的動能,猜想變量之間的函數關系,并將此關系通過計算機對測量出的數據進行圖像擬合,以尋找到最符合實際情況的變量關系.如果在課堂中能讓學生體驗實驗過程,能很好培養學生的物理學科的核心素養,使學生體驗“科學猜想”“圖像擬合”“歸納推理”等多種物理學研究方法,培養學生觀察分析、比較判斷、歸納總結及處理實際問題的能力.通過小組討論、實驗探究、相互交流等方式,創設平臺,讓學生對生活中常見的一些事例討論分析,調動學生學習的情感,感受辨證思想.

在課堂實際教學中,本實驗對高一學生而言理解上難度大,實驗操作復雜,學生無法在一節課時間內獨立完成實驗.然而如果直接告知結果就失去了學生自發探究、培養學生核心素養的機會,學生對動能的理解也不夠深刻,物理思維過程也欠缺了.筆者針對本校學生上述實際問題設計實驗活動單.探究動能表達式實驗活動單設計如下(教師主要給出框架,內容由學生填寫).

4.1 設計方案單

課前設計方案單如表4所示.

表4 探究動能表達式設計方案單

4.2 難點輔助單

根據學生填寫的實驗設計方案單和以往實驗教學經驗,本實驗中存在以下難點并設計相應難點輔助單,如表5～7所示.

表5 探究動能表達式難點輔助單1

(1)間接法測量物體動能(表5).本實驗需要探究動能大小與哪些因素相關,需測量小車的動能,小車的動能需要通過做功和能量轉換的關系間接測量,這種間接測量物理量的科學思維方式需要培養.

(2)學生測量速度的技能(表6).學生更熟悉位移傳感器,比較難想到用光電門傳感器測量速度,并且對光電門傳感器使用并不熟練.

表6 探究動能表達式難點輔助單2

(3)數據處理的技能(表7).學生已經學會用圖像方式處理實驗數據,但以往實驗都在提前告知圖像的名稱,這次探究實驗在處理數據時需要學生猜測物理量之間的關系并選擇不同圖像進行嘗試,最終找到物理量的線性關系,學生缺乏相關經驗.

表7 探究動能表達式難點輔助單3

4.3 總結反饋單

在進行學生實驗前,筆者首先下發了活動單中實驗設計方案單,要求學生要通過閱讀實驗資料,填寫活動單這一部分,在填寫的過程中理解實驗原理、熟悉實驗儀器、了解本實驗的操作過程,實驗單上交后筆者針對填寫有困難的部分提前進行了指導并完善了難點輔助單.在實驗課上,筆者先和學生們共同探討了難點輔助單中的3個難點,在幫助學生們突破這3個難點之后分小組實驗探究動能大小,學生們結合實驗單已經能較好梳理本實驗原理和實驗操作,能較為順利地完成實驗探究得到動能大小的表達式:動能正比于質量和速度平方的乘積.實驗中少數小組存在問題筆者也能較快發現并予以指導.在實驗探究結束,筆者讓學生對本次實驗探究進行經驗總結,課后思考在本實驗中可能存在的誤差和進一步對實驗探索和改進,完成活動單中第三部分(表8),學生基本能較好完成實驗探究.

表8 總結反饋

5 效果和反思

5.1 提升實驗課堂效率

以往教學中較少涉及這個實驗,原因是實驗原理難,實驗操作復雜,課堂中實施效果不佳.這次借助實驗活動單嘗試在課堂中完成了實驗探索過程,通過實驗充分重視知識的生成過程,整個探究實驗以學生為本,強調通過學生主動參與、大膽猜想,培養學生實驗、分析判斷、歸納概括的能力.在正式操作之前,通過實驗活動單幫助學生理清實驗思路;針對實驗中幾個思維難點借助輔助單的使用并詳細分析,使學生在實際操作上更有針對性,加強了學生在實驗上的參與度,增加了學生科學探究的自主性.在一節課的時間內學生充分體驗實驗過程,通過親身體驗從而感悟動能大小與哪些因素相關,并獲得相應實驗結果.最后在課后能反思和總結,得到完成一般實驗的方法,這樣能較好解決學生基礎薄弱、學生人數多器材有限等問題,有效提高實驗課堂效率,從而達到實驗預設的效果,提高學生核心素養的目標.在實驗過程中也能很好滲透“能量”的物理觀念.

5.2 有效培養核心素養

實驗活動單是將理論和操作融為一體,實驗設計和實驗操作相互結合,促進學生理解科學探究的精髓,因此它不僅僅是學生探究過程的引導者,還是學生創新思維的啟蒙者,更是學生學習過程的反思者,使學生的思維品質得到不斷的提升[4].實驗思維活動單的設計和使用能更好培養學生學科核心素養,活動單的設計使我們的教學從教向學轉變,更好培養學生的自主探究能力,有效地提煉和升華物理概念和規律,幫助學生發現問題、分析問題和解決問題,培養學生科學探究能力、樹立正確的科學態度和責任,從而讓學生學會學習,終身學習.