基于课堂教学中培养核心素养的科学探究

陈家礼 张成清

摘要：核心素养首先让学生提出物理问题，然后形成猜想，进而通过物理实验过程获取信息并及时处理信息；根据实验得到的相应证据，形成实验结论，最后针对得出的结论作出合理的解释.为使得到的结论更加合理，还需要对实验探究过程进行交流与反思，最终得到令人信服的物理概念或规律.核心素养的培养离不开科学探究，在高中物理新概念的教学活动中，通过适当的实验探究活动使学生对新物理概念形成科学、合理、完整的认知，从中学生要学会问，学会猜，学会做，学会想，还应学会相互合作.

关键词：课堂教学，核心素养，科学探究

作者简介：陈家礼（1971-），男，广东清远人，本科，中学高级教师，研究方向：高中物理学科教学；

张成清（1962-），男，湖北黄冈人，本科，中学高级教师，特约教研员，研究方向：高中物理学科教学.

在应试教育和“考什么学什么”等观念的束缚下，高中物理教学活动中实施科学探究始终是物理教学中最为薄弱的环节之一，大多数的探究活动基本流于形式.最严重的体现在两个方面：一是高中物理实验探究教学多数停留在呈现物理现象、观察物理实验过程、机械完成物理实验操作层面上，学生完成实验最多也只是停留在验证性实验、测量性实验、基本仪器的使用等“考试适用性”实验上，“探究性实验”也几乎变成“验证性实验”，很少有真正的探究活动，更不用说在新课教学活动中让学生进行自主实验探究；二是在物理实验的教学中，学生基本是被动地照搬实验报告中的实验方法与步骤进行物理实验，缺乏实验的探究与创新.这种状况直接导致学生科学探究问题的能力得不到训练，设计实验的能力得不到提高，从而使学生丧失观察、思考和进行科学探究的兴趣.这种教育观念和教学方式在很大程度上损伤了学生科学探究的积极性，抑制了学生的科学探究能力，禁锢了学生的创新思维，这与国家提出的中长期发展纲要中的要求“发展学生的核心素养的理念”是相违背的，如何在课堂教学活动中加强科学探究，提高学生的科学探究能力，培养和发展学生的核心素养？笔者以高一物理必修二（人教版）实验探究课第七章第六节 《实验：探究功与速度变化的关系》为例谈谈高中物理课堂教学中进行科学探究的感想.

1创设实验条件，为科学探究活动作铺垫

11教科书中的实验装置

高一物理必修二（人教版）第七章第六节 《实验：探究功与速度变化的关系》教科书中对做功与物体速度变化的关系的探究采用的是如图1所示装置，首先通过平衡摩擦力的方法实现了橡皮筋的拉力是使小车速度改变的的唯一原因，其次通过改变橡皮筋的根数可以控制力对小车做功成比例增大（假定橡皮筋完全相同，每次伸长均相同），最后通过纸带记录的点迹确定小车的速度，完成这些探究活动就可以为科学确定做功与速度变化的关系提供很好的实验依据.

以上探究活动从理论上讲，是科学的也是合理的，但不是很完善.整个探究过程存在两个问题：第一，在实验过程中很难保证小车一定按照如图1中的虚线路径运行（很容易出现翻车、行进路线飘忽不定等），尤其是在实验探究课中让实验技能不是很熟练的学生自己完成实验探究难度更大，小车速度的测量存在不确定性；第二，每次成倍地增加橡皮筋的根数而获得做功的大小比例关系，存在实验结果不具有一般性的嫌疑.

2实验装置的改进和调试

为了探究做功与速度变化的关系，可以改进实验装置，创设实验条件，使探究活动更加完善，也更易于学生自主完成.如图2所示，利用悬挂钩码的重力拉小车，使拉力对小车做功，通过实验记录探究功与速度变化的关系，这种实验装置在验证牛顿第二定律时已经使用过，学生比较熟悉，也能熟练进行实验操作，为了达到实验要求的条件，先进行基本的调试.

【教学活动片断一】

（1）教师让学生按照如图3所示的装置完成探究实验所需要的平衡摩擦力的实验步骤（将长木板右端抬高，形成一个斜面）；

（2）由于高一必修一已经做过验证牛顿第二定律的实验，各组学生很快完成此任务（在取下钩码的条件下，通过调节平板的倾斜程度，再轻推小车使其在平板上做匀速运动，小车的运动情况可以利用纸带的记录确定）；

（3）完成平衡摩擦力后，学生有一种期待，想利用该实验装置立刻测量出力对小车做功的大小；

（4）教师要及时提出问题：第一，利用悬挂钩码的重力拉小车，使拉力对小车做功，要测量这个功的大小需要测量哪些物理量？第二，拉力的大小如何确定？

（5）经过短暂的思考和交流后，学生很快确定了问题的答案：第一，需要测量拉力的大小和小车的位移；第二，如图4所示，在满足mM的条件下，可以认为T=mg.利用图4所示装置通过记录所挂钩码的个数确定拉力的大小，利用纸带记录的点迹位置确定小车的位移，最后确定拉力对小车做功的大小.

2完成实验的测量，记录可供实验探究的实验数据

【教学活动片断二】

（1）教师让学生按照图4所示装置完成在不同的拉力作用下小车的运动情况，并记录在不同拉力作用下小车的位置（钩码的个数和小车的位置坐标）；

（2）如图5所示，教师指导学生进行测量和有关计算并填表.

测量的内容是A、B、C、D、E、F、G等各点到第一个点O的距离x1、x2、x3、x4、x5、x6、x7，由Wn=mgxn计算出做功的大小，由公式vn=xn+1-xn-12T（n=2、3、…）计算B、C、D、E、F、G等各点速度，A、G两点的速度由运动学方法确定，并填写设计的表格中.

（3）表1是教师收集到三位同学的实验结果.

3合理利用实验数据，进行猜想、尝试，最后得出实验结论

从以上收集到的三位同学的实验结果看不出做功W与速度v之间的内在联系，依据数据处理的一般方法，可以利用Excel中的图表功能进行处理.

31根据甲同学的实验数据得到的几个图线

从实验数据可以看出，做功W与速度v之间的存在正相关的关系，可以猜想做功W与速度v之间可能存在W∝v，也可能存在W∝v2，W∝v3，W∝v等.

利用Excel的图表功能得到甲同学完成实验时的W-v图线（如图6）、W-v2图线（如图7）、W-v3图线（如图8）和W-v图线（如图9）.

通过比较W-v图线、W-v2图线、W-v3图线和W-v图线的形状，虽然实验存在误差，但W-v2图线几乎就是一条直线，而且实验过程具有一般性，这说明在初速度为零的情况下，力对物体做功与物体获得的速度的平方成正比.

32根据实验结果得到最终的实验结论

甲、乙、丙三位同学完成实验时，所使用的小车质量有差异，三位同学的实验结果对应的表格見表2所示.

将三位同学的实验结果在同一个W-v2图象中比较，得到如图10所示的图象，由图可知，若小车质量不同，则图象的斜率不同，并且小车质量越大，斜率越大，由此可见合外力的功与物体质量正相关，这说明物体的动能与物体质量有关，为后面动能的探究埋下了伏笔.

至此，整个实验探究活动结束，通过实验探究，学生不仅切身体会到力对物体做功与物体运动速度变化之间的定量联系，还通过不同组学生同时开展不同条件下的实验获取物体的动能与物体质量有关的事实，这比教师纯说教式的教学方法更加有效，也为后面进一步学习其它的物理规律起到很好的引导作用.在实验探究过程对实验数据的处理中，有效利用Excel的图表功能是能获取实验结论的关键因素，因此，要向学生灌输这方面的相关知识，只有这样学生对探究才有兴趣，有热情，有动力，使探究成为一种常态.

笔者认为这种教学模式比传统的说教更有说服力，更能激发学生潜在的学习意志.在高考升学的巨大压力下，要真正在教学中推行新课程标准的教育理念，建议能尝试一下这种科学探究活动，也可能会起到意料之外的效果.

参考文献：

[1]张启业，殷卿.“问题化学习”培养学生物理核心素养的教学策略[J].中学物理，2018（9）：23-25.