以核心素养为导向的探究性实验教学实施策略

鲁野

摘   要：以鲁科版高中物理必修一第六章第二节“牛顿第二定律”为例，以学生自主设计实验为主线，从构建核心概念和规律、践行科学思想、体会实验探究、培养科学精神四个方面，介绍了以核心素养为导向的探究性实验教学实施策略，以提高学生自主学习兴趣，知识内化理解，掌握分析和解决问题的思路、方法及角度，实现能力进阶。

关键词：牛顿第二定律;实验探究;科学思想;核心素养

引言

近年来高中新课标修订用“学科活动”来统整三维目标中的“过程与方法”，强调学科教学的学科性，聚焦学科核心素养的养成[ 1 ]。物理学科的特点在于“物”和“理”，“物”即事实依据，必须以实验为基础;“理”即理性思维，必须以思维为中心。通过实验创设情境，观察表象，将理性思维抽象为具体理论，逐步形成核心素养。

实验探究是物理学科最基本的学科活动。对于高一的学生来讲，在最初的实验探究过程中，形成比较完整的学科探究思路和科学推理方法是形成学科素养的关键。但物理实验在教学实施过程中，教师通常重结论轻过程、重知识轻方法。一般情况是教师亲自操作演示实验，学生只是作为旁观者，对实验的理解是通过教师获取的，导致学生在学习过程中学习动机不强、课堂参与度不高、认识角度零散、认识能力得不到有效发展。为了体现学生主体性，激发学生学习兴趣，本文以鲁科版高中物理必修一中“牛顿第二定律”一节为例[ 2 ]，将演示实验改为学生分组实验，从以下四个方面探索落实物理核心素养的探究性实验教学实施策略[ 3，4 ]。核心素养导向的实验教学基本框架如图1所示。

1  实施策略

1.1  创设问题情境，构建物理概念和规律

物理概念和规律是人们认识世界时对物理事实共性及本质属性的抽象、概况与认识，它是物理知识的核心，也是形成物理观点的基础和起点。

本节的教学目标是经验上能初步提出决定加速度因素的预测;知识上能结合“牛顿第一定律”理论依据，理解加速度、质量、合外力三者关系;技能上能构建检验的物理模型，会设计与制定方案，能测定相关物理量;体验上要求经历探究活动过程，小组成员通过相互协作、讨论，分享合作精神;能力上会应用CAI课件处理实验数据，能对图象分析发现物理规律。

本节通过视频创设问题情境引导学生猜想与加速度有关物理量，并结合已学理论知识“牛顿第一定律”，引导学生成功预测加速度与质量、合外力的正确关系。从一般猜想到理论分析有利于培养学生理论联系实际能力，孕育正确的科学观。

1.2  自主设计实验，践行科学思想、思维

在探究和解决问题中不仅要有相关的物理知识，还需要科学思想、思维，需要运用相应的科学方法。

教材中采用了教师演示实验方案一，并未与其他实验方案作比较，这会导致学生实验设计能力缺失，对实验结论的获得感不强，不利于培养学生实验能力。可巧妙引导学生采用“控制变量法”思想自主设计实验方案，通过小组交流讨论，阐述各种方案的观点，反思方案中的问题，形成较为完善的方案一、二。再对两种实验方案从操作性、实验误差、数据处理等方面做比较弥补这一不足。

（1）控制变量法

启发学生采用“控制变量法”物理方法来探究a与m和F合的定量关系。从两个方面进行探究：①保持研究对象的质量m不变，探究加速度a和F合之间关系;②保持研究对象受到的F合不变，探究加速度a和质量m之间关系。根据上面探究结果进行推理、归纳，就可以总结出a、m、F合三者之间的关系。

（2）比较法

引导学生从操作性、实验误差，数据处理、分析等方面比较两种实验设计方案（如表1所示），对课本实验方案进行优化，选择最优实验方案二。

1.3  巧设任务驱动，体会实验探究

实验探究是根据探究目的提出猜想和假设，制定实验方案，处理实验数据并总结实验结论，以及在实验探究过程中评估学生设计实验、团队协作交流和创新意识的能力。

本节课以探究决定物体加速度的因素为主线，分别通过猜想和实验探究确定了物体加速度与质量、合外力的关系。实施过程中通过教师引导、学生自主设计实验方案、小组研讨、选择和完善实验方案、操作实验、处理实验数据、总结实验结论顺序开展教学。教师精心设计了3个学习任务（如图2所示），分别从提出猜想、探究实验和实验创新3个活动流程进行。

1.3.1 活动1：提出猜想

教师从生活实例入手，利用视频创设问题情境“在决赛时刘翔把项链、手表等物品摘下来，这样做的科学道理是什么”？引导学生猜想与加速度有关因素，但是这些猜想往往是片面的、不准确的，因此教师可以提供几组图片启发学生修正自己的观点，形成科学认知。同时引导学生结合已学知识“牛顿第一定律”理论成功预测加速度与合力、质量有关。

【设计意图】本节课课前准备中要求学生对加速度与哪些物理量有关进行充分预测，从“猜想”到“理论分析”探究过程，体现对学生猜想的尊重，激发学生探究欲望，提升学生分析问题思维能力。

1.3.2  活动2：实验验证

教师引导学生运用“控制变量法”思想设计实验方案，以6-8人小组为单位，学生提出设计方案思路，小组成员讨论、交流和论证方案的可行性，教师巡视时给予必要指导，同时要参与到学生讨论分析中去，引导学生选择最优的实验方案二（若有其他方案可作为课后探究课题）。小组成员共同合作操作实验，测量并记录实验数据，将数据输入计算机处理，通过网络共享图象并派出学生代表汇报实验结论。教师巡视学生使用仪器是否得当并给予指导。

板书设计时将“结论”位置留白，实验方案和结论全部由学生来得出，激励、唤醒学生的内在动力，调动学生积极参与到探究“过程”中，在师生互动，生生互动中形成和谐共振，在自我探究體验中深化学生的知识获得感。

【設计意图】从学生自主设计实验方案到实施实验过程，感悟“控制变量法”的科学思想，规范学生实验操作，提高学生处理数据能力，培养学生总结归纳能力、语言表达能力;通过比较两种实验方案，鼓励学生质疑精神，培养学生实验能力。

1.3.3  活动3：提炼创新

结合实验过程和结论，总结探究决定加速度实验中涉及的思想方法，分析实验误差来源，引导学生通过变换研究对象（系统）和改变测量量（力、加速度）对实验方案大胆创新和改进。

在校本作业的设计中“趁热打铁”将刚刚学到的思想方法迁移到创新实例中。通过作业将思维方法进行巩固、落实与升华，做到学以致用。

【设计意图】拓展学生设计实验方案视野，体会不同实验方案设计理念，培养学生知识迁移能力，增强学生的创新意识。

1.4  重视实际获得，培养学生科学精神

科学精神是人们在长期的科学实践中形成的价值标准、共同信念和行为规范的总称，对磨砺学生科学实验探究态度有重要意义。

本教学设计案例突显教师引导为辅、学生自主探究为主的教学策略，在此基础上引导学生自主设计探究实验，促进学生知识的自主迁移，重视学生实际获得。每个学习任务涉及2-3个学生活动，每个活动的设计均指向学生的能力进阶。其中【学习任务1】设计了2个学生活动，学生基于生活常识能初步猜想到与加速度有关的物理量，并引导学生结合已学“牛顿第一定律”理论依据成功预测决定加速度的物理量有质量及合外力。【学习任务2】突出“自主实验探究”，使学生从基于实验经验设计方案的水平发展到能依据“控制变量”思想设计方案水平，体会“量变—质变”的规律;学生通过从实验操作性、误差、数据分析等方面比较自主选择实验方案，体现充分尊重学生理念。【学习任务3】体现知识迁移的同时使学生直观感受到不同设计理念下的实验方案。通过学生自主学习、设计实验、探究实验、小组协作研讨学习等顺序展开教学，意在激发学生参与热情和体会探究成果的获得感;学生在研讨、小组协作后获取结果，对方法和知识获取印象深刻;利用CAI课件和网络处理实验数据，感受科学技术发展魅力。教学中践行“以学生为本”的思想，培养学生科学探究精神。

2  结束语

本节课设计以实验教学为主，运用了实验探究式的教学实施策略，对教师课堂驾驭能力要求较高，重视学生实验探究过程中的亲身体验，体现了“做中学”和“关注学生能力发展”的教育理念。

物理核心素养的培养离不开学生的学习实践活动，物理教学应以提高学生的终身学习能力为目标，以落实物理核心素养的养成为主线，以实施学生的学习实践活动为依托，以教师教学设计为动力源，深化教育教学改革。

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]冯利，于海波.牛顿第二定律教学应注意的几个问题[J].中学物理，2017（7）：32.

[3]侯海军，孙明西.基于核心素养的高中物理教学探究[J].物理教学探讨，2016（10）.

[4]彭前程.积极探索基于核心素养理念下的物理教学[J].中学物理：高中版，2016（3）：1-2.