基于核心素养的初中物理实验探究教学

陈苍鹏

摘 要：中国学生发展核心素养包括三个方面六大核心素养，这些核心素养在初中物理教学中，可以通过实验探究教学得以落实或渗透。在实验探究中，使科学概念在实验观察中形成，在实验过程中让学生养成严谨的科学品质，通过实验创新让学生掌握多元的科学方法，通过实验反思提升学生独立的思维能力。

关键词：核心素养；实验探究；物理教学

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2018）7-0003-5

中国学生发展核心素养主要是指学生应具备的能够适应终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力，概括为三个方面六大核心素养：三个方面即文化基础、自主发展、社会参与，六大核心素养是指人文底蕴、科学精神、学会学习、健康生活、责任担当、实践创新。

在《科学课程标准》中也明确指出“全面提高每一个学生的科学素养是科学课程的核心理念”。物理教学是以实验教学为着力点，全面培养学生的科学素养，使学生的“理性思维、批判质疑、勇于探究”等素养得到发展，也使学生解决问题的能力在实验中完善，情感、态度与价值观在实验中得到锤炼，培养学生主动参与、乐于探究、勤于动手、实践创新、自主学习的能力，扎扎实实地提升学生的科学素养。

1 重视实验观察，在实验探究中理解科学概念

概念的形成乃至理解，不是一蹴而就的事情，不是老师说一下或者课件放一下学生就懂了。为了帮助学生建构与理解科学概念，在物理教学中需要选择许多相关的材料进行实验，让实验教学有序开展，让学生在实验过程中观察记录自己想要的东西，从而悟出概念的本质。有学者说：“我听过，我忘记了；我看过，我记住了；我实践过，我理解了。”很多问题，特别是科学概念教学，尽管教师讲得很精彩，仍不如让学生通过自己动手实验、自己观察从而获取概念的基本内涵与外延。所以，要充分发挥实验的“动手、动脑”特殊功效，创设条件让学生自己动手实验、动脑思考，让学生在实验探究的过程中逐渐形成概念，排除前概念带来的负面影响，理解概念的本质与内涵。

例如，初中生对摩擦力的方向总是搞不清楚，因为摩擦力的方向是由相对运动方向或者相对运动趋势决定的，而运动又是相对的，是相对于参照物而言的。在这个过程中，涉及到“运动、参照物”等相关因素，因此，对于初学者来说是比较难的。调查发现学生在生活中已有摩擦的初步认识，大多认为摩擦力总是起到阻碍作用的，是一个阻力。

我们可以取一把牙刷，把牙刷的毛朝下，向下压牙刷毛并向前拉动（或者使其有向前运动的趋势），牙刷毛向后倾斜，学生就初步理解“摩擦力的方向与相对运动的方向或者相对运动趋势方向相反”。这样或许学生还看的懂，但在实际判断两个做相对运动的物体各自的摩擦力方向时，学生错误率很高。我们仍可以用牙刷来做实验，取两把牙刷，使它们的刷毛部分充分接触，分别用力向左右拉开。在这里让学生认真观察牙刷的相对运动方向与牙刷毛的变化情况，上面牙刷向左运动，摩擦力方向向右，下面的向右运动，摩擦力方向向左。总之，各个受力物体的摩擦力与各自相对运动的方向都相反。如图1所示（这里只强调摩擦力的方向与相对运动方向的关系，没有严格画在受力面上）。做好这个实验及其分析后，让学生把两把牙刷受到的摩擦力进一步抽象出来，形成模型图，如图2。

基于此，进一步分析人走路时两脚受到的摩擦力。人走路时两只脚的前后位置会交替变化，后脚离开地面前会用力向后蹬地，此时地面对后脚会产生一个向前的摩擦力f2，正是这个力f2才使得人可以向前运动；而向前迈开的前脚着地时，前脚主要作用是支持人体大部分的重力，同时地面对前脚会产生一个向后的摩擦力，正是这个力f1，才使前脚不会向前打滑，前脚就停止了向前的运动（如图3）。在这个实例中，讓学生亲自重新“探究”走路，对照静摩擦力的概念并体验受力的感觉，辨清摩擦力的方向及摩擦力的作用，理解人在行走时，帮助人前行的动力乃是摩擦力。同理，体育课中学生爬杆运动，也是因为有摩擦力人才能向上爬行。若课间能让学生体验一下爬杆运动就更好了。

学习是个体由经验而引起的相对持久的心理结构及其外显行为的变化。学习首先使人发生变化，引起这种变化的是经验，这个经验不是教师给学生讲述“他人的经验”，而是学习者的一种“经历”，这种经历是由学生与外界的相互作用来获得经验的过程。所以，在组织教学中，特别要求教师把学习内容与实际生活以及学生原有的经验结合起来，实现直接经验与间接经验的结合。物理实验教学就是通过学生亲自做实验，给学生创造了边实验、边思考、边探索、边创造的学习环境，激发了学生主动学习的积极性，培养了学生的实验操作能力，提高了课堂效率。

2 注重实验探究过程，在探究中培养严谨的科学品质

六大核心素养中，科学精神包括理性思维、批判质疑、勇于探究三个方面。其中，理性思维是指：崇尚真知，能理解和掌握基本的科学原理和方法；尊重事实和证据，有实证意识和严谨的求知态度；逻辑清晰，能运用科学的思维方式认识事物、解决问题、指导行为等。实验探究过程由提出问题、建立假设、设计方案、获取事实与证据、得出结论等过程组成，显然符合核心素养的要求，所以实验探究是一个值得大力提倡的教学方法。当然，我们也不能拘泥于探究的几个过程，而是要在探究过程中，无论是提出问题还是建立假设以及其他的步骤，都需要学生严肃对待、认真务实、尊重客观事实、用事实来说话。

学习平面镜成像的特点后，在进一步探究平面镜成像的光学原理时，往往困难重重。对于光路图，学生有一种畏惧感，原因是此时学生还没有学习数学中的几何对称图形。还有一个原因是，这些光线前后有一定的逻辑关系，比如，反射光线来自于入射光线，虚像来自于“反射光线的反向延长线的交点”，物距等于像距是由于平面镜成像具有对称性，等等。完成一个平面镜成像的原理图，确确实实是比较难的。我们可以与实验结合起来，让学生自己主动设计实验、进行实验、及时记录光的现象。首先，引导学生画出由点光源射向平面镜的2条入射光线及其反射光线、法线（如图4），然后用2支激光笔把光对准入射光线，进行观察（如图5）。此时，可以设计几个问题，促进学生思考与理解，给学生搭建一个思考的“支架”。例如，反射光线与原来设计的光路图是否重合？反射光线与入射光线与法线有什么关系？点光源A与像A'是否具有对称性？反射光线的反向延长线是否交于一点？物距与像距是否相等？如何理解虚像？等等问题。学生循着这些思路，结合实际的光路图，就容易理解平面镜成像的光学原理了。学生画图，并在实验结束后利用同屏技术在银幕上进行展示，及时根据学生的一些问题进行修正与正强化，让学生提出画图的问题并加以改正，促进课堂生成，加强师生、生生交流。最后能形成一个平面镜成像的光路图模型（图6）。

布鲁纳认为，学习一般的理论知识固然重要，但是形成发现事物规律的态度与方法更为重要。要养成在探究新情境时的严谨态度，能作出猜想与假设，推测各个因素之间的内在关系，要充分发挥学生的自身能力去发现问题与解决问题。在求知过程中去组织属于他自己的知识结构，这是一种主动求知的活动历程，而不是被动地接受知识。

3 激发实验创新，在创新中形成多元的科学方法

关于创新教育，成人与学生还是有很大的区别。一般认为，成年人的创新是要求创造从来没有过的新事物，而学生的创新只要学生提出自己从没有见过、听过或接触过的“新事物”，当然不是去模仿与抄袭他人现成的成果。学生在创新的过程中，必然会动用各种方法来解决遇到的问题，这样通过不断地实验创新过程，逐渐建立自己的方法体系。

比如，在物理教学中，经常要处理与解决一些问题，但这些问题往往是复杂的、隐性的、微小的，这就需要教师引导学生更好地把它们转换为简单的、显性的、放大的现象，以便于观察、比较、分析，更好地理解事物的本质。例如，卢瑟福为了证实汤姆孙原子模型的正确性，做了一个著名的α粒子散射实验。在当时的科技水平下原子内部是不能被直接观察到的，卢瑟福为了了解原子内部结构，寻找到一种能射到原子内部的试探粒子，即α粒子。他使α粒子准直地轰击薄金箔，发现绝大多数的α粒子能直穿金箔，少数a粒子发生小角度偏转，有极少数α粒子发生很大角度的偏转。这些现象无法用汤姆孙的“枣糕模型”来说明。本想为汤姆孙证明原子模型的准确性，结果却成了否定汤姆孙原子模型的实验，基于此，卢瑟福提出了原子核式结构模型。这个著名的实验为物理研究提供了很大的启示。

在初中物理教学中，这些科学思想无处不在。比如，在磁铁周围存在磁场，可磁场是看不见摸不着的，这时可以在磁铁周围撒一些铁屑来显示其分布规律。我们可以在一个玻璃板上均匀地撒一些铁屑，把磁铁轻轻地放在其中，并轻轻地敲打玻璃板，铁屑就很乖巧地排列在磁铁周围（图7）。此时，引导学生把这些铁屑分布的形状画下来，就可以知道磁铁周围磁场分布的基本规律了。比如，两极磁场强，铁屑分布就较密，中间磁场弱，铁屑分布就疏，而且这些线条不会相交。但是，这些铁屑还不能显示磁场的方向，学生很快就会想到用已知的指南针来检测其方向，于是取较多个小磁针放在磁铁周围（图8），发现不同点的磁场方向是不一样的，然后就可以在刚刚画好的基础上标上箭头以示方向。在这个“磁场”内容的教学中，两次用到转换的思想，把不易看到的、隐性的物质或现象转化为直观的现象，可以很好地帮助学生理解磁场的规律。

上述介绍的转换法实际上是一种“转换观察对象”的方法，即把A转换成B，通过B来反映A的本质。还有以下方法可以参考：一是通过“变量转换法”来实现，比如我们要测量固体压强，我们可以把压强转化为“压力与受力面积”来测量；测量物体在液体中受到的浮力，可以转化为“排开液体的重力”；测量物质的密度，可以转化为测量“物体的质量与体积”，等等，这就是通过变量转换的思想来实现。二是“能量转化法”，即把一种形式的能量转化为另一种形式的能量来实现转化，比如电子秤就是通过压敏电阻将压力转换为敏感的电流，再通过电表予以显示出来，这里就是把机械能转化为电能；又如，热敏温度计就是利用热敏电阻将热能转化为电能来实现测量，等等。三是通过形变的方法来进行转化，比如毛发湿度计就是利用毛发对湿度较为敏感，当湿度变化时，毛发长度发生变化，从而可以判断天气湿度的变化情况。

皮亚杰学派指出，认知结构的核心是数理逻辑结构，学生的认知结构主要是通过动作而不是通过文字与符号的学习形成。六大核心素养中关于“勇于探究”是指具有好奇心和想象力；能不畏困难，有坚持不懈的探索精神；能大胆尝试，积极寻求有效的问题解决方法等。我们可以通过各种各样的实验创新，让学生在实验创新的教学环境中受益，得到各种各样的体验与思考，有利于其核心素养的发展与提高。

4 立足实验反思，在反思中培养独立思考的能力

在六大核心素养中，“批判质疑”作为科学精神的素养之一，要求学生具有问题意识；能独立思考、独立判断；思维缜密，能多角度地、辩证地分析问题，作出选择和决定等。在实验教学中也应如此，要不断地进行反思，培养学生的独立思考能力，通过仔细观察、提出问题、实验设计、获取科学事实等过程，培养学生的思维能力，长此以往，学生会逐渐形成缜密思维、辩证地分析问题与解决问题的习惯。

例如，学生在做“摩擦力大小与什么因素有关”的实验时，按照教材上提供的方法，采取了图9所示的方法进行实验，在长木板C上依次用木板本身、棉布、毛巾以及重物（铁块）等材料进行实验，获得相应的数据后再进行分析得到影响摩擦力大小的因素。

实验后，教师可以让学生反思，这个实验采用了什么原理？用到了哪些科学方法？实际上，教材设计这个实验有其合理之处，因为要测量木块受到的摩擦力大小，也用到了“变量转换法”，即利用二力平衡的原理，把测量摩擦力大小转化为测量拉力的大小。这样设计学生比较好接受，符合“最近发展区”教育原理。在此实验的基础上，我们可以继续追问，这个实验中导致测量的摩擦力误差过大的原因什么？引导学生继续思考，回到测量的基本要求上来。学生交流后可以得出两个原因：一是用弹簧测力计拉动小木块很难做到匀速拉动，从而造成弹簧测力计的示数不稳定，只能是近似地看成二力平衡状态；二是在拉动小木块的过程中，弹簧测力计随着小木块一起运动，眼睛会随之移动，在动态中读数造成的误差较大。在此基础上，教师进一步提出如何改进这个实验，才能解决以上两个问题？学生观察了整个实验装置后，思考“能不能让木块与弹簧秤静止”“能不能让弹簧测力计竖直起来”。组织学生进行小组合作与交流，在大家的智慧碰撞下设计了如图10到图13的一系列实验方案，并进行实验。我们不难发现，以下设计从图10到图13有一定的思维飞跃，可以看到学生创新思维的一方面。图10中弹簧秤由于自身重力导致其不可能处于水平状态，造成“非二力平衡”，还是会造成一定的误差；图11中采取拉长木板C，弹簧秤处于竖直状态，读数很稳定，当然是一个好的方案；图12在图11的基础上采取微型马达来拉长木板C，使双手解放出来，但是比较麻烦的是马达不好找，还是图11方便省事；图13的方案，测出小烧杯和水（或沙）的质量，可以用水（或沙）来调节拉力的大小，这不失为一种思维突破。

人是在不断地纠正自己的错误与改善自己行为的过程中成长起来的。每一个实验都蕴含着很多的科学原理与科学方法以及其他教育因素，如果只是看热闹走过场式的实验，那就会使实验效果大打折扣，收效甚微。为此，教师除了引导学生做好充分的预案，认真地实验与观察外，还要有一个积极的反思过程。思考自己在实验过程中所记录的现象与数据是否客观？这些数据是否符合自己的设想？能否有更好的方法来改进这个实验？与教材上的原理是否吻合？与其他小组所得的数据是否接近？等等。通过反思与交流，使学生的思维能力得到真正的提高，同时也帮助学生形成批判的思维。

对于核心素养的形成，情况会比较复杂，不可能一蹴而就。初中生的认知图式还处在由具体运算阶段向形式运算阶段的发展过程中，所以在初中物理教学中，要注意让学生动手、动脑、动口，结合学生熟悉的生活情境展开实验探究教学。我们为学生提供具体的感性的实验活动时，必然会用到多种理性思维的方法，所以教师所采用的实验探究教学不仅要简明扼要，还要循序渐进，在一个实验中先突出某一主要方法，不要一哄而上，免得学生无所适从。

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（栏目编辑 赵保钢）