基于核心素养谈高中物理学生必做实验
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[摘 要]物理新课程标准注重发展和培养学生的物理学科核心素养，而物理实验不仅是物理教学的重要内容，而且对于培养学生的物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任具有重要的作用。文章基于物理核心素养，谈谈高中物理课程标准（2017年版）要求的学生必做实验。
[关键词]物理核心素养;高中物理;必做实验
[中图分类号] G633.7 [文献标识码] A [文章编号] 1674-6058（2019）08-0054-02
物理核心素养是物理学科育人价值的集中体现，是学生在接受物理教育过程中逐步形成的适应个人终身发展和社会发展需要的关键能力和必备品格，是学生科学素养的重要组成部分，它主要由“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”四个方面的要素构成[1]。
普通高中物理课程标准（2003年版）将“科学探究”作为重要的学习内容和教学方式。然而，对新课程实施的调查研究发现，尽管广大教师认同科学探究的教学理念，但科学探究的质量不高[2]。普通高中物理课程标准（2017年版）相较于2013年版，强化了科学实践，并且明确规定了学生必做实验（必修课程12个、选择性必修课程9个，共计21个必做实验）。物理学是一门以实验为基础的自然科学。物理实验不仅是物理学的重要研究方法，也是物理教学的重要组成部分，在中学物理中，阐述物理现象、形成物理概念、建立物理规律等都以实验为基础。因此物理实验对培养学生的物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任具有重要的作用。本文基于学科核心素养谈谈普通高中物理课程标准（2017年版）规定的学生必做实验必做的原因。
一、建立物理观念，形成物质观念、运动与相互作用观念、能量观念
物理观念是其他物理核心素养的形成和发展的基础，是物理概念和规律在头脑中的提炼与升华，是从物理学视角解释自然现象和解决实际问题的基础[3]。物理实验能帮助学生掌握物理核心概念，形成物理观念。
[案例1]选择性必修3中的“用油膜法估测油酸分子的大小”实验，利用宏觀量的测量求出微观量的大小，根据一滴油酸酒精溶液中油酸的体积和油酸在水面形成的单分子油膜的面积，从而得到油膜的厚度来估测分子的大小。虽然把分子当作球形处理，这是分子的简化模型（图1），但是通过这种估算方法能使学生理解分子模型，能对物质的成分及分子大小的数量级有比较清晰的认识，能对学生形成物质观念产生促进作用。
[案例2]必修1中的“探究加速度与物体受力、质量的关系”实验，该实验通过控制变量法分别探究加速度与物体所受外力和加速度与物体质量之间的关系（图2）。实验过程中，学生作出a-1/m和a-F的函数图像，进行分析，形成结论。通过对该实验的探究，学生不仅能深刻理解位移、速度、加速度等重要概念，综合运用所学知识分析问题，进行推测，而且能理解力是物体之间的相互作用和运动与相互作用的关系，认识机械运动与力的关系是整合运动与相互作用观念的基础。
[案例3]必修2中的“验证机械能守恒定律”实验，该实验研究自由下落过程中动能与势能的变化，[mgh=12mv2]，从而验证机械能守恒定律。通过该实验，学生知道在只有重力或弹力做功的物体系中，动能和势能相互转化过程中总量保持不变，即机械能守恒;能认识到能量是整个物理学的基本概念和建立能量观念，使学生对物理学中能量相关概念和规律有概括性认识。学生能通过这些必做实验建立系统的物理观念，能从物理学的视角正确描述和解释自然现象，能应用所学物理知识解决实际问题。
二、锻炼科学思维，包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新
科学思维是基于经验事实建构理想模型的抽象概括过程;是分析综合、推理论证等方法在科学领域的具体应用;是基于事实证据和科学推理对不同观点和结论质疑、批判，进而提出创造性见解的能力与品格[3]。很多物理实验需要基于事实突出问题的主要方面，忽略次要因素，建立理想的物理模型，并且基于事实进行分析综合、推理论证。
[案例4]如必修3中的“探究平抛运动的特点”实验，此实验将曲线运动分解为直线运动，即与平抛运动的初速度相同的水平匀速直线运动，并和平抛运动的水平分运动对比，将发生的自由落体运动和平抛运动的竖直方向的分运动对比，由力的独立作用原理推测平抛运动的物体在不同方向上的运动情况，概括出平抛运动的特点。学生不仅经历了“对比—概括—抽象”的过程，建立起了平抛运动的模型，而且学生经历把一个整体的事物分解为几个要素研究，以及把问题的几个要素结合成一个整体进行综合认识的思维过程，提高了学生的分析综合能力。而在探究平抛运动的过程中，不仅仅是只有教材的实验设计才能探究此运动的特点，学生在进行实验时会有不同的问题，也有很多新想法，他们会质疑，甚至提出平抛运动实验的创新设计，如通过喷水法和频闪照相法也可以探究平抛运动规律，这培养了学生的质疑能力和创新能力。通过此必做实验能培养学生将实际问题转换成物理模型的能力、培养学生对综合性物理问题的分析推理能力和创造性解决物理问题的能力。
三、培养科学探究能力
科学探究是指提出物理问题、形成猜想和假设、设计实验与制定方案、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[3]。在高中物理课程中，科学探究更关注的是物理实验。通过物理实验提高学生制订计划的能力。学会从原理、器材、信息技术、信息处理方法等方面来构思探究计划，学会通过查询相关的资料来完善探究计划。通过物理实验让学生体会科学研究中相互合作的必要性。
[案例5]选择性必修2中的“探究影响感应电流方向的因素”实验，此实验涉及很多物理量，但是如何形成有效的猜想，可以引导学生尝试从电流的各种效应入手猜想，包括热效应、磁效应和化学效应。稍加分析可知，学生可能从电流的磁效应入手，即假设感应电流的方向和感应电流的磁场方向有关系。接着由前面的探究感应电流的产生条件是通过穿过闭合电路的磁通量的变化来研究的，所以学生又会从原磁场和感应电流磁场的磁通量的变化之间有无关系来研究。接下来探究感应磁场的方向和穿过线圈的磁通量的变化关系和感应磁场的方向与原磁场方向的关系，综合归纳得出“增反减同”的结果，最终得到楞次定律[3]。通过该实验，能提高学生做出有依据的假设、制订计划的能力，让学生学会把探究课题分解为几个相对独立的小问题，根据现有条件选择适当方法构思探究计划;让学生学会依照事实和证据，运用逻辑推理确定物理量之间的关系;让学生学会交流探究方案的设计、数据收集和整理、结论的得出与解释。 四、培养科学态度和科学责任
科学态度与责任是指在认识科学本质，理解科学·技术·社会·环境关系的基础上，逐渐形成严谨认真、实事求是和持之以恒的科学态度，以及遵守道德规范，保护环境并推动可持续发展的责任感[3]。学生做任何实验都必须实事求是，不可捏造和伪造数据，能基于证据和逻辑发表自己的见解，所以学生必做实验不仅能提高学生科学探究能力，而且可以培养学生严肃认真对待实验的态度，尊重实验结果与事实，从而使学生勇于承担科学责任。
五、结束语
这21个学生必做实验，有些综合地体现了物理核心素养的四个方面，如通过必修3中的“探究平抛运动的特点”实验，让学生经历平抛运动的概念和规律的学习过程，掌握物理观念;让学生通过“化曲为直”的方法，制定与平抛运动相联系的匀速运动和自由落体运动比较的科学探究方案，获得并分析数据，培养科学探究能力;让学生将实际問题转化成平抛运动模型，并分析推理获得平抛运动的规律，培养学生的科学思维;通过该实验，让学生认识到物理实验必须实事求是，不能捏造数据，养成科学态度。有些重点体现的物理核心素养的某些方面，如选择性必修3的“用油膜法估测油酸分子的大小”实验重点体现了分子大小的物质观念;如必修3中的“测量电源的电动势和内阻”实验，重点在于让学生设计实验和制定方案，获取和处理路端电压和电流的数据，并通过分析论证得出结论，即培养学生的科学探究能力和科学思维能力。总之，在学生必做实验的教学中，围绕核心内容，创设让学生参与科学实践活动的学习情境，引导学生发现问题，通过实验经历概念、规律的学习理解过程，引发学生探究的思考，促进科学思维和科学探究能力的发展，同时有助于培养学生良好的科学态度与责任感。
[ 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] 马亚鹏， 王较过. 高中物理新课程教学方式转变的实践研究[J]. 基础教育课程， 2014（2）：7-13.
[3] 郭玉英，姚建欣，张玉峰. 基于学生核心素养的物理学科能力研究 [M]. 北京：北京师范大学出版社，2017.
[4] 凌子屹， 梁吉峰， 夏伟宁. 综合运用物理科学方法探究感应电流的方向：联用控制变量法和归纳法对感应电流方向探究过程的再思考[J]. 中学物理， 2017（9）：13-15.
（责任编辑 易志毅）
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