借力創(chuàng)新物理實驗，培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)

周智良 王建 張小龍

摘? ?要：文章以一節(jié)全國性的教學(xué)比賽獲獎?wù)n例為例，詳細介紹了授課教師設(shè)計的五個創(chuàng)新實驗，結(jié)合《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》，論述了物理教學(xué)中如何借力創(chuàng)新物理實驗，培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：創(chuàng)新實驗;核心素養(yǎng);渦流

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2021）7-0001-5

2020年，教育部正式頒布了《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》（后文簡稱為《標準》）?！稑藴省分刑岢隽恕拔锢韺W(xué)科核心素養(yǎng)”這一名詞。物理學(xué)科核心素養(yǎng)主要包括“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”四個方面。學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)科育人價值的集中體現(xiàn)，是學(xué)生通過學(xué)科學(xué)習(xí)而逐步形成的正確價值觀、必備品格和關(guān)鍵能力[1]。

觀察實驗及實驗方法是物理學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)，實驗既是建立物理概念、探索物理規(guī)律、認識物理世界、解決具體問題的最基本的手段，又是驗證物理假說、檢驗物理理論真理性的唯一標準。學(xué)生通過觀察和實驗，感受科學(xué)家探索、發(fā)現(xiàn)的歷程，培養(yǎng)其觀察能力、思辨能力和科學(xué)探究能力，是物理所獨有的學(xué)科特征[2]。

在物理實驗中，或原理，或器材，或方法，能讓之前的實驗操作變得更簡單，實驗現(xiàn)象變得更明顯，實驗結(jié)果變得更準確，更能激發(fā)學(xué)生的探索興趣，都可以稱之為“創(chuàng)新實驗”。在一次全國性的教學(xué)比賽中，來自重慶市育才中學(xué)的張老師展示了一節(jié)題為《渦流 電磁阻尼和電磁驅(qū)動》的精彩課例，他借助大量的創(chuàng)新實驗，讓學(xué)生獲得了別具一格的學(xué)習(xí)體驗，學(xué)科核心素養(yǎng)也得以較好地培養(yǎng)和提升。

1? ? 課例的教材與學(xué)情分析

1.1? ? 教材分析

本節(jié)選自人教版高中二年級《物理選修3-2》第四章第7節(jié)，也是本章的最后一節(jié)。學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)掌握了感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件、楞次定律、法拉第電磁感應(yīng)定律等知識。通過對本節(jié)的學(xué)習(xí)，學(xué)生進一步加深對前面知識的理解，教材中包括渦流、電磁阻尼、電磁驅(qū)動三部分，從內(nèi)容上看，側(cè)重點是電磁感應(yīng)現(xiàn)象的實際應(yīng)用。

1.2? ? 學(xué)情分析

高中二年級的學(xué)生已經(jīng)完整地學(xué)習(xí)了電磁感應(yīng)中的法拉第電磁感應(yīng)定律、楞次定律和焦耳定律的相關(guān)知識，具備了觀察能力與對新奇實驗現(xiàn)象的好奇心，具有通過協(xié)作完成簡單實驗、獨立思考、交流協(xié)作的能力，他們在教師的引導(dǎo)下，可以對渦流、電磁阻尼、電磁驅(qū)動實驗現(xiàn)象進行理論分析。當然，讓學(xué)生運用所學(xué)知識分析解決實際問題，是一個具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，有一定的難度。

2? ? 課例創(chuàng)新實驗的介紹

2.1? ? 實驗一：神奇的魚

如圖1所示，張老師用普通的玻璃自制了一個特殊的“魚缸”，用透明的豎直隔板將玻璃缸對稱地分為兩個區(qū)，一個區(qū)域底部水平放置一鐵片，另一區(qū)域底部沒有鐵片，還帶著一個拆了螺絲的家用電磁爐。實驗時，先向“魚缸”中注入一定量的水，幾尾金魚置于無鐵片的區(qū)域，再將“魚缸”放在電磁爐之上后整體置于講臺上，學(xué)生從無鐵片區(qū)域的側(cè)面觀察“魚缸”。通電加熱一段時間至冷水沸騰，學(xué)生觀察到神奇的現(xiàn)象：金魚竟然在沸水中逍遙地游來游去。

2.2? ? 實驗二：時空隧道

張老師在表演這個魔術(shù)時，在講臺上放了幾個外形相同的小物體，左手拿著一根一米長的鋁管，豎直放置（圖2）。老師先讓學(xué)生用自由落體運動的知識估算物體從靜止開始下落通過鋁管的時間，接著進行實驗，小物體很快就從另一端落出，學(xué)生估計了時間，不超過0.5 s。老師又“隨手”抓起另一物體從同一位置靜止釋放，學(xué)生驚訝地發(fā)現(xiàn)，這個物體過了大約10 s才從管中落出，像穿越了時空隧道一樣。

2.3? ? 實驗三：隔空移物

張老師特制了一個實驗桌，其外形和普通課桌一模一樣，里面隱藏著兩塊能繞豎直軸旋轉(zhuǎn)的超強磁鐵，磁鐵上方用2 mm厚的有機玻璃貼上木紋紙做成普通桌面的樣子。實驗時悄悄地用遙控器閉合電路，電機帶動兩磁鐵旋轉(zhuǎn)起來，右手假裝在桌面上空施展魔力，學(xué)生觀察到桌面上的幾枚鋁制硬幣像是被魔法帶動了一樣，跟著老師的手旋轉(zhuǎn)起來。

2.4? ? 實驗四：金屬探測儀

張老師帶來了育才中學(xué)學(xué)生的一個小發(fā)明，學(xué)生根據(jù)網(wǎng)上的電路圖，用一些電子小元件自制了一個金屬探測儀。張老師在演示時，先調(diào)節(jié)了探測儀的靈敏度，再用金屬探頭去接觸課桌、眼鏡、筆等物品。學(xué)生發(fā)現(xiàn)當探測器接觸金屬時都發(fā)出了嘯叫，而且電路中的發(fā)光二極管也跟著亮了起來。

2.5? ? 實驗五：電磁炮

如圖3所示，張老師帶來了他自己的科技小制作——電磁炮。一個藍色的暗箱套住一木制的底座，鐵管做成炮管，小鋁環(huán)是炮彈。張老師實驗時先把小鋁環(huán)套在鐵管上，再接通電源，學(xué)生觀察到在通電的一瞬間，鋁環(huán)就被彈射出去了。接著，張老師用一捆細鐵絲捆成一個鐵棒插入鐵管，再次將小鋁環(huán)套在鐵管上，接通電源，學(xué)生觀察到鋁環(huán)彈出去的距離更遠了。

3? ? 創(chuàng)新實驗達成核心素養(yǎng)培養(yǎng)目標

在課例中，張老師整合了重慶市育才中學(xué)教研團隊的集體智慧，通過多次的研討、制作、整改，設(shè)計制作的五個創(chuàng)新實驗在這節(jié)課的不同階段各自扮演了舉足輕重的角色，得到了充分的展示，五個創(chuàng)新實驗給學(xué)生、評委和在場觀眾留下了非常深刻的印象。這五個創(chuàng)新實驗對學(xué)生能力的培養(yǎng)和素養(yǎng)的提升，都是畫龍點睛的精彩之筆。

認真觀看課例錄像，結(jié)合《標準》進行反思，得到了五個創(chuàng)新實驗和核心素養(yǎng)培養(yǎng)目標的對應(yīng)關(guān)系，如表1所示。

4? ? 創(chuàng)新物理實驗培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)

結(jié)合對本課例的所看、所聽、所想，認為借力創(chuàng)新物理實驗培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)是新時代創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的有效途徑。下面將從幾個視角分析這些精彩的創(chuàng)新實驗是如何培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)的。

4.1? ? 借力創(chuàng)新物理實驗形成物理觀念

蘇霍姆林斯基在《給教師的建議》一書中指出：“如果老師不想辦法使學(xué)生產(chǎn)生情緒高昂和智力振奮的內(nèi)心狀態(tài)，就急于傳授知識，那么這種知識只能使人產(chǎn)生冷漠的態(tài)度，而給不動情感的腦力勞動帶來疲倦?！碑斍拔锢碚n堂教學(xué)的困境之一在于缺乏真實教學(xué)情境，阻礙學(xué)生形成“ 物理觀念”[3]。教材對本節(jié)內(nèi)容的陳述中所提及的器材或儀器有：真空冶煉爐、金屬探測器、磁電式儀表、交流感應(yīng)電動機等，其中的某些器材或儀器很多學(xué)生和老師都未見過，大多數(shù)老師在課堂上被迫以圖片或視頻的形式進行教學(xué)，真實情境的缺失，除了會令學(xué)生難以理解知識、建立觀念，久而久之，還會讓學(xué)生失去學(xué)習(xí)物理的熱情。

張老師稱前三個創(chuàng)新實驗為“魔術(shù)”，懸念重重，極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情，達到了上課伊始趣味頓生的良好效果，學(xué)生在這節(jié)課中最大限度地發(fā)揮了主觀能動性去探索新問題，掌握新知識，形成新觀念。實驗一的鐵片中產(chǎn)生了渦流，渦流的熱效應(yīng)使水沸騰;另一區(qū)域沒有渦流，水依然是冷的，所以金魚能安然無恙。實驗二中的磁性小物體之所以下落緩慢，是因為它處于鋁管產(chǎn)生的渦流磁場中，受到了阻礙其下落的安培力，此即是渦流的應(yīng)用，也是電磁阻尼現(xiàn)象。實驗三旋轉(zhuǎn)磁體上方的硬幣中產(chǎn)生渦流，電流處于磁場中會受到安培力的作用，因此硬幣會跟著磁體旋轉(zhuǎn)起來，此乃電磁驅(qū)動現(xiàn)象。學(xué)生在張老師很有技巧性的引導(dǎo)下，認真觀察，充分討論，認識和理解了這些來自生活中的渦流、電磁阻尼、電磁驅(qū)動等現(xiàn)象，潛移默化地形成了物質(zhì)觀、運動與相互作用觀和能量觀，對自然和生活中的現(xiàn)象也有了更為充分的理解和認識。

4.2? ? 借力創(chuàng)新物理實驗培養(yǎng)科學(xué)思維

《標準》中指出：“科學(xué)思維”主要包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素。隨著技術(shù)的發(fā)展，一些老師借助計算機模擬來代替實驗，優(yōu)點是方便快捷，有助于分析，結(jié)果得來較快，缺點是學(xué)生在實驗過程中僅停留在視覺上的認識，由于沒有親自動手參與，缺乏對規(guī)律的深層認識與理解，科學(xué)思維并沒有得到有效培養(yǎng)。

張老師設(shè)計的“時空隧道”和“隔空移物”兩個創(chuàng)新實驗，既讓學(xué)生產(chǎn)生了視覺沖擊，又培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)思維。兩套不同的器材，兩種不同的操作，看似彼此沖突的現(xiàn)象，實則本質(zhì)統(tǒng)一。實驗結(jié)束后，立即帶著學(xué)生從物理學(xué)的視角去探究、去分析，尋找不同現(xiàn)象的本質(zhì)屬性。最終師生一起推理、論證出在這些現(xiàn)象中都產(chǎn)生了感應(yīng)電流，都是電磁感應(yīng)現(xiàn)象的具體應(yīng)用。需要進一步肯定的是，張老師在課例的后階段，花了近三分鐘辯證地介紹了渦流的一大應(yīng)用——感應(yīng)熔煉爐。播放完視頻后，張老師先介紹了感應(yīng)熔煉爐的優(yōu)點——能在真空中進行，能冶煉出高品質(zhì)的合金，但我們是不是就因此而大規(guī)模地推廣這一技術(shù)了呢？張老師話鋒一轉(zhuǎn)，“不，它的能耗非常大，功率相當于一千盞日光燈……所以，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，給我們帶來便利的同時，也帶來了能源消耗、環(huán)境污染等問題。凡事都有兩面，我們要辯證地看待?！狈浅＞实脑O(shè)計，質(zhì)疑和思辨，對立與統(tǒng)一，這正是學(xué)生所需要培養(yǎng)的科學(xué)思維。張老師設(shè)計的創(chuàng)新實驗對于學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)，其效果是較為顯著的。

4.3? ? 借力創(chuàng)新物理實驗讓學(xué)生學(xué)會科學(xué)探究

《標準》中還指出：高中物理課程引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究過程，體會科學(xué)研究方法，養(yǎng)成科學(xué)思維習(xí)慣，增強創(chuàng)新意識和實踐能力。然而，當前固化的實驗教學(xué)阻礙學(xué)生“科學(xué)探究”的發(fā)展，實驗中教師設(shè)計好實驗原理、目的、步驟、器材、數(shù)據(jù)與表格等，學(xué)生只需按部就班地進行程序化的實驗流程。

張老師設(shè)計的五個創(chuàng)新實驗，其中三個是演示實驗，兩個是分組實驗。分組實驗時，張老師將四套兩類器材分配給四組學(xué)生，先簡短介紹了實驗器材，說明了操作注意事項，之后就把器材交給學(xué)生，學(xué)生較為開放地完成對“神奇的魚”和“時空隧道”的實驗探究。探究過程中，學(xué)生是主體，教師只是協(xié)助者、參與者。實驗一中，學(xué)生拆開電磁爐，發(fā)現(xiàn)里面有纏在一起的線圈，水之所以沸騰，是因為線圈中變化的電流產(chǎn)生了變化的磁場，鐵片相當于若干鐵環(huán)，變化的磁場使鐵環(huán)中產(chǎn)生了感應(yīng)電流。實驗二中，兩個小物體，一個有磁性能吸引鐵質(zhì)物體，而另一個沒有，磁鐵下落，鋁管就處于變化的磁場中，鋁管相當于若干鋁環(huán)，鋁環(huán)中產(chǎn)生了感應(yīng)電流，感應(yīng)電流再產(chǎn)生磁場，磁鐵放入其中，就受到了阻礙其下落的安培力。這些現(xiàn)象和結(jié)論，都不是教師強加給學(xué)生的，是學(xué)生經(jīng)歷了科學(xué)探究的整個過程，學(xué)到了知識，獲得了技能，發(fā)展了實驗?zāi)芰?，增加了學(xué)生之間的交流協(xié)作，合作學(xué)習(xí)有實效，提高了科學(xué)探究素養(yǎng)。

4.4? ? 借力創(chuàng)新物理實驗強化科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

《標準》中強調(diào)：高中物理課程要引領(lǐng)學(xué)生認識科學(xué)的本質(zhì)以及科學(xué)·技術(shù)·社會·環(huán)境（STSE）的關(guān)系，形成科學(xué)態(tài)度、科學(xué)世界觀和價值觀，為做有責(zé)任感的社會公民奠定基礎(chǔ)，“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”是學(xué)生在認識科學(xué)本質(zhì)的過程中，逐漸形成的一種科學(xué)態(tài)度和社會責(zé)任感。

張老師在這方面也有亮點。一是在演示了學(xué)生自制的金屬探測儀后，他鼓勵在場的學(xué)生“你也可以的，原理很清楚，器材很簡單，人家能做你也能做啊?！睆埨蠋熀啙嵱钟辛Φ脑捳Z，激發(fā)了學(xué)生的探索熱情和學(xué)科擔(dān)當，使學(xué)生成為發(fā)現(xiàn)者、探索者、研究者。二是介紹感應(yīng)熔煉爐時，既介紹了感應(yīng)熔煉爐的優(yōu)點，又強調(diào)了其帶來的能源消耗、環(huán)境污染等問題，所以“我們要有可持續(xù)發(fā)展的意識，要堅持科學(xué)發(fā)展，做到綠色環(huán)?！薄＿@就激發(fā)了學(xué)生理解科學(xué)、技術(shù)、社會、環(huán)境的關(guān)系，增強了學(xué)生的社會責(zé)任意識。

5? ? 結(jié)束語

本節(jié)課的亮點還有很多很多，比如張老師語言精練，幽默風(fēng)趣，引導(dǎo)和鼓勵學(xué)生，基本功強;兩組學(xué)生的展示交流非常精彩;本節(jié)課師生配合默契，幾個學(xué)生在課堂結(jié)束前的收獲總結(jié)也非常精辟……

物理基于觀察與實驗，構(gòu)建物理模型，應(yīng)用數(shù)學(xué)工具，通過科學(xué)推理和論證，形成系統(tǒng)的研究方法和理論體系，而創(chuàng)新物理實驗是物理學(xué)科永葆青春的源泉。物理教學(xué)借力于創(chuàng)新物理實驗，既能保持學(xué)生的求知欲，又能培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，促進學(xué)生創(chuàng)新意識的提高。因此，物理教師應(yīng)加強教研能力，不斷學(xué)習(xí)，積極創(chuàng)新，收集整理，協(xié)作交流，用一個又一個“靚麗”的創(chuàng)新實驗為學(xué)生的物理學(xué)習(xí)開啟美好的“實驗之旅”。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）[M].北京：人民教育出版社，2020：4-5.

[2]詹先斌.基于核心素養(yǎng)培養(yǎng)的物理創(chuàng)新實驗設(shè)計[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2020，49（10）：67-68.

[3]陸奮立，彭曉春.創(chuàng)新物理實驗課堂培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)——以電學(xué)為例[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2021，50（12）：1-3.

（欄目編輯? ? 廖伯琴）