真实实验探究：培养物理学科核心素养的最佳途径
现行高中课程标准中明确高中物理的课程性质：“高中物理是普通高中科学学习领域的一门基础课程，与九年义务教育或科学课程相衔接，旨在进一步提高学生的科学素养。”[1]而当前，国内外科学教育都在积极强化对学生科学素养的培养。2014年3月10日，教育部《关于全面深化课程改革，落实立德树人根本任务的意见》文件中提出“将组织研究提出各学段学生发展核心素养体系，明确学生应具备适应终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力，突出强调个人修养、社会关爱、家园情怀，更加注重自主发展、合作参与、创新实践”，要求“各级各类学校要从实际情况和学生特点出发，把核心素养和学业质量要求落实到各学科教学中”，那么物理学科的核心素养有哪些？如何在高中物理的教学中有效培养物理学科核心素养？
一、物理学科核心素养的内涵
物理，是未来科技发展的中心学科，推动环境、能源、材料、信息等科学技术的进步，引领着人类对自然奥秘的探索，深化人类对自然界的认识，影响着化学、生物学、地学、天文学等学科的发展，同时对人类的思维方式、伦理道德、价值观念及社会的规范制度都产生了重要的影响。
通过高中物理课程，将有助于学生继续学习基本物理知识与技能，体验科学探究过程，了解科学研究方法；增强创新意识科学实践能力，发展探索自然、理解自然的兴趣与热情；认识物理对科技进步以及文化、经济和社会发展的影响，为学生全面终身发展形成科学世界观和科学价值观打下基础
物理学科素养是学生在接受物理教育过程中逐步形成的基本知识、关键能力、方法和情感态度、价值观等方面的综合表现，是学生通过物理学习能够集中体现出的带有物理学科特性的品质
物理学科核心素养是物理学科素养中最基本、最重要的素养，除了体现培养“全面发展的人”的共性，还应体现物理学科的独特性，形成具备物理学科特征的核心素养体系，笔者认为物理学科核心素养应由“物理知识及结构”“物理基本观念”“物理实验探究”“科学精神与价值观”组成。
（1）物理知识及结构
物理是研究构成自然界的物质的基本结构和运动规律及其应用的科学。可分为力学、热学、声学和分子物理学、电磁学、光学、原子和原子核物理学等分支，而每一分支内容都包括物理现象、物理概念和物理规律这三方面的内容，它们也是呈现物理知识的三种基本形式。
物理现象指物质在运动、变化和发展过程中所表现出的外部的形态和联系。物理现象通常可分为自然现象和实验现象，物理现象中有关物理量之间定性或定量的联系，是建立物理规律的依据。
物理概念是客观事物在物理方面的共同属性和本质特征在人脑中的反映，是物理事物的科学抽象，是反映研究对象物理属性的思维方式，所以物理概念是物理知识的基本元素，是物理知识及结构的基础，是研究物理规律的基础。
物理规律反映了物质运动变化的本质属性之间定性或定量的联系，物理规律是物理知识的核心，是物理知识的骨架。
物理学各分支所包含的物理现象、物理概念、物理规律组成了物理知识及结构。它是培养思维能力的重要基础，也是学生综合运用知识解决问题的基础。不掌握物理知识及结构就无法达到学习物理的目的。布鲁纳指出“不论我们选教什么学科，务必使学生理解该学科的基本结构”，所以物理知识及结构是物理学科的基础核心素养。
（2）物理基本观念
物理基本观念，是指学生通过物理学习，在深入理解物理学科特征的基础上，将蕴含于具体知识中的物理思想、观点、方法等抽象概括出来的观念性认识，是物理学科的研究对象、过程、方法和结果在学习者头脑中整体的、概括的反映。基于物理学科的特点和研究视角，物理学科形成了认识自然界的基本思想方法和处理问题的基本思维方式，概括起来就是，自然观、物质观、时空观、对称守恒观和稳定与平衡、变化与趋势等。
物理观念来源于具体物理知识，但又不同于具体的物理知识，它是具体物理知识在学生头脑的提炼与升华。物理观念对物理知识具有引领作用，使物理知识发生有效的迁移和应用，对学生的终身学习和发展将发挥重要作用。帮助学生建立起基本物理观念，应当是物理教学的首要目标，因而物理观念也是物理学科的核心素养。
（3）物理实验探究
新课程标准在第三部分专门列了一项——科学探究及物理实验能力要求，列表说明探究要素和基本要求，物理实验是探究物质相互作用及其运动规律的重要工具，以实验为基础是物理学科的重要特征之一，物理实验帮助学生理解和掌握必学知识和技能，能培养学生的科学探究意识，能在不同情境中提出科学问题、形成猜测和假设，利用科学方法获取和处理信息，得出结论，具有合作交流及评估反思的能力，能建立物理与真实情境的关联，能运用物理知识和方法解决日常问题。所以，物理实验探究能启迪学生的科学思维，训练学生的科学方法，培养学生的科学态度和价值观。
物理实验探究是一种学习方式，是学习目标，也是学习内容，更是通过学习后形成的物理学科的核心素养。物理实验探究素养在学生智能结构的发展中占有重要的地位。
（4）科学精神与价值观
科学是体现人类道德精神和价值取向的创造性活动，在认识科学本质和科学•技术•社会•环境（STSE）的基础上，认识物理的人文内涵，唤起学生对物理的学习兴趣和学习动机，养成辩证的科学思维、求实的科学态度和创新的学习品质，养成勤于动手、独立思考、敢于质疑的科学品质，有物理与其他学科交叉、融合能推动社会发展和促进人类文明进步的意识，辩证看待物理的发展，慎思社会发展中的伦理道德启示，坚持物理知识的应用应遵循诚实和伦理原则能尊重自然、遵守科学共同体普遍接受的道德规范。这是科学教育的本质所在，是物理学科价值层面的核心素养
二、培养物理学科核心素养的最佳途径
一个新知识的构建，是以原有知识为基础的，所以教学以知识为线索展开。这本是合乎认知规律的做法，但由于教师是在“知识立意”观念指导下进行教学设计，忽视了物理课程的育人功能，导致把目光只聚焦在知识上。思考的是如何让学生获得知识和结论，从而导致教学存在三个方面的问题：一是教师把知识的教学简单化的理解为符号形式的教学，注重的是知识和结论，而很少深入到知识产生的问题情境、问题的解决方法及知识对自身意义的建构中去。 二是教师常对教材中的重点难点加以特别的关注，但对学科知识结构关注不够，使学生对知识的理解是局部的零碎的，缺少系统性和逻辑性。三是教师将被狭隘理解的“双基”作为教学内容的核心，而对蕴含于双基背后的基本经验、基本观念和学科精神价值观忽视了。由于教师对学科理解的不足和教学设计立意的粗浅，导致学生的学习也变的粗浅、零碎、繁琐、无意义。
要克服这种错误倾向，解决存在的问题，必须以“培养全面的人”为设计理念，把培养学生物理学科核心素养作为物理教学的目标，超越物理学科表层内容和知识的符号形式，将物理知识结构、物理基本观念、物理实验探究、科学精神价值观等学科核心素养的要求纳入到课堂教学中。那么什么样的教学策略能很好的实现物理学科核心素养的培养呢？
在物理学科核心素养观照下的物理教育，是把物理作为一种认识方法的知识，以及开展科学研究的知识、技能和能力。应摒弃那种单纯强调学生掌握具体的物理学科知识、能够用“正确”的物理知识和技能回答常规性物理问题的教学策略，取而代之的是一种以“培养科学素养”为理念的物理教学模式。这种教学模式的核心即是物理实验探究，而且这种物理实验探究不是目前教学中完全设计好的、有明确实验步骤和明确结论的探究，不是学生只是按部就班的完成了一个机械操作过程的“虚假探究”，而是让学生经历真实的物理实验探究。但什么是真实的物理实验探究教学？为什么说真实的物理实验探究教学是培养物理学科核心素养的最佳途径？
（一）什么是真实的物理实验探究教学
建构主义学习理论认为：学习是一个积极主动的建构过程，学习的效能取决于学习者建构意义的能力，而不是重现教师思维的能力。强调教学必须以学生为中心，强调学生对知识的主动探究和主动发现，特别关注学生对所学知识在原有经验基础上的意义生成，教师由知识的传授者、灌输者转变为学生主动建构知识的帮助者、促进者，学生学习的合作者。
高中生已具备相当的独立意识和能力，在教学内容到教学方式应给学生留出充足的空间和时间。真实的物理实验探究教学以促进学生“知识与结构、物理基本观念、探究能力、科学精神与价值观”的发展为根本目的，以自主学习理论，探究教学理论为基本依据，通过创设真实的问题情境，激发学生提出问题，让学生运用已有的知识和技能，像科学家做研究一样去探索和发现对自己而言的新知识。在探究中学生自主设计实验方案，自己摸索探究方法，自主拟订实验步骤，自行论证实验结论，通过对这些真实学业成就的评价和交流，促进学生物理学科核心素养的和谐发展。
（二）为什么说真实物理实验探究教学是培养学生物理核心素养的最佳途径
真实物理探究教学的核心是关注物理知识的生成和论证过程。这一过程除了包括学生对相关物理知识的理解外，还包括对开展物理探究必需的物理基本观念和过程性技能的掌握，以及对科学本质和价值观的思考。
1、 真实的物理实验探究关注知识产生的过程，使学生真正理解物理知识和结构。
物理现象是物理学研究的基础，丰富多彩的物理现象能激发学生的学习兴趣，兴趣既是教学手段也是教学的目的。因此通过物理现象激发学生的兴趣是培养学生观察能力的基本途径，形象具体的物理现象有助于建立物理表象，是形成物理概念和规律的前提。从现象到概念规律的认识，是完成从感性认识到理性认识的第一次飞跃过程。其中有着丰富的科学思想和科学方法，它有助于指导学生认识物理学的研究方法和思维方法，是培养和提高思维能力的重要途径。物理现象也为学生运用概念和规律解决实际问题提供了真实案例，有助于学生巩固理解物理概念和规律，形成系统的知识结构。
真实的物理探究教学的重要目的就是改变只注重科学知识和结论而忽视过程的教学方法。通过对生活现象的探究，通过对实验的探究，学生观察物理现象，形成物理概念，总结出物理规律。在经历真实的探究过程后，理解物理知识是如何构建起来的，会促进他们对物理知识的理解和掌握，形成自己的知识结构。
例如，学生在学习摩擦力的相关内容时,对”动摩擦因数与接触面间的压力和物体运动状态无关”的认识是肤浅的,为此,在学习了牛顿第二定律后,笔者设计了”测量纸和木板间的动摩擦因数”的探究主题.
学生们在探究中设计出了四种实验方案:
方案1:用弹簧秤水平匀速拉动被纸包裹好的木块,测出弹簧秤的读数,测出木块的重力,结合木块做匀速运动,进而求出纸和木板间的动摩擦因数.
方案2:将弹簧秤水平放置,一端固定,另一端与被纸包裹的木块连接,木块置于水平木板上,拉动木板从木块下抽出,并保持木块在后阶段静止. 测出弹簧秤的读数,测出木块的重力,结合木块处于静止状态,进而求出纸和木板间的动摩擦因数.
方案3:将木板一端抬起,调节木板倾斜的角度,使被纸包裹好的木块恰好能沿木板匀速下滑,测量出斜面的倾角, 进而求出纸和木板间的动摩擦因数.
方案4: 将木板一端抬起,调节木板倾斜的角度,使被纸包裹好的木块沿木板匀加速下滑,穿过打点计时器的纸带与木块相连,利用纸带上的点测量出木块的加速度,再测量出斜面的倾角, 进而求出纸和木板间的动摩擦因数.
经过实验探究,学生掌握了测量动摩擦因数的方法,通过对四个方案的评估和交流,不仅深刻理解了”动摩擦因数与接触面间的压力和物体运动状态无关”,更是通过对力学概念与规律在实验探究中的运用,建构起了这部分力学知识结构.
2、真实的物理实验探究教学让学生深刻理解和反思物理知识和核心概念，形成基本物理观念。
将物理基本观念的具体内容记住并不能有效地形成物理基本观念，只有亲身体验物理知识的发现过程和应用价值，感悟知识中蕴含的思想、观点和方法，才能将知识转化为观念。所以真实的物理实验探究教学所带来的最大变化首先是学生学习方式的转变，它使学生的学习行为从被动记忆知识，贮存知识向主动理解知识、构建观念改变。为了探究某一新的知识，学生的思维不是停留在对具体知识的记忆和字面理解的水平上，而是要深入领会知识的内涵，发现知识间的内在联系及其本质规律。挖掘物理知识背后深层次的思想和观点,真正形成自己的物理基本观念。这是对以知识和结论的记忆应用为理念的“知识本位”教学方式的超越，会对学生科学素养的提升产生深远的影响。
在完成牛顿运动定律和机械能守恒定律的学习后,笔者找到一座老式落地摆钟,给钟上好发条,让钟正常工作, 让学生观察这座摆钟工作时的现象,提出想探究的问题进行自主探究。
学生在观察时,会把曾经学过的物理知识与现实情景产生联系,提出要探究的问题,诸如摆钟为什么能计时?进而提出钟摆摆动一次的时间与哪些因素有关?钟摆摆动中能量如何转化?如何让钟摆能长时间摆动等等。对这些问题的探究,学生必须深刻理解牛顿运动定律和能量转化与守恒定律,会通过抽象和简化,建立理想化物理模型-----单摆,运用经典的时空观和能量转化和守恒观,反思和分析问题中包含的物理知识与方法,设计需要测量哪些物理量,需要哪些实验器材,通过哪些实验步骤、数据分析与论证。
通过探究建构关于单摆周期及能量转化的知识。知道了具有等时性的运动物体可以用于计时,这样的时空观就可以指导学生设计更多的计时器。知道了发条的作用是周期性的补充钟摆系统中机械能的损失，使钟摆长时间摆动，这种能量补偿加深了对能量守恒的理解。
这些探究帮助学生形成和深化了经典时空观、能量守恒观等基本的物理观念。
3、真实的物理实验探究教学能提高科学探究技能，培养创新意识。
由于现行实验教学从教学内容到教学方式没有给学生留出足够的发展空间，在一定程度上限制了学生的主动性与积极性。所有实验环节全部设计好，全体学生按照现成的实验步骤，同一时间，用同一方法完成同一实验，得出同一结论，导致学生提出问题的能力，设计实验的能力，分析数据的能力，交流评价能力，特别是面对实验失败后分析审察旧方案，重新设计新方案的能力没有得到很大的提高。
真实的实验探究教学，学生面对的对他们而言是未知的、开放性的问题。没有已知的适用方法和现成数据，也没有明确的结论，学生不得不充分利用他们已有的知识、经验和物理素养，创造性地选择和运用自己积累的理论、知识和方法，提出种种猜想和假设，不断设计研究方案，反思结果与过程。在解决面临的一个个现实问题的过程中，循环往复的经历着：提出问题——猜想与假设——设计方案——收集数据——论证结论——交流与评估等探究要素，使探究能力得以真正提高。对每个问题的解决，又培养了学生创造性解决问题的意识和能力。通过真实的实验探究，学生不仅掌握了这些探究技能，而且理解了问题与研究设计方案、研究设计方案与论证、证据与结论之间的关系，能判断和反思得到的结论的可靠性，从而发展了学生的推理、逻辑分析等重要能力。
在”测量纸和木板间动摩擦因数”的探究方案1中，使木块在水平木板上匀速滑动很难操作，而且由于弹簧秤在运动难于读数。为解决这个问题，将拉动木块运动改进为拉动木板运动。实际操作中保持木块静止容易，而且由于木块静止使得弹簧秤读数稳定，减小了测量误差，这一探究过程培养了学生创造性解决实际问题的能力。
4、真实的物理实验探究教学能培养学生的科学精神和价值观。
真实的物理实验探究教学能给学生提供主动探究的宽松环境，促使学生形成对实验探究的持久兴趣，激发学生的求知欲。在探究过程中，除了本实验小组内分工合作，还可以让不同的实验小组完成同类的操作，实现各小组之间的数据交流共享，从不同范围内体会到相互合作的重要性。在探究单摆的周期与小球质量和摆长的关系时，必须运用控制变量法多次改变小球质量和摆长，以获得大量数据进行分析，这时可以让不同小组分工完成测量，让学生体会到合作在大数据研究中的价值。
真实的物理实验探究教学重视探究问题情境的真实性和探究过程的真实性，能培养学生对实验严肃认真的态度，对实验结果的实事求是，杜绝编造和修改实验数据，并把实事求是的作风带到平时的学习和生活中去。由于探究中没有现成的方案，没有明确的结论，常常面临许多实际难题和一次次的失败。锻炼了学生的耐挫能力和不断反省、敢于质疑的科学品质。例如，在探究单摆系统机械能是否守恒的过程中，有时会出现末状态的机械能反而比初状态的机械能略大的情况，是什么因素造成这个现象，需要本着实事求是的科学态度，不断改进实验方案和条件设置，找出问题原因。
学生通过探究经历了获得知识的全过程，能正确认识科学的本质及科学伦理道德，在探究过程中表现出责任感，知道了科学知识对人类、对自然的价值。
三.结语
所以真实的物理实验探究教学是培养学生物理学科核心素养的最佳途径。但如何指导学生开展真实的物理实验探究仍然是一个复杂的课题，需要教师的智慧和创造性，教师自己先要理解物理课程的目标是为了培养学生的物理学科素养，在实践中了解真实的物理实验探究的本质特征，明确真实的物理实验探究是如何在提高学生物理学科核心素养中发挥作用的。学会创设真实探究的情景，引导学生有效开展真实的物理实验探究，同时为改变以往单一的纸笔评价的方式创造条件。通过对学生在真实探究过程中反映出来的表现进行的评价。如构建知识能力、创新能力、实践能力、合作意识、科学精神等，真实地反映学生的学业成就，实现多元而全面的真实评价。
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