基于高中物理实验教学的学科核心素养培育策略探究

摘要：现阶段，在高中物理教学活动中，教师带领学生对物理课程知识进行深入、高效学习，教师可以植入学生感兴趣的实验项目，开发出多元化的实验课程；同时衔接丰富多样的实验指标，带领学生进行实验学习。在该环节，物理教师须引导学生参与实验设计和规划，指引学生参与仿真实验学习，并且强化实验报告和沟通，开展跨学科实验互动，引领学生在学习环节不断提高自身的综合能力和素质。本文对高中物理实验教学的学科核心素养培养策略进行分析探讨。关键词：高中物理；实验教学；学科核心素养在高中物理教学过程中，物理教师衔接实验教学方法，整合实验项目，开发实验课程，对于提高学生的整体学习水平和效率具有显著功效。物理教师应当开发多元化的实验项目，引进丰富的实验课程，同时衔接多元化的实验指标，带领学生在学习环节对课程概念、知识内涵进行深入研学探究，提高物理教学水平。一、高中物理学科核心素养内容高中物理学科核心素养通常包含多个方面的内容，涉及科学思维、物理观念、科学态度、责任意识、科学探究与交流、物质观念和应用以及信息技术素养等。科学思维体现在学生对模型的构建，以及对知识概念的推理、验证层面，学生须对客观存在的事物属性、规律以及其内在的关系进行整体探究。在科学思维中也涉及对问题的探讨方式、解决方法，同时使用科学合理的策略来进行推理、分析、验证，根据不同观点和结论提出相应的疑问，并且修正相关问题点。而物理观念则是核心素养中不可或缺的一部分，其揭示物理底层规律、逻辑关联，如能量守恒、质能守恒，可使学生深入理解物质的本质规律，解释自然现象。另外，参与物理学习也需要充分增强学生的科学态度和责任意识，比如：在物理学习过程中势必会涉及团队合作项目，学生在团队交流过程中须学会科学合理的交流互动方式，同时掌握科学方法，秉承科学、严谨、细致的态度，实事求是，不迷信权威，对课程知识进行高效学习。科学探究是物理核心素养中引领学生形成良好学科思维的关键要素，科学探究包含提出问题、猜想、假设，进行实验修订、方案优化等，并且根据现有的论据、证据得出结论，给出合理解释。在科学探究环节也需要进行交流互动、评估反思，帮助学生更加深入理解物理现象。而物理观念的应用是引导学生对物质本性、特性进行学习，让学生通过实验和计算，了解物理世界的运动规律，掌握物理知识底层逻辑[1]。在2022新课改视域下，在物理学科核心素养中，提出开展信息化教学的核心标准和要求，引领学生参与信息化探究，接受数字化、信息化知识，结合虚拟实验来开展物理学习，旨在培养学生的信息素养以及对信息化社会的适应能力。二、高中物理实验教学中培养学生核心素养的策略分析（一）引导学生参与实验设计和规划在高中物理实验教学过程中，教师要想培养学生的核心素养，则需要指引学生参与实验设计和规划。实验设计和规划能力是学生形成良好科学思维、科学探究意识过程中不可或缺的一项内容，在实验设计规划环节，大致包含提出问题、假设，对实验方法进行选用，对实验步骤进行设计，对实验仪器、材料进行选用，并且预期结果和数据预测；同时考虑其中的实验安全和伦理问题，并且对时间进行可靠性验证、重复性验证。教师须将实验教学活动进行公示、公开，结合开放性的实验场景，让学生灵活、自由地思考。1.步骤比如：学生可从实际生活、学科知识中提炼问题，解释现象，验证理论，以此来增强学生的分析能力以及提出假设的能力，使学生在学习环节能够形成良好的科学论证思维；紧接着，教师需要引导学生在实验方法适用范围内，选取合适的探究策略，预测其中可能会使用到的实验方法，探索实践问题，解决相关实验问题，提出观点，发展自身的创新创造能力。在完成上述操作之后，便需要引导学生对整个实验步骤进行精细化设计，保证整个实验过程清晰、连贯，且具备操作性、可行性，避免操作遗漏。可让学生在实验学习过程中进行严格、细致检测，培养学生严谨的科学态度以及责任意识；之后便需要让学生选用实验器材和仪器，引导学生在学习过程中正确使用仪器，选取合适的实验材料，开展实验探究。2.实践案例比如：在讲解测量自由落体加速度的过程中，教师便需要让学生围绕实验目的、实验探究需求来设计实验计划。本次实验主要是通过测量自由落体的加速度，验证自由落体运动中物体下落距离和时间的关系。在此期间，教师可让学生根据重力加速度的表达公式提出相应的猜想，对其中的公式单位信息进行分析，借此学生可总结出需要测试时间，同时计算出物体的速度。之后，根据实验探索目标，学生可设置独立的实验项目，完成对实验材料的导入，对滑轨、落体、计时器、尺子、实验台进行合理选用；紧接着，教师便需要让学生根据自身的学习需求，完成对实验步骤的划分。比如：将轨道垂直竖立在实验台上，保证其垂直的状态，在滑轨上放上一个自由落体，使其处于静止状态，在起始位置释放小球，开始计时，最后再进行实验分析，验证相关实验数据的真实性、合理性，绘制出一个时间与下落距离的图表，让学生在图表分析过程中秉承严谨、细致的态度，观察时间和下落距离之间的关系，计算出每次实验的平均时间和距离，推算出平均加速度。在整个实验活动中，学生的学科核心素养能力得到提升，其自主高效开展实验设计能够形成良好的科学态度和责任意识，在实践探究与交流过程中能够根据得到的实验数据信息进行反复评估，解释物理现象[2]。因此，高中物理教师在培养学生学科核心素养的过程中需要植入丰富多元的实验项目，引导学生在实验学习过程中自主设计实验，提出猜想，开展自主实验操作，增强学生的学习能力和学习思维。（二）组织仿真实验1.概念仿真实验在高中物理教学活动中的应用也能够培养学生学科核心素养。部分高中物理实验项目受到实验场地、空间、器材的限制，学生虽然提出丰富的猜想，但是还得不到论证，导致学生的物质观念和探究意识得不到提升。学生在探究实验的过程中往往是结合现有的实验材料来提出设想和实验论证方法，但是在实验材料受限的情况下，会导致学生的思维得不到发展，无法形成良好的科学思维。为了鼓励学生进行大胆推理、验证，发展学生的科学思维，高中物理教师在实验教学活动中可尝试引进对应的仿真实验，在虚拟场景中让学生进行灵活、高效的实践探索，丰富实验教学内容。在虚拟实验中，学生可进行多样化的操作，对概念进行可视化掌控，从而更加深入消化、吸收物理知识理论。而在虚拟实验中也必然会使用到信息技术、信息系统，借此也能够进一步培养学生的信息素养，可让学生在虚拟实验室中模拟物理现象，更加深入理解、内化物理理论，对抽象的现象进行直观形象学习。另外，虚拟实验也可消除部分潜在的危险因素，可使学生在实验学习过程中进行大胆操作和验证。例如：在部分电热学实验中涉及高温、高压，此时可通过仿真实验来提高实验教学的容错率，减少实验器材的消耗，使学生能够做出大胆假设，进行大胆操作、求证，得到实验结果。2.案例分析比如：在讲解天体物理的过程中，由于其中所涉及的实验项目较为抽象，学生通常是通过想象学习来探索其中的万有引力以及行星运动规律、周期。此时，教师可引进相应的仿真虚拟系统，模拟太阳系或银河系的运动场景，对万有引力公式和概念进行讲解，让学生在虚拟实验中尝试论证验证开普勒定律；同时让学生在验证万有引力公式的过程中，分析中心恒星质量对万有引力大小的影响，让学生在虚拟实验室中能够通过实践探究，对引力公式中的G形成一个深层次的认知。结合此类虚拟实验，可高效发展部分高难度系数的实验项目，在虚拟场景中模拟不同的实验变量、实验信息。但是，物理教师须提前对虚拟系统、虚拟引擎进行开发、建设，使学生在虚拟环境中能够进行灵活高效的探究，使学生的核心素养能力在直观的空间环境中能够得到提升。（三）强化实验报告与沟通学生的核心素养能力还体现在科学探索与交流层面，高中物理教师在开展实验教学活动中也需要通过实验报告与沟通的形式，增强学生的交际沟通能力和互动能力。在实验结束之后，教师可让学生撰写实验报告，总结实验心得，与其他小组成员或同学教师进行交流沟通，分析验证探讨过程，在实验报告中记录实验学习心得，整合实验过程，对仪器材料的使用以及观察到的现象进行汇聚整理，借此来培养学生的观察能力以及实验记录能力，使其回顾掌握整个实验过程。在该环节，教师可利用录屏设备录制设备，让学生通过观看自身的操作，回顾自身的实验学习过程，使学生在反思学习过程中能够发现自身的缺点和不足，增强学生的批判反思能力。之后，也可以让学生在实验报告中对实验数据进行处理，比如绘制图表，计算平均值、标准差，让学生学会基本的数据处理方法，培养学生数据分析能力。最为关键的是，在学生的实验报告中还应当囊括其中的科学假设、实验目的以及预期得到的结果等，并且将相关信息与实际结果进行比较，寻找其中存在的偏差，从而让学生对实验设计能够进行持续改良创新，对实验假设、实验推理能够进行深入、高效的思考总结，使学生在下一次实验预测分析过程中能够提高精度。学生在完成对实验报告的编制、书写之后，教师可让其上讲台参与实验总结，对自身的学术研究成果进行展示，传播科学知识，将科学发现分享给教师和同学，从而形成良好的学习潮流和风尚。因此，在高中物理实验教学活动中，教师培养学生的学科核心素养能力也可适当衔接实验报告和实验沟通项目，让学生及时将实验学习结果和心得反馈出来，从而提高学生的综合学习效率。（四）开展跨学科互动实验物理解释了生活现象、生活规律，在科学思维培养活动中，提出培养学生建模思维、推理能力的核心指标。学生的科学思维应当建立在建模思维、推理思维、验证思维的基础之上。而为了培养学生的建模思维，教师可开展跨学科互动项目，让学生在其他学科课程中能够对物理知识概念进行差异化学习。跨学科融合有助于培养学生的建模思维能力，结合数学、化学、工程学，让学生在学习期间针对特定的模型概念提出各自假设、观点、看法，利用多个领域的学科知识来解决物理问题，可增强学生的物理应用能力、实践探究能力，培养学生综合思维能力。在跨学科实验项目中，教师须植入建设性的问题，拓宽学生视野，帮助学生了解不同的学科之间的连接和互动形式，更加深入解释物理现象，形成良好的终身学习思维。在学科融合互动过程中，教师也需要帮助学生形成全方位的认知，培养学生解决问题、探索问题的能力，使学生能够从不同角度进行思考，寻找出创新方案[3]。比如：在讲解交流电实验的过程中，教师可以引导学生对电源、电压、电流表、电阻、线路以及相关设备进行合理调控和使用，在交流电实验中，让学生结合对应的数学知识，构建对应的数学模型，解释物理现象。教师可利用三角函数，让学生在学习交流电变化波形图的过程中，对其中频率、电流、电压等知识概念进行学习，引导学生在后续深层次探索过程中，借助数学语言，探寻其中的底层逻辑，从而将数学实践应用在物理上。通过此类简单的实验项目，学生的物理思维和建模思维均能够得到有效发展，从而提高学生综合素养和能力。因此，高中物理教师在培养学生学科核心素养能力期间需要衔接多门学科概念，植入学科知识内容，开发出建模课堂，让学生尝试利用数学模型、物理模型来解释相关知识原理。三、核心素养背景下高中物理实验教学的注意事项通过上文的论证可以看出，在核心素养背景下，组织高中物理教学活动，可培养学生多方面的能力。在实验教学环节，高中物理教师应当结合开放性教学原则，尊重学生的学习需求，打造开放课堂，使学生在物理学习过程中能够进行大胆假设，提出各自观点和看法。同时教师所设定的条件不应当过于严苛，须充分结合学生的学习需求，使学生在实验学习环节能够得到成长和进步。另外，在部分实验项目中，教师也应当结合小组合作项目，培养学生的合作交流能力、沟通能力，使学生的综合素养得到提升。而在学科互动话题中，高中物理教师也需要做到有效取舍，尽可能实现学科底层逻辑以及学科核心素养的整合，在实验教学过程中体现出多门学科课程的核心素养内涵，从而才可保证跨学科实验项目能够正常高效开展。最为关键的是，在高中物理实验教学环节，教师也应当在保证绝对安全的情况下提高教学效率，但是也并不意味着