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《基于核心素养的初中物理课内外创新实验研究》

教科研成果专报

     近年来，实验教学广受社会关注。教育部出台了《关于加强和改进中小学实验教学的意见》等一系列文件，对加强创新实验探索、培养学生创新素养等给出具体实施指导意见。经过多年教学和实地调研，发现所在区域存在物理教师实验能力相对匮乏，多数学生受地域限制，从小实验体验少、创新意识差，部分物理实验与教师教学之间不契合等一些问题，亟需破解。

     针对实际教学中物理实验存在的难点、痛点，课题研究以核心素养为导向，以课内外创新实验为主题，对实验课程校本化、生本化落地进行创新策略探索研究。在加大实验开出率基础上，通过开展家庭实验、自制教具学具、课内外实验改进创新、强化实验教学评价等方面深入研究，借助课堂学习、课后实践、创新作业等形式帮助学生内化实践，利用素养量表对学生进行创新实验表现性评价，形成“教学评”一体化模式，实现实验教学的闭环。在引导学生经历科学探究过程中，学习科学研究方法，养成科学思维习惯，切实提高实验素养，实现实验教学育人功能，最终确保课题研究成果有效落地。

一、开发学生自主创新实验的途径方法

     （一）创设生活实践应用的家庭实验

     家庭实验以学生为中心，是对课堂学习的补充和延伸。学生根据主题，自主设计，自主操作，并把操作过程，录制视频。实验除采用过程性评价和师生的终结性评价外，还基于课程标准确定核心素养的评价内容和若干评价要素，制作使用PTA量表进行评价。

以指导学生“探究电流过大危害的家庭实验”为例进行说明。

     1.设计意图

     学生仅从课本中学习知道短路是造成电流过大的原因之一，并没有亲手实践过，并且对于短路的危害没有直观认识。通过本实验的设计，树立电流热效应的物理观念，直观感受电流过大的危害，养成安全用电的意识。

     2.实验目标

     （1）设计方案，能完成实验并观察记录实验现象，运用所学物理知识解释分析现象的原因。

     （2）列举三个生产生活中类似的相关现象，并对如何防治提出自己的建议。

     3.实验器材

     绿箭口香糖外壳一个；剪刀一把；胶带一卷；电池一个

     4.实验步骤

     学生自主设计如下实验步骤：

     （1）将准备好的绿箭口香糖外壳用剪刀剪下来一片，并且将这一片的中间位置用剪刀剪细；

     （2）将胶带剪成两个小块，分别黏在如图所示物体的两边；

     （3）将剪下来的绿箭，分别黏在电池的正负极上（一定要让绿箭碰到电池的正负极，不是胶带），戴好隔热手套，捏着正负极；

     （4）观察实验过程，记录实验结果。

     5.实验现象

     （1）一段时间后绿箭外壳锡箔纸开始冒烟，伴随着冒烟细处断裂。

     （2）电池发热严重，绿箭锡外壳锡箔纸也有一定温度。

     6.实验结论

     （1）通过绿箭锡外壳锡箔纸温度及冒烟现象，分析断裂是由于过热现象导致。

     （2）实验将绿箭锡外壳锡箔纸分别黏在电池的正负极上，此时电池被短路；根据电池过热和断裂原因分析，短路造成电流过大，电流具有热效应，长时间会产生大量热量，引发火灾等危害。

     7.实验评价

     学生通过视频剪辑、添加字幕等技术运用，充分施展华，发挥创意。课题组在公众号上共发布了91期优秀作品，进一步激发学生物理学习的兴趣，变“要我学”为“我要学”，帮助更多的学生通过家庭实验提升科学探究的水平。

     （二）优化提升课本实验，改进34项

     在课题研究期间，结合学生的认知规律及实际教学情况，课题组对课本中很难操作，影响了实验的效果的实验进行改进，在课堂实施中效果显著，共形成34项案例。对改装后的实验装置使用录制了实验视频，并附上统一模板的使用说明书，确保其他教师可借鉴，可复制，可操作。

     以“探究水沸腾时温度变化特点的实验改进”为例进行说明。

     1.原实验存在的问题

     （1）烧杯中的水太少，刚好没过温度计的玻璃泡，实验过程中气泡在水中上升过程历时过短，难以观察到气泡体积的变化情况。

     （2）如果加大水量，实验所用时间过长，影响上课进度。

     2.实验改进与操作

     使用锥形瓶替代烧杯，与原实验进行对比。

     （1）实验器材：铁架台2个，酒精灯2个，温度计2支，石棉网2片，烧杯1个，锥形瓶1个，烧杯盖子1片，火柴1盒，秒表1块，双孔塞子1个，弯管1根。

     （2）装置安装：烧杯和锥形瓶中加入相同体积、相同温度的水。从下到上安装实验器材，安装好的实验装置如下图所示。考虑到锥形瓶中的气压可能比较大，在锥形瓶中插入一根弯管。安装好后，调整两个酒精灯的火焰大小差不多，对烧杯和锥形瓶同时加热。

     （3）实验数据：每隔1分钟记录一次温度直到水沸腾为止。

     （4）实验现象记录：锥形瓶中水的温度上升明显比较快。当温度达到接近103℃时水开始沸腾，并且可以明显地观察到气泡由下到上升上来由小逐渐变大，弯管口处冒着“白气”。而此时烧杯中的水温才达到94℃，直到从开始记时25分钟时水才开始沸腾，并且气泡现象不如锥形瓶明显。

     3.实验改进的优点

     （1）使用锥形瓶比使用烧杯加热相同量的水要快的多。不仅节省了时间，而且还节约了燃料，同时可以观察到气泡变化。

     （2）锥形瓶上窄下宽，与底面积相同的烧杯相比较，加入相同体积的水，水的深度更大。

     （3）锥形瓶还可以找到相应的带孔瓶塞作为盖子，瓶塞的空正好可以插入温度计测量温度，这要比给烧杯做一个盖子方便的多。

（4）生成新的问题，锥形瓶中的水最终达到接近103℃才开始沸腾。可能是温度计读数不精确导致，亦或与锥形瓶中气压比较大、水蒸气在锥形瓶口处液化放热等因素有关。

     （三）强化创新实验器材制作，自制学具、教具43项

     利用身边一些随手可得的器材自制学具、教具，在课堂中投入使用，激发学生的好奇心，提升学生的动手能力和实践能力。课题组对每个自制学具、教具编制了说明书，分别从实验目的、实验器材、实验操作、实验优点四个方面对自制教具做了介绍，并全部录制了使用视频。课题组成员刘晓杰、王玉老师设计的自制教具获2023年潍坊市优秀自制教具一等奖，山东省优秀自制教具二等奖，这些研究成果为学生的自主学习提供了帮助，为教师课程提升探索出了有效路径。

例如在“电磁铁跷跷板演示教具”中，以实验设计系统、实验探究全面、实验效果直观为主线，在跷跷板上粘贴磁铁，利用电磁铁磁极和电磁铁磁极同级相斥的原理，将电磁铁的磁性强弱转换成跷跷板的上下移动，提升实验效果；通过电路设计，为学生呈现清晰明了的电磁铁影响因素的实验现象，直观的探究电流大小、线圈匝数、铁芯对电磁铁磁性的影响，确保实验探究的系统和全面；教具充分运用了串并联电路电流特点、电路分析、杠杆平衡原理、转换法、控制变量法等物理知识和方法，培养学生像科学家一样思考。

   （四）探索创新实验研究性学习方式

     把传统的巩固性习题类作业模式改变为创新实验研究性学习的方式，引领学生进行科技论文、物理实践活动、课题式研究性等学习，让学生基于真实生活情境解决实际问题，发展学生高阶思维的层面。

例如在“影子课题之系列实验”的课题式研究性学习中，同学在探究“光的直线传播规律”之后，做了一系列有关“影子课题”的自主创新实验，以探究影子的形成条件。

     1.材料准备

     手电筒、干电池(不透明物体)、平板玻璃(透明物体)、塑料杯(半透明物体)、记录纸、笔。

     2.实验操作

     首先把三种物体放在桌面上，用手电筒分别照射，观察是否出现影子；其次变换手电筒位置照射干电池(不透明物体)，观察记录干电池形成的影子。

     在探究得出影子形成的条件之后，同学继续开发了其他有关“影子课题”的相关实验，例如：太阳照射下影子的长短变化、探究无影灯的形成原理、汽车车灯的安装、手影游戏等。

     进行创新实验研究性学习，主题的确立是活动的灵魂，主题不是靠教师拍脑袋预设的，而是要看学生关心什么，对什么感兴趣。因而在教学中，要求教师要密切关注学生的需求和期待，善于捕捉研究性学习的主题，引导学生主动发现具有探究价值的创新实验。

二、创设四单学习法，

形成基于学生自主创新实验的大单元教学策略

     基于学生自主创新实验，在大单元教学中给学生搭建一个“学教评一体化”的自主学习单支架：学习任务单、学生活动单、学生思维单和学习作品单。首先让学生阅读—搜集—思考—尝试—表达，帮助学生带着成果（或问题）来学习，然后教师组织学生展开交互反馈矫正，以多维对话形式开展课堂教学。通过逆向设计的学习方式既可以发现学生“学没学”问题，引发学生高质量的输入和加工，又可以借助反馈矫正解决“好不好”的问题，有利于提高学习质量。

     （一）学习任务单——学习地图，高效预习

     学习任务单是让学生对主题单元有初步的整体感知，是一个框架性建构，既是为学生进行高效的预习而搭建学习导航仪，也是后续学习的定位仪。我们倡导学生在使用“学习任务单”时，主要依靠自己的力量，自觉、主动、独立地进行学习；自主阅读、思考、质疑，自主发现、提出并进行探究；自主总结、概括、纠正、反思，解决问题，掌握知识，发展能力。

     对一些较难的学习单元，学生没有多少先前的类似经验，类比建构知识系统的可能性较少，还有一些内容的学习顺序也并非那么自然顺畅，在没有外界的帮助情况下，学生未必能够建立合理的结构顺序。为此我们精心设计观点表（根据学生的前概念、潜意识设置）、学习卡（学生采取用折叠式学习卡、概念图等形式来构建主题单元内容的框架结构）、思维与方法（学习方法是明线，知识技能是暗线）、做中学（学生模仿改进教材经典实验，让他们在动手中体验自学），在生本对话中，引领学生按图索骥的自主、主动地完成建构任务。

     （二）学生活动单——多维对话，有效学习

     学生借助“学习任务单”进行高效预习之后，教师根据学生的反馈充分了解学情的前提下，让实验回归常态课堂，不但重视经典实验在概念教学应用，而且强调课堂教学发挥创新实验的靶向作用，关注学生核心概念生成过程。使师生、生生之间通过语言，在问与答、给予与获得、相互争论与达成一致的过程中，实现思维的碰撞与融合，从而实现真正意义上的学习。

     （三）学生思维单——批判质疑，创造学习

     学生自主创新实验思维可视化课堂的设计理念就是“让教师的教学对学生的可见，让学生的学习对教师可见”，即：教师要注重运用思维可视化工具，如思维导图、模型图、鱼骨刺图、流程图、概念图等，让学生能够直观地理解和掌握整个教学过程，同时教师可以通过思维导图等及时对学生的思考方法、思考方式作出科学的评价，这样学生对教师教的过程，教师对学生学的过程都有彼此充分的了解，以便及时对学生自主设计的实验方案进行反思改进优化。如图是在“自主设计创新实验将物体振动产生声音的现象更明显”中，利用“学生思维单”激发和促进学生的思维发展。

     （四）学习作品单——高阶思维，快乐学习

     对于以实验为基础的物理学科而言，化机械重复性书面作业为学生自主创新实验作业是落实科学“减负”的最优物理作业，变“作业”为“作品”也是物理学科学习的必然选择。在此基础上教师按照学科思维规律引导学生改题编题，进行高阶思维训练，进而把解决问题当成检验学习目标达成的重要途径。

     对学生的作品单评价反馈分为梳理反思、展示交流、学业评估、思维深化四个环节。梳理反思是学生对学过的知识和技能进行重构的过程，操作分三步走：首先是学生思考问题，不必写出答案，小组口头交流梳理本章知识即可；然后是重新修改观点表，并与同学交流改变原来观点的原因，完善概念图。展示交流这一环节主要是呈现自己的实践成果，与同伴分享制作感悟。学业评估是基于创新实验编写一份评价学生核心素养的检测题，如果能够充分利用好学生自主创新实验素材，尤其是让学生根据自己基于真实情境设计的创新实验编题改题，解决或解答生活中出现的“真实的问题”，而非回答老师编辑主观“编撰”的习题，这对于培养学生的创新思维和创新能力非常具有挑战性和现实意义，这也是内化知识，发现、解决新问题的思维深化过程。

三、巧用多元评价激发学生创新实验意识

     （一）展示交流——及时性

     为了有效指导学生做好自主创新实验，及时解决学生在实验操作过程中遇到的问题，课题组利用班级QQ群、微信群、微信公众号等平台，及时发布学生自主创新实验的进展情况，这样就更加方便师生之间、生生之间进行互动交流。在众多成果交流互动的形式中，课堂汇报展示是最受学生欢迎的方式。

     （二）科学评价——有效性

     评价遵循“不与他人比较，只与自己比较”的原则，让学生通过自身的评价结果变化来更清楚地认清自我，进而作出更有利于自身发展的调整。课题组可以采用PTA量表法对学生自主创新实验进行表现性评价。PTA量表的制定就是基于基本要素的判定与等级划分两个过程展开的，首先需要对进行该评价起重要作用的要素进行判定并最终确定若干基本要素；其次为制定的每一个基本要素编制2-5个水平评价量表；最后是通过这些标准来评价学生的表现。

     1.确定评价内容和评价要素

     科学评价最重要的一点是要基于课程标准要求来确定核心素养的评价内容（物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任）和16个评价要素。

     2.确定表现性任务和评价标准分级描述

     对于每一个评价要素的评价，要结合具体的课程主题，选取若干个基本点（不是全部），确定表现性任务，并将其细化为若干评价标准，进行师生观测评价并赋予一定的分值，实现课程学习的成绩等级+评语制评价。

四、发表获奖八篇学术论文，下载引用超4000余次

     课题开展以来，课题组成员积极参与，在课题研究过程中不断总结、提炼，撰写多篇学术论文，目前发表和获奖论文共计八篇。其中获奖论文三篇，一篇获全国教育教学论文一等奖；在期刊发表五篇相关论文，其中在核心期刊《基础教育课程》发表一篇，五篇论文中两篇被中国人民大学《中学物理教与学》收录，以上8篇论文均注明为本课题阶段性成果。经查询，发表的论文在知网网站上一共被下载、引用超过4000次，其中《基于课程标准的跨学科主题学习设计与评价研究》在知网被下载2000次，课题研究成果有效被广大教育同仁借鉴。

五、定期开展研讨、送教助研、参加培训等活动，

积极推广实验教学课题研究成果

     开展课题研究以来，课题组成员定期组织研讨，强化成果积累与收集，形成43个自制学具教具案例，34个课本实验改进案例，发布91期家庭实验；积极开展实验送教助研、共读实验书等活动，累积在区市省级平台送课、课堂获奖25人次：其中4人次在区级实验送教助研活动中提供公开课，4人次为潍坊市实验教学送教助研活动提供公开课，十节微课被潍坊市公益课堂录用，浏览总量超过25万人次，1人次获潍坊市实验教学优质课一等奖第一名，1人次获潍坊市实验教学优质课二等奖，2人次在山东省初中物理送教助研活动中提供公开课，1人次荣获山东省基础教育初中物理优质课。成员先后到北京师范大学、华中师范大学、北京十一学校、北京密云学校等地学习，到深圳、临沂等地上课交流，3人次在市级做经验交流；10人次在区市省级实验技能比赛中获奖，其中刘晓杰、孙瑶瑶老师分别获潍坊市中小学实验教学短视频大赛一等奖，其中刘晓杰老师获一等奖第一名；2人次获区教学成果奖。边均萍老师设计的实验课程入选教育部中小学实践教育课程资源库，并作为核心作者参与教育部国家标准教科书《科学》教材编写；刘晓杰老师先后被聘任为潍坊市初中物理兼职教研员、潍坊市教育科技专家库成员，并被抽调参加潍坊市实验教学指导丛书修订工作。

      本文系山东省教育科学“十四五”规划2021年度一般自筹课题“基于核心素养的初中物理课内外创新实验研究”(课题批准号:2021ZC319)的阶段性研究成果。（课题主持人：刘晓杰）

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