叶晟波 余 潘

（慈溪中学，浙江 慈溪 315300）

1 基于拔尖人才创新素养培养的物理实验教学的提出

1.1 培养什么人是教育的首要问题

近几年我国频频向创新高地发起冲锋，在某些领域中国开始要领跑，但新时期要想在国际竞争中站稳脚跟并应对世界复杂局面挑战，就必须依靠科技创新驱动.人才是创新的根基，创新驱动说到底是人才驱动，早在2009年，教育部就联合中组部和财政部启动了“基础学科拔尖学生培养试验计划”（简称“珠峰计划”），力图在创新人才培养上有所突破.2018年，教育部等6部门又发布了《关于实施基础学科拔尖学生培养计划2.0的意见》，提出要建设一批国家青年英才培养基地，选拔培养一批基础学科拔尖人才.2020年9月，习近平总书记在科学家座谈会上强调，“要加强创新人才教育培养”，“注重培养学生创新意识和创新能力”.《普通高中物理课程标准（2017年版）2020年修订》的课程目标要增强学生创新意识和实践能力，［1］具有批判性思维的意识，追求科技创新.［2］综上所述，提升学生创新素养、培养时代新人是教育的首要问题，培养拔尖人才的创新素养是国家的国策.

1.2 高中拔尖创新人才的基本特征

质疑创新是物理科学思维核心素养中最高层次的核心素养.近几年基础教育界积极开展创新人才的培养和实践.笔者通过文献综述和课题研究，结合创新素养教育实践，总结出高中拔尖创新人才应具有的基本特征：有健康的创新人格；有卓越的创新思维；有扎实的创新技能；有出色的合作能力和社会责任感.物理理论的发现和建立是一种原质创新过程，物理学与其他学科的综合是进行综合创新的重要源泉，［3］所以高中物理创新教育的重点是培养拔尖人才所需要的创新素养，与高等教育接轨，为大学培养拔尖创新人才奠基.

1.3 高中拔尖人才创新素养培养的内容

根据普通高中课程标准的课程目标和高中创新拔尖人才的基本特征，结合高中物理教学的实际，确定如下培养高中拔尖人才创新素养的9方面内容：（1）创新人格，包括创新意识、创新动机、创新意志.（2）科学能力，包括创新思维、创新技法、信息能力.（3）社会责任，包括环境保护、沟通合作、责任担当，如图1所示.

图1 创新素养培养的内容

1.4 物理实验教学是实施创新教育的重要领域

物理学科中，大量的现象、原理和规律都是通过物理实验进行学习的.物理实验的提出问题、猜想和假设、制定方案、实施过程和得出结论中渗透了较多的质疑创新因素.很多实验的成功设计与实施不仅验证了科学猜想、测量了重要的物理量，而且展示了物理学家的质疑批判和物理实验理论、方法、技法的创新过程，［4］所以物理实验教学是培养拔尖人才创新素养的重要领域，注重实验探究也是新课程的重要目标.本文通过物理实验搭建适应创新素养培养的教学实施路径、研制激励创新人才培养的评价方案，实践物理实验教学培养拔尖人才创新素养的探索，为大学创新人才的培养奠定后备人才基础.

传统实验教学的学习空间和时间大都在课堂内，缺乏真实性和开放性，局限了学生深度探究，不利于培养学生的创新能力.［5］所以我们结合课程标准中“学生必做实验”、［6］课标课程内容中的“活动建议”和2020年版普通高中物理教科书中的“课题研究”，把它们分成“实验室操作类”、“实践活动类”.［7］

2 搭建创新素养培养的物理实验教学实施路径

2.1 “实验室操作类”实验教学实施路径

学生必做实验基本可在实验室完成，这类实验的创新教学实施路径如图2所示.实验通过情境创设引导学生猜想并进行实验探究，若通过拓展和质疑发现原有实验存在问题，可以提出新的实验问题，利用科学思维、实验技法再次实验探究，直到实验成功，最后实现新的认知应用.［8］整个实验探究过程，学生需要准确表达要探究的问题，主要培养了学生的质疑能力、创新意识，使创新思维和实验创新技法得到提升，并锻炼了学生的合作沟通能力.

图2 “实验室操作类”教学实施路径

2.2 “实验室操作类”实验教学实施案例分析

为了完成科学探究素养的培养目标，新课程标准明确了可在实验室完成的21个学生必做实验项目，其中必修一4个、必修二3个、必修三5个、选择性必修一4个、选择性必修二3个、选择性必修三2个.这类实验教学要让学生有一个从“问题”到“交流”的较完整的实验过程和学习经历，以生为本培养学生创新素养，在教学中可以循序渐进提升探究素养，下面以“探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系”为例实施教学.

案例1：“探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系”.

情境创设：实际生活中有各种变压器，提前几天布置任务，让学生收集家里的电瓶车充电器、电子整流器、节能灯电子板、手机充电器等.拆解这些电子器件中的变压器，发现变压器主要有线圈、变压器铁芯组成，变压器的拆解过程使学生了解其基本构造，增强感性认识.

引导猜想：（1）对变压器铭牌上的信息进行了解，发现有的变压器把低压升为高压，有的把高压降为低压，那么变压器是如何实现变压的呢？（2）基于铁芯材料的高导磁性，大部分磁通量局限在铁芯里，根据电磁感应定律，原、副线圈n1、n2中的磁通量近似相等，那么线圈两端的电压与线圈的匝数有什么关系呢？如何设计一个实验方案证明我们的猜想？

图3 实验用可拆变压器

拓展质疑实验：学生评价质疑原有实验，揭示存在如下问题.

表1 探究变压器实验原理数据（优化前）

续表

（2）学生分析U2偏小的原因，交流讨论并列举缺点实验创新技法，得出变压器工作时会发出声音，是铁芯受交变磁场吸引和排斥而引发振动；变压器的温度升高，是涡流使损耗增加，让变压器的铁芯发热；线圈发热，是电流流过线圈，产生焦耳热，以上原因使实验产生较大误差.提出新的问题，铁芯中的涡流使损耗增加，能否不放铁芯？

（3）根据分析比较实验创新技法设计铁芯正常放和不放铁芯的两次对比实验，测出相关数据如表2，由Excel画出两种情况的U1-U2图像如图4，基于证据得出铁芯对于聚磁的重要性.在此基础上提出“如何优化实验”.

表2 两次对比实验数据

图4 两次对比实验的U1-U2图像

创新实验探究：学生通过分析讨论，设计如下实验改进方案.（1）副线圈绕组取合适匝数，用较粗铜线绕制，从而适当减小线圈内阻，减小焦耳热；（2）为了尽可能减小漏磁，学生们查阅资料讨论后采用铁氧体磁芯的环形变压器，铁氧体具有高导磁性，环形变压器磁路封闭，加上线圈与铁芯二者间紧密的结合，尽可能地减少漏磁；［9］（3）测交流电压采用数字显示交流电压表，使读数更为方便、测量更为精确.根据以上改进方案实施实验，实验数据如表3，从实验数据得出电压损失在0.6%以内，比改进前的变压器电压损失小很多，接近理想变压器，可以得出较好的实验结果.

表3 探究变压器实验原理数据（优化后）

认知应用：（1）学校实验室提供的教学用可拆式变压器不是理想变压器，实验结果电压比不等于匝数比，不能得到与理论分析相符合的结果.

（2）学生通过查阅资料、交流，树立创新意识，基于数据大胆质疑，列举可拆式变压器能量损失较大的可能原因，创新改进实验方案，把变压器改成铁氧体磁芯的环形变压器，尽可能减小漏磁，让学生观察理想变压器的实验现象、亲身经历科学探究与论证的过程，培养质疑创新素养.

（3）变压器利用了电磁感应的原理，使交变电流的电压容易改变，并得到广泛的应用.通过本实验学生能更加直观地感受电磁感应的产生过程并实现输送电能，通过讨论、查阅资料，可以将电磁感应的应用延伸到能量输送和无线充电及等领域，从而提高学生对于科技的兴趣，了解无线充电存在传输距离短、成本高、能量损耗大，让学生从不同角度思考问题，追求科技创新的同时培养节约能源意识.

2.3 “实践活动类”实验教学实施路径

若按教材的章节规划单元，单元教学的实践任务、课标中课程内容的“活动建议”和新教材中的“课题研究”可以归为“实践活动类”实验，学生可以自主选择合适地点在教师规定时间内完成，在动手操作和经历体验中加深对知识的理解，将学与做结合起来，从而在解决实际问题中培养创新素养.这类实验教学，首先教师基于对课标、教材、学情的分析确定本单元的实践主题，学生通过观察选择合适情境，结合要学的知识制定活动目标，如实践任务需要多人合作完成，可以把它分解，采取小组合作自主设计实践方案并实施，记录实验过程和数据，经改良和创新后，学生展示实践成果，总结和评价促进目标达成，“实践活动类”实验的实施流程如图5所示.

图5 “实践活动类”实验教学实施路径

2.4 “实践活动类”实验教学实施案例分析

案例2：制作旋转飞椅模型.

选择合适情境：在对“圆周运动”单元教学设计时可以尝试 “实践活动类”实验任务，选择的情境应该平时真实常见的情境，贴近学生生活；其次研究对象做匀速圆周运动，建模比较容易；再是该情境需要涵盖本章的核心知识即运动与相互作用.学生经过观察、讨论，结合教师的指导，从扔链球、车辆转弯、摩天轮、过山车、旋转木马、旋转飞椅等情境中选择游乐场中常见的旋转飞椅作为本单元实践实验的情境.

制定实践任务：选择好情境后，学生通过观察讨论，提出情境中可以研究的问题即形成物理问题.如飞椅为什么会飞起来？飞起来的飞椅为什么角度有不同？旋转的飞椅有快有慢，快慢由谁决定？最后的任务是每小组要制作一旋转飞椅模型，并使飞椅稳定运动时悬绳与竖直方向夹角保持为定值.

实践任务分解：每小组6人，小组中2个成员研究如何描述飞椅的运动，如飞椅的运动轨迹，运动的快慢，涉及的核心知识有线速度、角速度、周期、频率.2个成员研究飞椅的运动与受力的关系，如飞椅做圆周运动的条件，向心力大小的影响因素，飞椅运动状态的变化，涉及的核心知识有向心力、向心加速度、牛顿第运动定律.2个成员研究除了飞椅，圆周运动还有哪些应用.

制定实验方案：学生们相互合作，撰写设计方案，每小组制作一个旋转飞椅的实物模型.方案要求能基于理论分析，包含模型结构图、基本参数和工作原理如角度控制的方法、转速测量的方法等，最后选择一个合适的转速，使飞椅稳定运动时悬绳与竖直方向夹角保持为30°.

实施实验方案：教师可以提供马达、学生电源（可用于控制转速）和DIS套件，其他器材学生自备，按照实验方案，开展实验.

展示总结评价：最后以小组为单位进行3-5分钟的交流展示如图6，展示中观察当飞椅的转速突然增大时，飞椅做离心运动，讨论离心运动的条件，并对圆周运动、离心运动的应用进行交流.

图6 学生实践活动交流展示

3 研制物理实验教学培养学生创新素养的评价方案

新课标明确实践育人具体要求，强调用评价引导创新，用多把尺子衡量学生，物理实验教学培养学生创新素养可以通过量表开发、成果应用来制定评价方案.明确和开展物理实验教学的评价方式，可以比较经济地为创新素养的培养提供科学依据和精确方向，有助于准确掌握学生创新素养掌握水平，确定物理实验影响创新素养的关键因素.

基于物理实验培养拔尖人才创新素养的内容，本文提出 “实验室操作类”和“实践活动类”实验教学过程中某一素养实现的程度如表4和表5，并制定拔尖人才创新素养培养的评价量表如表6.

表4 “实验操作类”实验教学评价表

表5 “实验活动类”实验教学评价表

表6 拔尖人才创新素养培养的评价量表

续表

表4和表5分别从9个方面来评价拔尖人才的创新素养.两表都采用1-4级来判断某一素养实现的程度：4级表示该素养为该内容条目的主要目标；3级为次要目标；2级表示没有要求，但是教师有机会在教学中培养该素养；1级表示没有要求，教师也没有机会在教学中培养该素养.两表阐明素养实现的程度使实验培养创新素养的评价体系更加具体化，为制定拔尖人才创新素养培养的评价量表提供了重要依据，为实验教学培养创新素养奠定了坚实基础.

表6是实验教学培养拔尖人才创新素养的评价量表.该表对高中拔尖人才创新素养培养的9方面内容做了具体阐述，为了给学生留足成长的空间，该表还增加了“其他特长”一栏，以构建更全面、更灵活的新素养评价方式.表中用“A”、“B”、“C”、“D”分别表示行为特征的“优秀”、“良好”“合格”、“达标”这4个等级程度，评价得分分为自评、互评、师评，以此减小评分者的主观效应，最后3者之和形成总分.该表从创新素养的9方面内容进行评价，通过自评，学生梳理自己的实验过程，了解自己的较高素养，发现自己的短板，接下来可开展针对性的改进，提升相关素养，用问题解决和实践活动统领创新思维和创新人格，在问题解决和实践活动中生成与激发创新精神，最终实现创新素养的全面发展.