把握科學探究要素 提升發展核心素養

王聿奎

摘 要：科學探究的各要素之間緊密聯系、相輔相成.探究時要從對要素的理解和把握中培養學生的問題意識、創新意識和反思意識，同時優化學生思維品質，使學生能夠感悟探究的本質，增強探究意識，提升探究能力.

關鍵詞：科學探究；探究意識；核心素養

科學探究是物理學科核心素養的重要組成部分.科學探究的要素包括：提出科學問題、形成猜想和假設、設計實驗與制定方案、獲取和處理信息、基于證據得出結論并做出解釋、對科學探究過程和結果進行交流、評估、反思的能力.在科學探究的實際實施中，不是將以上要素機械的包括進來，而是要依據課程設置和探究目標的需求，[1]通過其中的某幾個要素來提升學生的探究意識和能力，使學生在科學探究中不斷完善學習策略，增強學習能力，從而促進發展核心素養的提升.

筆者以《對輪胎上“一點”運動軌跡的研究》為例，談談如何在科學探究中落實探究要素，培養探究意識.

一、形成猜想與假設

（一）從觀察中提出問題，確定研究方向

有些汽車輪胎氣嘴處安裝的胎壓監測裝置行車時會發光，這些光點會隨汽車的行駛顯示美麗的光弧；自行車輪胎上安裝的輪胎燈夜晚騎行時也會展現出絢麗的光帶.對于觀察到的現象，學生提出以下問題：①輪胎上的光點在行進過程中參與了哪些運動？②行進中這些光點的運動軌跡如何？③這個軌跡與哪些因素有關，如行進速度、輪胎大小、是否打滑、加速減速等.基于以上問題，學生確定了探究目標：探究行進中輪胎上一點的運動軌跡.由于實際運動的復雜性，學生結合探究目標對所研究問題進行了提煉和簡化：自行車沿平直路面勻速前進且不打滑，探究輪胎上一點的運動軌跡，并確定影響運動軌跡的因素.

（二）基于已有知識形成猜想和假設

如果輪胎只在地面打滑，則光點將隨著輪胎一起做勻速圓周運動；如果輪胎不轉動而只在路面上滑動，則光點將做勻速直線運動，因此光點在運動過程中同時參與了勻速圓周運動和勻速直線運動，光點的實際運動狀態應該是以上兩種運動的合成.但是其運動軌跡的形狀究竟如何，受哪些因素影響？學生有以下的幾種典型猜想：①由于分運動的獨立性，其軌跡是由向上凸起的圓弧構成的；②光點在地面上的投影與半徑構成三角函數關系，其軌跡應該是正弦或者余弦曲線；③在兩種運動合成的條件下，軌跡是被拉長的圓弧，而且軌跡可能會有相交重合的情況；④軌跡的形狀與輪胎的半徑和運行速度有關.

（三）在觀察現象中誘發學生的問題意識

科學探究中問題意識的培養離不開對現象的興趣和對觀察的思考，其中探究要素起到助推和引領的作用，它使學生對現象的思考逐步走向深入，新問題也就應運而生.

從對感興趣事物的觀察中發現問題，進而能提出問題；學生需要對復雜的現象利用物理思維進行提煉和簡化，這是學生對探究問題進行初步思考和分析的過程；在形成猜想和假設階段，學生從運動合成角度進行分析，這是形成新問題和繼續深入探究的知識前提，幾種典型猜想就是基于對運動的分析，在新舊知識的沖突中產生新問題.其流程可表示為：觀察現象——誘發問題——提煉簡化——分析思考——提出新問題（猜想假設）.

二、設計實驗，獲取和處理信息

（一）依據猜想假設合理設計實驗

實驗設計1：用相機或手機在晚上直接對光點運動拍攝照片和視頻，然后對照片和視頻進行分析.拍攝的照片由于快門和曝光原因模糊不清，拍攝的視頻由于背景很暗而難以達到需要的效果，而且控制變量特別是控制速度有一定難度.

實驗設計2：在實驗室對觀察的現象進行模擬，設計為可操作的物理實驗，不僅可以有效利用實驗室現有器材，而且更容易進行變量控制.

所需器材有不同半徑的150mm長PVC圓管（外徑取[?]=50mm、110mm、160mm三種）、記號筆、PVC走線槽板（長1500mm，寬200mm）、鐵架臺（帶鐵夾）、雙面膠、手機、透明玻璃紙.

實驗步驟：①將PVC走線槽板一端用鐵夾固定，離固定端大約600mm處用雙面膠將其固定在水平桌面上，構成斜面；②在不同圓管上標記記號點和直徑標記點；③將同一圓管（[?]=160mm）從不同高度自由釋放，用手機拍攝其運動的視頻；④將不同半徑圓管從同一圓心高度自由釋放，同樣拍攝其視頻；⑤將拍攝的視頻利用利用暴風影音的逐幀播放功能，通過描點得到不同情況下記號點的軌跡（圖1）.

（二）對實驗結果進行處理分析

對實驗所得軌跡進行分析：①記號點軌跡為一段弧線，但不是圓弧；②記號點軌跡具有周期性，而且周期可以記為圖中A點運動到B點的時間間隔；③相同半徑不同速度的記號點軌跡相同，即記號點軌跡的形狀與速度無關；④不同半徑相同速度的記號點軌跡，其周期和振幅（水平面到最高點高度）不同，說明記號點的軌跡形狀與圓管半徑有關.

（三）在實驗設計中提升學生的創新意識

本探究實驗的設計既是思維上的創新過程，也是操作上的創造過程.進行探究實驗設計時，對實際現象進行模擬并能選取合適方法和器材，在實驗室中完成實驗并獲得實驗結果，整個過程都體現著學生思維上的創新和操作上的創造；后期對于實驗結果的處理方法，是受打點計時器打出紙帶的啟發進行的改進，相對于拍攝成照片進行合成處理，操作簡便易行，效果直觀明顯.在這個階段，實驗模擬和器材選用、有效控制相關變量（速度、半徑）和對實驗視頻進行處理是學生創新思維的亮點.

三、基于證據得出結論并作出合理解釋

（一）從理論的角度進行分析論證

標記點的運動軌跡是什么樣的曲線？這個曲線是否遵循什么規律？這些從實驗結果中都無法直接得出，因此要指導學生從理論上進行分析論證.從運動合成與分解的角度，對標記點軌跡規律的探討進行模型構建，將物理問題建構為數學模型：半徑為r的圓周上有一點P，隨著圓周一起向前無摩擦滾動前進，且前進的速度恒為v，求P點運動的軌跡方程.

以P為原點建立圖2所示直角坐標系.

設圓心O經過t時間運動到O1點，此時P點運動到P1點，且設P1點坐標為（x，y）.

t時間內P點純轉動經過的圓心角為[θ=vtr]，因此，P1點橫坐標[x=vt-rsinvtr]，縱坐標[y=r-rcosvtr]，故P點運動軌跡的參數方程為：[x=vt-rsinvtr]；[y=r-rcosvtr] .

學生對于這個參數方程所代表的軌跡，難以在大腦中形成直觀的形象，而且由這兩個關系式消去參數t得到P點的軌跡方程，在數學處理上也超出了學生的知識范圍，因此可以借助相關計算機軟件（本例借助于幾何畫板軟件）描繪出P點的運動軌跡，直觀形象地展示理論推導的結果，并且在軟件描繪點跡過程中可以改變相關參數.

由表格可以看出，軌跡的形狀與速度無關，只與半徑有關，理論分析的結論與實驗探究的結果完全一致.圖4為同我校攝影專業的教師一起拍攝的輪胎上一點的運動軌跡的照片.

（二）從分析論證中優化學生的思維品質

思維品質是學生在進行思維活動時表現出來的穩定的心理特征和傾向，本探究中的數學推理論證，是抓住實際問題的本質特性，既有助于學生掌握科學的研究方法，也有助于學生思維品質的提高.分析論證中學生產生的問題，教師應逐層析疑、縱深釋疑、耐心答疑，調動和保持學生思維的積極性；同時要引導學生運用科學的分析、綜合、判斷、推理以及比較、類比、歸納、演繹等多種邏輯思維方法，逐步提升學生的思維品質.[2]在此過程中，要防止出現思維的主觀性、片面性和無序性，同時要把握知識與思維的密切關系，知識結構越完整，思維依據就越充分，思維過程也越完整，思維效果也就越好.

四、對科學探究過程和結果進行交流、評估、反思的能力

（一）對探究結果進行交流探討

學生就實驗得到的曲線查閱了大量資料，知道該曲線叫做滾輪線，然后就人們對滾輪線認識歷程中的一些問題，結合科學探究過程進行交流和討論.很久以前人們就開始注意到了滾輪線.惠更斯將其對滾輪線的研究成果寫進他在1673年發表的《鐘表的振動》一書中.滾輪線與物理學之間的聯系并不限于等時擺，瑞士數學家約翰·伯努利在1696年的《教師月報》上提出了當時被稱為“最速降線”的問題，伽利略在1630年和1638年就研究過這個問題，并給出了“圓弧曲線”的結論（這個結論并不正確）.牛頓、萊布尼茨和雅克布·伯努利等在1697年《教師月報》上都發表了相關的研究成果.在雅克布·伯努利具有普遍意義的解釋的基礎上誕生了一門新的數學分之——變分法.

（二）對探究結果進行遷移應用

在高中物理課程中，也經常有滾輪線的身影.下題是常見的題型：

如圖5所示，水平放置的兩個正對帶電金屬板MN、PQ間存在相互垂直的勻強電場和勻強磁場.在a點由靜止釋放一質量為m，電荷量為+q的微粒，微粒將沿曲線acb運動，到達b點時速度為零，所用時間為t，c點是曲線上離MN板最遠的點.已知重力加速度為g，不計微粒所受空氣阻力.則下列說法中正確的是（ ）

A.a、b兩點在同一水平線上

B.微粒到達b點后將沿bca的路徑返回

C.從b點開始到下一次速度為零的時間將小于t

D.微粒在c點的電勢能最低

該微粒的軌跡為向下的滾輪線，由滾輪線的特點可以很快得出：ab兩點等高，微粒達到b點后將繼續向右做周期性運動，因此B、C選項錯誤，由a到c電場力做正功，電勢能減少，所以c點電勢能最低，故正確選項為AD.高考題中對滾輪線也屢有涉及，如福建2013年理科綜合試題（物理部分）第22題，江蘇省2008年物理試題第14題等.

（三）在評估交流中培養學生的反思意識

評估和反思是學生自我提升的最佳途徑，意味著學生在科學探究中的自我修正和強化、主動應對和自我調整，讓學生從舊有模式和固定思維中跳出來，從而實現自我教育與發展.在本探究中，假設猜想是否合理、探究數據是否合理準確、結論能否與實際現象符合等，這些都需要學生具有一定的評估能力.評估也是對實驗探究的反思過程，波斯納認為，“沒有反思的經驗是狹隘的經驗，至多只能形成膚淺的知識”.培養良好的反思意識，養成良好的反思習慣，提升反思的能力和水平，可以使學生不斷地完善和優化自我學習的策略，促進發展核心素養的提升.[3]

總之，在實際探究過程中，探究的各個要素之間并沒有非此即彼的明確界限，某個要素可以促進學生進行多方面的能力提升，某種能力可以在多個要素中進行體現，究其目的，就是為了更好地幫助學生領悟探究本質，增強探究意識，提升探究能力.

參考文獻：

[1] 徐衛華.高中物理教學中科學探究要素的發掘與滲透[J].物理教師，2017（10）：12-14.

[2]王慧君.科學探究的本質特征[J].河南科技學院學報，2010（11）：81-84.

[3]田慧生.落實立德樹人根本任務全面深化課程教學改革[J].課程·教材·教法，2015（1）：3-8.