中學物理“探 做 析”實驗教學初探
——以“探究恒力做功與動能變化的關(guān)系”為例①

(陜西省安康市教學研究室，陜西 安康 725000)

科學探究對于培養(yǎng)學生學科核心素養(yǎng)意義重大，然而在陜南多所高中調(diào)研發(fā)現(xiàn)：作為科學探究的實踐載體——實驗教學一直是中學物理教學的薄弱環(huán)節(jié)，存在課時安排不足、教學組織單一、探究能力偏差、弱化傾向普遍等問題，沒有體現(xiàn)實驗教學在提高學生核心素養(yǎng)方面的價值。如何有效發(fā)揮實驗教學的作用，提升實驗教學效益？從2016年10月起，我們開始了中學物理“探 做 析”實驗教學課題研究，通過融入科學探究思想，重構(gòu)教學組織環(huán)節(jié)，推動中學物理實驗教學改革。

1 科學探究的能力表現(xiàn)及內(nèi)涵

科學探究包括問題、證據(jù)、解釋、交流等要素，其內(nèi)涵為：(1) 科學探究是獲取科學知識的主要途徑，是通過多種方法尋找證據(jù)，運用創(chuàng)造性思維和邏輯推理解決問題，并通過評價與交流等方式形成共識的過程。(2) 科學探究需要圍繞焦點問題設計研究方案，通過收集和分析信息獲取證據(jù)，經(jīng)過推理得出結(jié)論，并通過有效的表達與他人交流探究結(jié)果和觀點。(3) 通過科學探究形成的科學知識在一定階段是正確的，但是隨著新證據(jù)的增加，會不斷完善，甚至會發(fā)展變化。(4) 科學探究不僅是一種綜合能力，而且是學習物理的主要方式，在科學探究中，發(fā)展學習能力、思維能力、實踐能力和創(chuàng)新能力，以及運用科學語言與他人交流和溝通的能力。

2 中學物理“探 做 析”實驗教學理論探討

2.1 中學物理實驗教學的意義

中學物理實驗教學具有明確的目的性、系統(tǒng)的探究性、科學的育人性，成為科學探究教學中最直接、最有效的形式。物理實驗對于建立物理觀念、內(nèi)化概念規(guī)律、培養(yǎng)探究能力、認識科學本質(zhì)具有重要的作用，同時物理實驗也是發(fā)展科學思維、培養(yǎng)科學態(tài)度(好奇心與求知欲、實事求是、追求創(chuàng)新、合作分享)的關(guān)鍵途徑。

2.2 中學物理“探 做 析”實驗教學框架

我們課題組選擇從優(yōu)化實驗教學組織方式入手，提出實驗教學的主要流程為“探 做 析”三環(huán)節(jié)，其教學框架如圖1所示。

圖1

第一環(huán)節(jié)“探”：探究方案，評估優(yōu)選。是指在教師的引導下，學生小組(個體)遵循安全性、精確性、可行性原則，對某一個物理實驗進行猜想和假設，進而提出操作方案，各小組的方案在組間評價過程中進一步完善。具體探究評估順序可為探原理、探器材(裝置)、探步驟、探證據(jù)記錄方式等，基本流程如圖2。本環(huán)節(jié)的核心素養(yǎng)培育目標為：深刻理解物理原理，正確建構(gòu)物理模型，嚴密論證設計方案，勇于質(zhì)疑創(chuàng)新。

第二環(huán)節(jié)“做”：操作獲證，體驗感受。學生按照優(yōu)選的實驗方案分工協(xié)作，動手操作，基本流程如圖3。本環(huán)節(jié)核心素養(yǎng)培育目標為：培養(yǎng)動手操作意識，掌握基本操作規(guī)范，養(yǎng)成良好操作習慣，培育合作學習精神。

第三環(huán)節(jié)“析”：分析歸納，反思提高。完成實驗操作之后，引導學生分析實驗證據(jù)，總結(jié)實驗結(jié)論；反思實驗過程，評價實驗成效；檢測實驗成效，放大實驗效果。其流程如圖4，本環(huán)節(jié)核心素養(yǎng)培育目標為：培養(yǎng)學生的問題意識，學生有解決問題的愿望；培養(yǎng)學生的證據(jù)意識，運用理性思維推理論證，質(zhì)疑創(chuàng)新；培養(yǎng)學生的合作分享意識，通過討論交流，解決問題。

圖4

2.3 中學物理“探 做 析”實驗教學原則

2.3.1 問題誘導原則

學生對于物理實驗興趣保持時間較短，對于實驗方案的初期構(gòu)想往往也過于發(fā)散，缺乏方向性，提出的實驗方案通常帶有很強的理想化色彩，與實際操作諸如實驗環(huán)境、實驗器材、實驗操作的可行性等有較大距離。因此，教師需要通過情境創(chuàng)設、問題誘導等教學活動，引導其向著理性化方向發(fā)展，同時要營造民主、平等的氛圍，促進學生充分發(fā)揮想象。

2.3.2 適度參與原則

在學生提出方案構(gòu)想、制定實施方案、分組操作實踐的過程中，教師要參與到小組的具體活動當中，體會學生思維“短板”、觀察小組活動開展情況、指導問題解決、協(xié)調(diào)成員角色互換，充當好參與者和觀察者角色，要“到位”而不能“越位”，可提出建議，但不可過多干預甚至替代學生制定方案或動手操作，切忌越俎代庖。

2.3.3 層次遞進原則

《普通高中物理課程標準》(2017年版)將學業(yè)質(zhì)量水平劃分為五個等級，在制定“探 做 析”實驗教學目標時，要對照“科學探究”質(zhì)量水平描述，進行遞進設計，對于初次接觸實驗的中學生要進行適當培訓，從水平2起步，逐步提升。

3 中學物理“探 做 析”實驗教學設計案例

課題組歷時近兩年，完成了高中物理力學實驗“探 做 析”三環(huán)節(jié)兩輪次教學實踐探索，總結(jié)出了相對成熟的“探 做 析”實驗學案設計模式與教學組織流程，現(xiàn)以“探究恒力做功與動能變化的關(guān)系”為例，展示實驗教學實踐。

3.1 學情分析

本節(jié)課之前學生已經(jīng)學習了功、功率、動能等概念，能夠理解并計算合力做功、物體動能，并有運動學規(guī)律、牛頓運動定律、曲線運動等知識鋪墊，知道合力做功與動能變化之間存在著聯(lián)系。

3.2 教學過程

“探究恒力做功與動能變化的關(guān)系”的教學過程如表1所示。

3.3 方案展示

在“探 做 析”三環(huán)節(jié)實驗教學實施過程中，實驗方案設計、評估優(yōu)選環(huán)節(jié)可謂百花齊放，學生思維活躍、爭先恐后，學習小組選擇方案并優(yōu)化完善，展示交流精彩紛呈，評估優(yōu)選據(jù)理力爭，現(xiàn)摘選主要實驗方案展示如下。

(1) 重物(或小球)做自由落體運動

圖5

(2)重物拖動小車(或滑塊)在水平面上做勻加速直線運動

圖6

圖7

有小組通過改變實驗器材，利用力傳感器、兩個光電門傳感器，同樣可探究WAB與ΔEk的關(guān)系(如圖7)。

4 結(jié)語

中學物理“探 做 析”實驗教學旨在以實驗教學為載體，讓學生經(jīng)歷提出科學問題、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(jù)得出結(jié)論并作出解釋等，完整體驗科學探究過程，發(fā)揮科學探究對于學生物理觀念的形成、科學思維的培養(yǎng)功能，進而使學生形成對科學、技術(shù)、社會、環(huán)境應有的正確態(tài)度和社會責任感。

“探 做 析”實驗教學三環(huán)節(jié)，與科學探究主要內(nèi)容“問題、證據(jù)、解釋、交流”存在著緊密的內(nèi)在聯(lián)系(如圖8)，科學探究的具體內(nèi)容在“探做 析”實驗教學各個環(huán)節(jié)中均有滲透，通過引導學生開展自主合作探究，培養(yǎng)學生學科核心素養(yǎng)，取得良好效果，教師的教育教學理念和教學組織方式發(fā)生了很大轉(zhuǎn)變，學生探究實驗的興趣明顯增強，教學質(zhì)量也同步提高。

圖8

當然，欲使“探 做 析”實驗教學扎實推進、切實有效，還需把握好選擇性、漸進性，在持續(xù)推進中深入研究，真正體現(xiàn)“教師主導、學生主體”，把科學探究的思想方法滲透到教學活動中去，最終達到預期的教學效果。