科學探究在物理教學中的應用

王瑞

【摘 要】本文以一節課堂教學實例為例，論述科學探究對提升學生核心素養的作用。

【關鍵詞】科學探究;核心素養;物理教學

在新課標、新課程背景下，教育部指出：新高考背景下，如何把物理核心素養落實到課堂教學中，是目前我們應首要解決的問題。物理核心素養四要素分別是：物理觀念、科學思維、科學探究和科學態度與責任。科學探究是指基于觀察和實驗提出物理問題、形成猜想和假設、設計實驗與制作方案、獲取和處理信息、基于證據得出結論并作出解釋，以及對科學探究過程和結果進行交流、評估、反思的能力，主要包括問題、證據、解釋、交流等要素。科學探究能夠充分調動學生的積極性、主動性，并讓學生親身體驗到通過自己努力獲得知識的快樂。這樣既能開拓學生的思維領域，又能培養學生研究問題的科學方法。科學探究是指在教師的指導下，學生應用已學知識和技巧，自己設計實驗，探索物理概念或規律，從而獲得知識的方法，其模式可歸納為以下五個環節：

（1）教師創設物理情景，提出要解決的問題;

（2）引導學生針對問題進行思維活動，提出合理的猜想;

（3）引導學生設計各種實驗方案驗證猜想，共同討論并確定最佳實驗方案;

（4）根據最佳方案進行分組實驗，取得實驗數據，引導學生對實驗數據進行分析、判斷，從而得到正確結論，獲得知識;

（5）引導學生將從探究中得到的知識加以應用。

下面是“玻意耳定律”的課堂教學實例，希望能給大家一點參考。

1.創設情景

展示一杯染紅的水，一個兩端開口、粗細適度的玻璃管，一個裝有清水的杯。

提出問題：你能否在不移動兩個杯子的情況下將紅色的水送至裝有清水的杯中？

有學生演示玻璃管插入水中后，用大拇指堵住上端開口，然后奇跡般地將水提出來，再送入空杯后，松開堵住玻璃管上開口的大拇指，水流入杯中。

教師提出問題：是什么原因使剛才的水被提了出來？

學生大都能據初中所學知識回答是大氣壓的作用。

教師提問：被堵住的氣體有沒有氣壓？

學生：有！

教師：管外有氣壓，管內有氣壓，為什么水還能被提起來？

學生答：管內外氣壓不等。

教師進一步提問：管內氣壓大還是管外氣壓大？

學生答：管外氣壓大。

教師：在剛堵住管口而沒有向上提時其壓強與外氣壓一樣大嗎？

學生答：一樣大。

教師：為什么提起來后管內壓強比管外小了？請大家討論三分鐘，并自由發言。

教師在學生發言的基礎上引導分析：這很可能是由于水有重力作用，往下掉的同時導致管內封閉氣體體積變大而導致其壓強減小的結果。說明被封閉的一定質量的氣體的壓強與體積是相互聯系的。再根據學生日常熱脹冷縮的生活經驗指出，如果給管內封閉氣體加熱水會繼續往下掉，是由于在氣體體積未變時溫度升高壓強變大的緣故，指出一定質量的氣體壓強還與溫度有關。

教師：氣體的壓強P、體積V、溫度T是相互聯系的，那么要研究這三個量之間的關系，思路應如何呢？

學生回答：先保持其中一個量不變，確定另外兩個量的關系，再研究三個量同時變化時所遵循的規律（控制變量法），教師指出，這節課要研究的是——一定質量的氣體，當溫度不變時，它的壓強與體積有什么關系？

2.進行猜想

有學生說：氣體的體積增大，壓強也隨之增大，它們之間可能成正比;有的持相反意見，認為氣體體積增大，壓強會減小，壓強與體積可能成反比等。

教師不表態，指出：“實踐是檢驗真理的唯一標準，請同學們設計實驗來研究。”

3.設計實驗

要求各組（四人為一組）獨立設計實驗，設計實驗時要考慮以下幾個問題：

（1）如何獲得一定質量的氣體;

（2）如何保持其溫度不變;

（3）如何多次改變氣體的體積與壓強，并能測出每次體積與壓強的數值。

學生根據老師的提示，設計了多組實驗，教師在多組實驗中選出甲、乙、丙三組實驗，進行總結、評估。

甲、乙、丙回答問題（1）：氣體體積可先量出管內氣體長度，乘以橫截面積即可。

甲組回答問題（3）：通過氣壓計讀出外界壓強，再通過兩管水銀柱高度差算出封閉氣體壓強，由于是軟管，可以多次實驗，讀出多組數據。

乙組回答問題（3）：提高或降低管頂的高度，封閉氣體的體積會改變，從而壓強也改變，平衡后，可從管內和槽中水銀面高度差及氣壓計算出封閉氣體壓強，多次這樣提高或降低管頂的高度，可讀出多次實驗數據。

丙組回答問題（3）：傾斜U型管，可多次改變氣體體積及壓強，壓強可由兩管水銀面高度差及氣壓計讀出的大氣壓算出。

此外，三組實驗只要每個實驗都同時操作，均能保持溫度不變。

4.評價

教師：上面幾組的設計非常精妙，也符合實驗要求。但哪個測量得更準確，操作更簡便呢？

學生討論，發表見解，最后確定甲方案在測量上更準確、操作上更簡單，為最佳實驗方案。

5.分組實驗，取得數據

h——兩管水銀面高度差 P——密閉氣體壓強

L——密閉氣體長度

6.由于氣體的體積V增大時，壓強P就減少，所以首先想到它們之間可能成反比，隨即提出兩種驗證方法

（1）看P、V乘積是否為一恒量;

（2）畫出p—1/V的圖像，看看是否為一條過原點的直線。

7.得出結論并應用

從數據中得到玻意耳定律并再次強調它得出的實驗條件，應用時要注意是否滿足這些條件。

在物理教學中，還有很多知識可采用科學探究的方式，如 “胡克定律”“電阻率”等，從教學實踐效果來看，這種教學模式不僅使得課堂變得活躍，而且對培養學生的創造能力、動手能力、自我解決問題的能力、合作精神，以及對學生適應終身發展和社會發展需要的必備品格和關鍵能力的提高，都行之有效，學生的核心素養也會隨之提高。