核心素養視域下高中物理實驗教學中的科學思維培養分析

虞琴

【內容摘要】自新課程改革實施以來，核心素養逐漸成為學科教學的根本目標，高中物理教學也不例外。高中物理核心素養由“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態度與責任”四部分組成，其中“科學思維”是其他素養發展的思想支撐，充分體現了物理學科的特點，對培養學生科學素養尤為重要。為此，本文立足核心素養，以高中物理實驗教學為例，分析科學思維的具體培養策略。

【關鍵詞】核心素養? 高中物理實驗? 科學思維? 策略

隨著時代科技與經濟的飛速發展，國際競爭越來越激烈，其中人才所具備的核心素養是競爭的主要指標之一。在此背景下，我國新課程改革提出了對學科核心素養的培養，要求學生掌握適應個人終身發展和社會發展需要的品質與能力。物理作為一門自然學科，與生產生活存在很大聯系，在教育教學中非常重視對學生物理核心素養的培養。科學思維是物理核心素養的組成內容之一，強化學生科學思維發展提高學生思維認知，還有助于激發對科學研究的動機和創新意識，實現對邏輯思維和抽象思維的發展，提高思維遷移能力和問題解決能力。而實驗又具有一定探究性和實踐性，是思維培養的有效途徑。可見，探究核心素養視域下高中物理實驗教學中科學思維的培養具有很強的可行性。

一、物理實驗教學與核心素養的培養

物理作為一門自然學科，離不開實驗探究，很多物理規律和知識本質都是在實驗探究中得到的。從理論知識角度來看，物理學科中的大部分概念、規律直接來源于實踐，通過對富有感性材料的理解與實踐，實現物理概念的建立，理解物理規律，深刻掌握物理觀念。從實驗教學來看，高中物理實驗包括驗證性實驗、研究性實驗、探究性實驗以及測量性實驗等，學生可以在不同實驗中通過對物理現象和過程的觀察與分析，構建出物理模型，利用相關證據獲得正確數據，促進科學論證、科學推理以及科學思維的發展。從實驗探究來看，大多數高中物理實驗與生活息息相關，學生可以根據自身生活經驗進行自主探究。但生活中的物理現象千變萬化，要想實現生活、物理現象與物理知識探究相結合，教師必須引導學生學會從各個角度思考問題、提出問題，并作出合理的猜想，通過制定實驗方案、設計實驗過程、處理實驗數據得出合理結論，驗證最初猜想。這一過程，能夠促進學生多種學習能力的發展，包括模型構建能力、推理論證能力、科學探究能力等。由此可見，物理實驗教學是培養學生核心素養的有效途徑。

二、科學思維的具體內容分析

筆者通過參考相關文獻總結得出，高中生在物理學習中需要具備的科學思維包括邏輯思維、抽象思維、逆向思維、發散思維、批判思維和創新思維幾方面，這六大思維共同組成了科學思維的骨架。在高中物理實驗教學中，要想實現對學生科學思維的培養，必須從六大思維的培養入手，在此基礎上要善于分析怎樣培養科學思維。

科學思維培養的最終目的是提高學生問題解決能力，但實際問題解決與課堂教學問題設計存在一定差別，實際問題存在很大的可變性，為了讓學生能夠從課堂問題有效過渡到實際問題，學會舉一反三，學以致用，離不開對學生思維遷移能力的培養，這些屬于科學思維的教學內容。教學實踐中要引導學生分析問題情境的相似性，掌握本質，排除干擾信息，篩選核心信息，增強思維靈活性。

思維是一種內化形式，但經過一些培養引導后，會外顯為兩種形式，分別為學生對思維方法的掌握（分析、推理、論證、批判、質疑、創新）和思維能力的形成（構建物理模型、學會多角度思考、多維度審視、擁有證據意識等）。這兩種形式是檢驗學生科學思維發展水平的有效指標，也是獲取問題解決策略的有效途徑，物理實驗教學中教師要重視對學生思維外化形式的引導和培養，促進思維遷移。

三、高中物理實驗分類及科學思維培養分析

1.探究性實驗

探究性實驗是新課程改革下的新型實驗，操作上具有嘗試性，結果具有不定向性，是培養學生科學思維的有效途徑之一。人教版高中物理的探究性實驗主要包括探究彈簧彈力與變形關系、探究加速度與物體受力和物體質量的關系、探究平拋運動特點、探究向心力大小與半徑、角速度和質量的關系等，不同探究性實驗中培養學生的思維方向也不同。比如在“探究平拋運動特點”的實驗中，通過實驗猜想，在實驗數據處理過程中滲透的“化曲為直”方法，既體現了抽象思維，又體現了創新思維。

2.測量性實驗

測量性實驗主要在獲取數據和處理數據中應用比較頻繁，并且對數學工具的依賴性比較大。高中物理的測量性實驗主要包括測量作直線運動物體的瞬時速度、測量金屬絲的電阻率、測量電源的電動勢和內阻等，主要集中于對學生邏輯抽象思維、發散思維和創新思維的培養。以“測量作直線運動物體的瞬時速度”實驗為例，借助速度計算公式應用平均值法和圖像法進行數據處理，具有鮮明的數學特征，能夠培養學生邏輯思維。

3.研究性實驗

研究性實驗又可以稱為啟發性實驗，實驗中教師是主要的操作者，采取啟發的方式，誘導學生闡述自己的觀點，并做出相應判斷。高中物理中的研究性實驗包括觀察電容器的充電和放電現象、長度的測量以及測量工具的選用等。以“電容器的充放電現象”實現教學為例，要求學生在教師操作結束后，能夠從不同角度對觀察結果進行描述，提出質疑，促進批判性思維發展。

4.驗證性實驗

該實驗主要用于驗證某一結論的正確性，它與探究性實驗相反，是針對已經發現的知識進行“逆向”分析。此類實驗在設計和操作選擇階段具有很強的靈活性、邏輯性和創新性，有利于實現對學生發散性思維、邏輯思維和創新思維的培養。高中物理實驗中的驗證性實驗包括驗證機械能守恒定律、驗證動量守恒定律等。不同實驗驗證方向不同，實驗設計過程也不同，對學生科學思維的培養自然也不同。

四、核心素養視域下高中物理實驗教學中培養學生科學思維的策略

1.創設實驗情境，培養學生質疑精神

實驗教學離不開情境創設，在情境中學生不僅能夠更好地理解知識，還可以實現情感發展。為此，高中物理教師要注重以實驗的方式為學生創設一個貼近實際生活的課堂情境，并設計一系列問題，引發學生認知沖突，激發探究意識。實驗本身具有很強的實踐性和趣味性，能夠使學生注意力快速集中。此外，為了讓學生在實驗探究中處于一種“心求通而未得”的狀態，所設計的問題要遵循最近發展區原理，符合學生已有的認知水平，使學生通過獨立思考和小組討論能夠得到相關答案，從而促進思維發展。

比如在“探究加速度與物體受力、物體質量的關系”實驗中，教師可以采用控制變量法為學生創設不同的情境，情境一：選擇相同質量的物理，給予不同的受力，觀察加速度變化;情境二：選擇不同質量的物體，給予相同的受力，觀察加速度變化。讓學生分組做實驗定性討論。之后有的學生會提出疑問“不同物體在同一水平面上所受的摩擦力不同，如何消除實驗中摩擦力的影響？”這一問題充分體現了學生的質疑精神，有利于思維發展。

2.強化學生體驗，鍛煉科學探究能力

在理論知識學習中，學生記住了物理概念和規律，但并不意味著建立了物理觀念，能夠運用所學知識解釋和解決生活中遇到的現象和問題，擁有了科學思維。因此，在高中物理實驗教學中，教師仍然需要鼓勵學生自主設計實驗，親身投入到實驗實踐中，鍛煉科學探究能力。比如在“測量電源的電動勢和內阻”實驗中，要引導學生親自探究。在此之前，學生已經學習過閉合電路歐姆定律，引導學生根據閉合電路歐姆定律的不同表達式，自主設計和制定實驗方案，可以選擇電壓表和電流表，也可以選擇電流表和電阻箱等，不限制實驗工具的選擇，給予學生一定的自由性，使其能夠充分發揮自身想象力和探究能力。此外該實驗中存在著一定安全隱患，以伏安法測電阻為例，如果電路短路，電路中電流過大，會損壞電表和電池，因此在調節滑動變阻器時要防止電阻為零的情況發生。設計完實驗后，鼓勵學生進行實驗操作，獲取實驗數據，由歐姆定律公式：U=E-Ir，以I為橫坐標，U為縱坐標，做出U-I圖像，利用圖像法求出電池的電動勢和電阻。該實驗過程的體驗，既鍛煉了學生數據處理能力，又培養了分析論證能力和科學探究能力，有利于形成嚴謹務實的科學態度。

3.滲透實驗方法，培養模型構建思維

實驗方法是物理實驗開展的有效手段，本質上是處理問題的程式化工具。在物理實驗中，實驗方法具有一定的隱蔽性，會影響實踐中的操作有效性。因此，高中物理教師要注重物理實驗方法的滲透，一方面提高學生實驗探究能力，另一方面增強實驗教學的有效性。學生掌握一定實驗方法有利于促進模型構建思維的發展，增強科學思維。

以“化曲為直”的方法為例，該方法主要為了驗證牛頓第二定律，將a-m圖像變為a-1/m圖像后，二者的關系也就由隱形的曲線變為了直觀的直線關系，學生再遇到此類問題時，會想到利用“化曲為直”的方法進行解決。再比如“圖像法”，該方法是數據處理的常用方法之一，通過選擇適當的坐標，以描點畫圖的方式展現物理量之間的函數關系，分析斜率、截距、所包圍的面積，找出物理量之間存在的變化關系，從而構建物理模型。由此可見，實驗方法是物理實驗教學的靈魂，教師必須幫助學生掌握實驗方法，學會從本質屬性升華出物理模型。

4.建立開放性實驗，滲透科學技術理念

現代化教育中學科教學不應該再局限于課堂，要善于利用現有條件，構建第二課堂，帶領學生走進社會，感受生活。高中物理實驗教學也不例外，教師要善于建立開放性實驗，讓學生根據所要解決的問題自主選擇實驗儀器，設計實驗方案，激發學生學習和研究物理的興趣與內在動機。通過課外實驗，讓學生充分意識到物理來源于生活，又服務于生活，從而將自己的生活經驗和已有知識相融合，開拓眼界，提高問題解決能力，了解科學、技術與社會之間的關系，逐漸學會從多個角度思考物理實驗，促進創新思維發展。

結語

綜上所述，核心素養視域下的高中物理教學要注重對學生學科素養的培養，特別是科學素養。教師首先要充分了解科學素養的具體教學內容與價值，并以此為基礎，結合具體實驗教學內容優化教學策略，提高學生實驗學習能力，促進綜合思維發展。

【參考文獻】

[1] 高振偉、周嵐. 基于“核心素養”的高中物理實驗課教學策略研究[J]. 科教文匯（中旬刊），2018（12）：114-115.

[2] 徐衛華. 發展“科學思維”素養的探索與思考——以“伽利略對自由落體運動的研究”教學為例[J]. 物理教師，2019，40（10）：8-11.

[3] 胡思凡、劉竹琴. 核心素養導向下高中物理實驗教學策略研究[J]. 科技風，2020（01）：45.

[4] 王太軍. 指向核心素養的生活化創新物理實驗研究[J]. 物理教師，2020，41（03）：32-36.

【本文為江蘇省“十三五”教研課題“高中物理實驗教學中提升學生‘科學思維能力的實踐研究”成果，課題編號：2019JK13-ZB80。】

（作者單位：江蘇省泰興市第二高級中學）