基于科學思維培養的初中物理實驗教學研究

申屠英軍

【摘要】初中物理是一門邏輯體系嚴密的學科，學習物理知識要具有一定的科學思維，才能深入理解、掌握以及應用知識。科學思維讓學生從“學會”轉為“會學”，基于此，本文將從物理科學思維四大基本要素，對初中物理實驗教學策略進行研究。

【關鍵詞】初中物理? 科學思維? 實驗教學

【中圖分類號】G633.7 ? 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2021）40-0106-03

對于物理學核心素養而言，科學思維是非常重要的組成部分，具體包括模型建構、科學推理、科學論證以及質疑創新四大基本要素。以物理科學思維為指引，對初中物理實驗教學進行實施，能夠促進學生從物理學角度入手，將問題轉化成為常見物理模型，然后通過科學推理論證，進而解決問題，使其在實踐過程中形成質疑以及創新的意識。因此，研究基于科學思維培養的初中物理實驗教學具有一定的理論意義以及現實意義。

一、初中物理科學思維

未來將會全面實施新的義務教育科學課程標準，北師大的林崇德以及陜西師范大學胡衛平等學者對科學思維的研究，目前是全國最高水平，并進一步明確了科學思維的定義，即：從科學的視角對客觀事物本質屬性、內在規律以及相互關系的認識方式。主要體現在以經驗事實為基礎建構模型的抽象概括過程;分析與綜合、比較與分類、推理與論證等思維方法在科學中的應用;基于證據與邏輯，能夠將自己的見解清晰表達;或者是對不同觀點、結論以及方案提出質疑與批判、檢驗與修正，并能夠提出創造性見解方案。簡而言之，科學思維具體包括模型建構、推理論證、創新思維等。

初中物理教學要注重學生科學思維培養，若要達到理想的培養成效，首先要弄清楚當前科學思維的內涵以及未來科學思維發展的趨勢。結合初中物理教學特點以及科學思維的定義，并結合初中生特點，本文認為初中生物理科學思維由這些部分組成：

第一，模型建構能力，認識以及應用簡單的物理模型，能夠在熟悉的問題情境中對常見物理模型進行應用。第二，科學推理能力，包括對日常生活中的常見現象進行概括，也包括使用一些基本物理概念、規律等對物理問題做假設的演繹模型。第三，科學論證能力，對于初中生而言，是否可以進行正確的猜想與假設，能夠充分體現其科學論證能力。簡單來講，學生需要針對某一個物理問題提出猜想或者是假設，然后選擇恰當方式對猜想進行驗證。第四，創新與質疑精神。創新與質疑可以說是學生對知識的一種探索欲望，如果學生不具備創新與質疑精神，不僅無法對其知識應用狀況進行檢驗，而且也難以實現創新[1]。

此外，筆者對初中生科學思維能力進行了一定程度的調查，結果是：（1）大部分初中生對物理知識具有興趣，特別是生活中的一些物理現象，他們比較好奇，思維也比較活躍;但對事物認識程度比較淺，特別是抽象概念理解起來比較難;（2）大部分學生認識到模型的作用，但是如何構建模型解決問題的能力不足;（3）對于簡單問題，學生能夠進行科學推理，也能夠得出結論，但是不夠全面，意味著推理能力需要著重提升;（4）大部分學生擁有質疑與創新意識，也愿意與其他同學討論物理問題，但因為知識系統不全面、不系統，所以質疑與創新目前還處于思維活動層面，學以致用方面比較薄弱[2]。

綜上所述，在初中物理實驗教學培養學生科學思維迫在眉睫，因此，筆者結合物理科學思維定義、初中生特點、初中生科學思維調查結果以及科學思維未來發展趨勢，進而對具體的教學策略進行探討。

二、基于科學思維培養的初中物理實驗教學策略

（一）模型建構

對于模型建構而言，主要是引導學生通過發展思維模型對問題進行認識、思考以及研究，然后以簡單化、理想化的東西予以表示。學習物理必然涉及到模型建構，因為模型是一種思維工具，能夠讓學生的思維變得可視化，也就是可以將一些復雜、抽象的問題具體化以及簡單化。在實驗教學中，要培養學生模型建構的能力，需要讓其參與實驗設計，例如，繪制實驗設計圖、裝置圖等，將能夠幫助學生加深對知識的印象[3]。

例如在對“光的發射定律”進行教學時，由于相關因素的影響以及限制，很多課堂只是由教師演示操作，然后告訴學生哪一條是入射角、反射光線、入射光線、反射定律、法線等，并進行測量，然后掌握定律。這樣的教學方式效率是高，但大部分學生難以真正理解以及應用知識。

為了能夠達到更好的效果，可以通過這樣的實驗以及設計。（1）將三束光同時打開，此時可以看到有三個與鏡面垂直的平面（通過紙板進行演示）;同時，這三個平面正好相交于一條直線。從眾多實驗可以看出，入射到O點的入射光線與反射光線之間所形成的平面，會通過這條公共直線經過，借助模型建構，提取出公共直線，并對其與鏡面的角度進行測量，為90°，也就是法線（如圖1所示）。

要對“三線供面”進行驗證，需要在同一平面并排放置兩塊紙板，那么怎樣放置才是不同平面呢？此時，需要由學生參與演示翻折為不同面，如果平面內有一條法線或者是入射光線，大家可以自主思考、設計對比實驗，對其反射光線是否在平面內進行證明。接下來由學生按照模型自制演示實驗裝置：將法線作為軸線，然后將右側背景板進行向右旋轉，此時，大家可以在同一個平面之內看到發射光;如果再朝后翻折，那么將不會看到發射光，這就意味著法線、入射光線、反射光線在同一個平面之內（如圖2所示）。

隨后增加法線，在模型上通過背景板或者是量角器，將反射光線插上，并修正模型，這樣就能夠理解到“光的反射定律”（如圖3所示）。

基于模型建構的實驗教學，整個過程引導學生進行操作，使其思維變得可視化、簡單化，進而將其中的原理弄明白，這樣才算是真正掌握知識[4]。

（二）科學推理

所謂科學推理，也就是由一個或者是多個已知的判斷，然后對未知結論進行推導。要學好以及用好物理知識，那么就必須進行科學推理，推理要用到證據，簡單而言，就是要以事實為基礎進行推理。例如，將吸盤（掛有重物）用力按壓在豎直玻璃表面，不會掉下來（如圖4“甲”所示）。思考是什么樣的力可以讓其不掉下來？經過實驗可以得到結論：因為大氣壓的原因，讓吸盤壓在表面。關于這個結論，通常大部分學生都順其自然的接受了。

接著，我們可以提出這樣一個問題：“這個結論是真的嗎？可否設計實驗證明，通過科學推理出來一個規律讓大家都認可。”在教師引導下，學生進行思維設計，比如說，在沒有大氣壓的環境中這樣放置吸盤會不會掉下來？以此為切入點設計實驗（如圖4“乙”所示），玻璃鐘罩內的空氣用抽氣機抽出，發現吸盤開始下滑。深入推理：我們打算將玻璃鐘罩抽成真空，這意味著吸盤將失去“吸力”。大氣壓相關知識很抽象，即使實驗大部分學生也僅能看到一些表象，難以推理原理，所以，實驗過程中出現一些“走馬觀花”的情況。為此，以實驗為基礎，結合證據進行推理，再對原理歸納，將能夠有效培養學生的科學思維[5]。

（三）科學論證

對于科學論證而言，要基于概念、規律、科學事實等，借助推理方法，證明某種觀點是否正確。從實驗教學來看，尤其遇到相關變量很接近這種情況時，部分教師卻未給學生進行科學論證的契機，通常是直接給結論，這種死記硬背的模式，將不利于學生科學思維的發展。實驗中應當給予更多的證據與實施，引導學生分析，盡可能使其將猜想與數據、事實結合，并對事實與自己猜想之間的邏輯關系進行分析，然后論證出定律、規律、原理等。例如在對“光的直線傳播”相關知識教學時，利用“一束激光射入玻璃、水、空氣中”的實驗，可以得到結論“在同一種均勻物質之中，光是沿著直線傳播的”。這個結論大部分學生接受狀態都是“囫圇吞棗”。實驗就是要讓學生明白其中原理，所以，要通過實驗進行論證。可以對實驗進行改進，硫代酸鈉溶液通過長頸漏斗直到盛有水的玻璃缸的底部，讓液體變得不均勻。利用激光筆射入，發現光傳播路徑變彎曲;通過玻璃棒將液體攪均勻，然后再用激光筆射入，發現光沿直線傳播（如圖5所示）。通過對比實驗進行科學論證，非常有利于幫助學生加深對知識的印象[6]。

（四）質疑創新

質疑創新要求學生具有一定的批判性思維，但是要以一種反思、合理、心靈開發的方式進行，并能夠精準表達、嚴謹推理、合理論證，非常有利于培養學生的思辨精神。在實驗教學中，我們應該多鼓勵學生質疑創新，讓學生能夠大膽提出各種觀點，然后與學生一起對觀點進行探究，直到找到答案為止。

以“影響摩擦力大小的因素”實驗為例，教材上的結論部分學生均能夠“全盤接受”，也有學生產生了質疑。如（圖6“乙”所示），將砝碼放置木塊上，木板與長木板之間的壓力增大，對木塊運動過程中所受到的摩擦力進行測量，部分學生提出了不同的難點：不一定是壓力增加了，可能是質量增加了，所以滑動摩擦就加大了。

既然有質疑，那么就應該去驗證，可以設計這樣的實驗：將一塊磁鐵放置在一個薄木板上，然后用彈簧測力計拉磁鐵，使其能夠做勻速運動;同時，在木板后半段的下面放置一根鋼尺（如圖7所示），然后對磁鐵運動過程中所受到的摩擦力進行測量。

通過這個實驗，學生發現：在鋼尺上方時，磁鐵勻速運動，其滑動摩擦力有突然增大的情況。但是磁鐵并沒有增加質量，摩擦力增大的原因就可能是因為下面的鋼尺。那么鋼尺為何能夠將滑動摩擦力增大？經過分析之后發現，磁鐵與鋼尺之間會產生吸引力，也因為吸引力就將磁鐵與木板間的壓力增大，這就讓滑動摩擦力變大。通過相關實驗，讓整個論證過程一目了然，成功證偽摩擦力大小與質量的關系，成功證明摩擦力大小與木板、磁鐵之間的壓力關系。可見，質疑創新很重要，如果沒有這樣的聲音，那么很多知識就可能止步于表面，不利于學生科學思維發展[7]。

三、結語

綜上所述，對于物理而言，實驗是靈魂，而科學思維是實驗的核心。傳統實驗教學模式，學生參與度低，處于被動接受知識的尷尬境地，難以幫助學生加深知識印象，更無法提升學生的實踐應用能力。基于科學思維的實驗教學模式，圍繞學生進行模型建構、科學推理、科學論證以及質疑創新，不僅能夠彌補傳統教學模式的弊端，而且能夠促進學生科學思維發展，為其終身學習奠定堅實的基礎。

參考文獻：

[1]王曉靜.初中物理實驗教學中科學思維的培養[J].文理導航（中旬），2021（9）：41-42.

[2]江裕芬.例談初中物理實驗中如何培養學生科學思維品質[J].中學物理，2018.

[3]費志明，陳懋.基于科學思維培養的初中物理實驗教學探索[J].物理教學，2020，42（9）：44-46.

[4]姜素華.巧用初中物理實驗培養學生的科學思維品質[J].中學物理教學參考，2020，49（10）：2.

[5]何娟.在初中物理實驗探究教學中培養學生的科學思維[J].智力，2020（2）：67-68.

[6]李建.淺談初中物理實驗教學中科學思維的培養——以“光的直線傳播”教學為例[J].物理之友，2019，35（9）：15-16.

[7]江裕芬.例談初中物理實驗中培養學生科學思維品質[J].中學物理，2018，36（2）：34-36.