基于診斷性測試的科學探究精準教學資源開發與建議

丁煥平 趙崢

摘 要：依據“物理學科核心素養學習診斷內容的（3+2）×3 框架”命制診斷性測試題，基于診斷發現的科學探究教學問題，結合科學探究的二級指標提出三個方面的教學建議：創設問題情境，做出有依據的假設，激發探究欲望;設計實驗方案，提升學生解決問題的能力;基于證據進行解釋和評估，發展學生的科學思維.

關鍵詞：科學探究;學習診斷;精準教學

中圖分類號：G633.7 ? ? 文獻標識碼：B ? ? 文章編號：1008-4134（2021）11-0014-04

為了切實有效地促進學生學習和教師教學的改進，提高教學的針對性，落實核心素養，北京教科院物理教研團隊開發了“物理學科核心素養學習診斷內容的（3+2）×3 框架”，診斷物理學科“教與學”存在的問題，并期望基于診斷從教學內容、教學方式等方面為教學實踐提出改進建議[1].

表1為2019年11月對北京市某校409名高三學生進行紙筆測試的結果.從測試結果可以看出學生的整體科學探究能力偏弱.聚焦科學探究的二級指標（表2）發現，學生設計與操作得分率稍高一些，但仍低于其他一級指標得分率，而學生解釋與評估能力最弱.

科學探究是人類探索和了解自然、獲得科學知識的主要方法，是提出科學問題，形成猜想和假設，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.科學探究主要包括問題、證據、解釋、交流四個要素.《普通高中物理課程標準（2017年版）》把“科學探究”作為學科核心素養之一提出，科學探究既是學習內容，也是學生學習科學的主要方式，還是一種綜合的、關鍵的科學能力和素養.本文根據物理學科核心素養診斷性測試反映出來的具體問題，對照（3+2）×3框架中基于認知過程的科學探究二級指標體系[2]，對科學探究教學提出針對性教學建議.

1 創設問題情境，做出有依據的假設，激發探究欲望

科學探究診斷測試發現：學生基于事實依據進行猜想、分析相關事實或結論的能力較弱，提不出或不能準確表述可探究的物理問題，但是學生基于問題，依據公式的猜想和推理能力較強.

概括起來，主要原因包括兩個方面：一是學生在遇到新的問題情境時，不能準確表達可探究的物理問題，做出有依據的猜想，知識遷移能力比較弱;二是學生缺乏探究的興趣，自主探究的意識不強.

任何有意義的學習一定發生在學生思維充分活躍的情境下，學生在主動的思考下經常地運用科學的思維方法與方式去解決實際問題[3]，久而久之就會激發學生的探究欲望，提升學生的思維品質和知識遷移的能力.為了培養學生的問題意識、合理猜想為探究指明方向的思維習慣，在科學探究過程中，創設合適的問題情境尤為重要，下面以兩個教學片段為例進行說明.

1.1 創設問題情境，引起認知沖突，激發學生的探究欲望

電阻測量中電流表內、外接選擇一直是學生的難點，因此在教學中，可以先讓學生畫出伏安法測量電阻的電路圖，絕大多數同學基于初中的前概念畫出了圖1所示的電路圖.教師按照學生設計的電路圖連接電路，用電阻箱作為待測電阻（事先遮蓋住電阻箱的示數）.學生讀取電壓表和電流表的示數并計算出待測電阻的測量值約為1500Ω.揭開電阻箱的遮蓋物，學生發現電阻箱的真實值是3000Ω.對比測量值和真實值，學生認為可能是電阻箱出現了故障，教師用萬用表粗測電阻箱阻值確實約3000Ω.基于實驗事實，教師提出問題：結合之前學過的串并聯電路知識以及電壓表、電流表的電路結構，猜測造成如此大誤差的原因是什么？通過該實驗情境設計，引發了學生的認知沖突，激發了學生的探究欲望.學生認知的不平衡性會激發他們的求知欲和好奇心，并產生解決這種認知矛盾以求得心理平衡的需要，從而促使學生認知結構的同化和順應.所以說，通過問題情境，引發認知沖突，是充分調動學生探究欲望的必要手段.

1.2 創設問題情境，科學推理進行合理猜想

物理教學中，猜想的價值顯而易見，它能夠有效激活學生的想象力，是建立在物理知識基礎上，由觀察到的物理現象延伸而來的創造性思維過程.“猜想”不是憑空想象，它是一種合情推理，既有邏輯思維參與其中，也有直覺、想象的因素，屬于綜合程度較高的一種認識過程.如在探究影響平行板電容器電容因素的教學中，教師給平行板電容器充電，學生觀察到與平行板并聯的靜電計指針發生偏轉（如圖2）.教師提出問題：觀察該電容器構造，猜想影響平行板電容器容納電荷本領的因素有哪些？并說明理由.學生通過思考討論不難猜想影響電容器容納電荷本領的因素有：平行板的正對面積;板間距離以及絕緣介質.理由是平行板的正對面積越大，電容器容納電荷的本領越強;由庫侖定律定性分析可知，增加平行板間距離，正負極板的電荷吸引力變小，電容器容納電荷的本領變弱;保持平行板正對面積和板間距離不變，由C=QU可知增加電容器帶電量的同時，電容器兩極板間的電壓也會升高，高電壓會擊穿電容器，而在兩平行板間插入絕緣介質可以有效地解決該問題.教師在提出問題時為猜想指明了方向：第一要觀察平行板電容器的結構;第二是猜想哪些因素決定了電容器容納電荷的本領.通過教師的引導，使學生體會猜想要從解決問題出發，結合原有的知識和平行板電容器的結構進行合理推理.因此，要在物理教學中培養學生的猜想能力，就要增強學生面對新的客觀事實時，學會仔細觀察、調用原有知識和經驗在其中尋找與原有經驗和知識相似的特征，并嘗試推理對它作出解釋.

2 設計實驗方案，提升學生解決問題的能力

科學探究診斷測試發現：學生能基于簡單的真實情境問題設計實驗.但在面對實際問題，設計復雜的探究方案進行操作的能力還有待提高.

讓學生參與探究方案的設計，嘗試把探究課題分解為幾個相對獨立的小問題，思考解決每個問題的不同方法，根據現實條件選擇適當方法構思探究計劃;從原理、器材、信息收集技術、信息處理方法等各方面形成探究計劃;通過查詢相關資料和同伴討論完善探究計劃.學生在設計方案的過程中不斷地發現問題、思考解決問題的方法，提升處理復雜問題的能力.

2.1 學生參與演示實驗的設計過程

例如，以往自感現象教學中，教師演示通、斷電自感現象，學生觀察實驗現象，教師引導學生解釋實驗現象背后的原因.這樣的教學使學生處于被動地觀察和思考的地位，抑制了學生的探究欲望，束縛了學生能力的發展.為此，我們改進了教學方式，變學生被動接受為主動參與，參與演示實驗的設計過程.下面以通電自感現象教學為例進行說明.

2.1.1 提出問題，形成猜想

教師提出問題：圖3中，閉合電鍵時，通過線圈的電流增大，線圈中是否會產生感應電動勢？如果產生，請判斷感應電動勢方向？這個感應電動勢會產生什么效果？學生利用學過的電磁感應知識分析：閉合電鍵時，線圈產生與電流方向相反的感應電動勢，預測這個感應電動勢會阻礙電路中電流的增加.

2.1.2 設計實驗電路驗證預測

教師讓學生設計實驗驗證猜想，大部分學生會設計如圖4所示的電路，把一個燈泡與線圈串聯，預測閉合電鍵時燈泡會逐漸變亮.教師按照圖4連接電路演示實驗，學生卻沒有觀察到期待的現象出現或者有延遲現象但不明顯.隨后教師提出問題：在此方案基礎上，如何改進實驗方案驗證猜想.

學生思考后設計出對比實驗方案（如圖5），并考慮對比實驗的控制條件，即閉合電鍵，電路穩定后調整滑動變阻器使兩燈泡亮度一致.斷開電鍵，再次閉合電鍵演示實驗，學生觀察發現：燈泡L2立刻變亮，而與線圈串聯的燈泡L1逐漸變亮，猜想得到驗證.

讓學生參與演示實驗的設計過程，把實驗目的和科學探究假設聯系起來[4]，讓學生體會實驗方案實際上就是對假設進行檢驗的具體計劃，使學生能夠根據探究的假設來思考實驗目的和條件.

2.2 學生自主設計多種方案進行分組實驗探究

例如，2019年新人教版自由落體運動一節中，在“毛錢管”演示實驗后，教材提出問題：自由落體運動是加速運動.那么，它的加速度在下落過程中是否變化呢？教材安排了圖6實驗裝置的方案.為了開拓學生的思維，培養學生實驗設計的能力，在教學中，我們安排了讓學生自主設計多種方案進行科學探究.例如，以問題串的形式引導學生設計實驗方案：

（1）如何判斷一個物體是否做勻變速直線運動？

（2）實驗中需要記錄哪些物理量？

（3）選用什么器材？

（4）實驗步驟有哪些？

（5）如何記錄和處理數據？

（6）如何控制條件減小空氣阻力的影響，使物體的運動更接近自由落體運動？

（7）如何減小實驗誤差？

學生通過小組討論和查閱資料，結合實際條件，提出了4種可行的方案.

方案一（如圖6）：用打點計時器研究自由落體的運動規律.讓重物自由下落，借助打點計時器在紙帶上記錄重物下落不同時刻的位置.用刻度尺測量重物的位移，若滿足連續相等時間內位移的增量為一定值，即Δx近似為一常數，說明自由落體是勻加速直線運動;或作v-t圖像，看是否可以擬合成一條直線.

方案二（如圖7）：用頻閃照相研究自由落體的運動規律.讓帶有頻閃光源的重物自由下落，調整手機的曝光時間，將光源不同時刻的位置記錄在同一張照片中.用傳感器軟件logger pro3.8.7處理實驗數據，將光源運動的時間和對應位移記錄在Excel表格中，繪制位移—時間圖像，擬合數據，如果位移隨時間滿足二次函數關系，說明自由落體是勻加速直線運動.或作v-t圖像，看是否可以擬合成一條直線.

方案三（如圖8）：用光閘記錄自由落體的運動規律.讓一金屬窄條自由下落，用傳感器軟件記錄金屬條通過不同光閘的時刻和瞬時速度，繪制速度—時間圖像，擬合數據，如果速度隨時間滿足一次函數關系，說明自由落體是勻加速直線運動.

方案四：用手機軟件“phyphox”內置的“acceleration”功能，可以定量測量手機加速度隨時間變化的關系.如果手機自由下落時間內加速度為一定值，說明自由落體運動是勻加速直線運動.

對剛上高一的學生來說，自主設計方案進行實驗探究具有一定的挑戰性：第一，學生需要靈活運用學過的知識，思考判斷物體做勻變速直線運動的方法;第二，學生需要學會查閱資料，包括閱讀課本、上網查閱文獻等，和同伴討論完善方案;第三，學生需要思考實驗步驟以及實驗的控制條件等;第四，學生需要學會使用信息技術記錄數據和處理數據.學生能力的發展，是和他們學習中的相關行為聯系在一起的.要發展某種能力，就必須經歷相關的過程.學生正是在自主設計實驗的過程中，學會把復雜問題進行分解各個擊破，從而提升自身實驗設計的能力.

3 基于證據進行解釋和評估，發展學生的科學思維

科學探究診斷測試發現：學生整體實驗解釋與評估能力處于中等偏下水平，學生雖能較好地對實驗進行評估和改進，但基于數據進行分析、歸納、總結結論的能力還有待提高.而且，學生的解釋能力更為薄弱，有很大的提升空間.

以往教學中，學生往往關注證據的收集，而忽視了基于證據進行解釋和評估的過程.而解釋與評估的過程是一個知識內化和反省的過程，在此過程中，學生要將觀察和實驗的結果與自己已有的知識經驗聯系起來，借助于分析、推理提出問題或原因，并在實驗證據和論證的基礎上建立概念間的聯系，形成已有知識和當前所獲證據的一致，提升科學思維品質，完善物理觀念.因此，教學中應該給學生創造更多的機會，基于證據進行解釋和評估，培養學生良好的思維習慣.

例如，在以往斷電自感現象教學中，教師演示實驗，斷開電源時，學生觀察到與線圈并聯的燈泡閃亮一下后再熄滅，隨后教師解釋燈泡閃亮的原因.這樣的教學過程讓學生處于被動的接受而不是主動建構的地位，不利于培養學生的科學解釋能力.為此，筆者利用傳感器對教學過程進行了改進，主要過程如下.

3.1 提出問題，形成猜想

學生利用學過的電磁感應知識分析圖3得出：斷開電鍵時，線圈產生與原電流方向相同的感應電動勢，預測這個感應電動勢會阻礙電路中電流的減小.

3.2 設計實驗電路

大部分學生思考采用通電自感實驗電路（如圖5）來觀察斷電自感現象，部分學生預測斷開電鍵時，燈泡L2立刻熄滅，而與線圈串聯的燈泡L1逐漸熄滅.教師演示實驗，學生卻觀察到兩燈一起熄滅.為什么實驗現象與預測不一致呢？

3.3 用電流傳感器獲取證據，作出科學解釋

3.3.1 采集數據，描述圖像

用電流傳感器替換燈泡L1和L2，采集數據圖像如圖9所示.讓學生描述圖像，獲得數據的感性認識，明確通電、穩定和斷電過程中流過線圈的電流I1和流過電阻R的電流I2的變化規律.

3.3.2 解釋通、斷電過程中流過線圈的電流I1和流過電阻的電流I2的變化規律

通過前面的學習，學生不難解釋流過線圈電流I1的變化規律.而解釋I2的變化規律是學生的難點：首先，要想解釋電路接通時，通過電阻的電流比穩定時大，需要學生調用全電路歐姆定律和串、并聯電路知識進行推理分析;其次，斷開電源時，為什么通過電阻R的電流瞬間反向隨后逐漸減??？為了突破該難點，教師讓學生再次觀察斷開電鍵時I1和I2的圖像特點，發現斷開電鍵時I1和I2的圖像具有非常完美的對稱性.教師采集此過程中任意時刻I1和I2的數值，發現它們大小幾乎完全相同，驗證了學生的觀察，強化了證據意識.結合數據證據和串、并聯電路知識，學生進一步猜測：斷開電鍵時，電源不再給電路供電，線圈充當臨時電源并與電阻R構成閉合回路，線圈中的電流反向通過電阻，因此燈泡一起熄滅.

3.3.3 改變R阻值，驗證猜想

教師提問：在不改變實驗裝置的前提下，如何改變實驗條件驗證猜想，即斷開電鍵時，線圈充當臨時電源與電阻R構成閉合回路.學生提出增大電阻R阻值，當電路穩定時I1>I2，如果猜測是正確的，斷開電鍵時，反向通過電阻的電流大于穩定時通過電阻的電流.增大電阻R阻值，用傳感器記錄數據如圖10所示，學生的猜想得到了驗證.

3.3.4 從能量角度解釋自感現象

教師提問：能否從能量的轉化與守恒角度解釋通、斷電自感現象？

通過自感現象的學習，學生體會到自感現象是電磁感應現象的特例，“電慣性”本質上是能量的轉化與守恒在電磁學中的體現.

該探究沿“問題—猜想—設計實驗預測結果—檢驗失敗—傳感器記錄實時數據—解釋數據再次預測—改變R阻值再次驗證預測—從能量角度進一步解釋”的思路設計教學過程.讓學生經歷理論假設建構科學解釋的過程，在科學解釋的過程中培養學生科學推理的能力.

學生的思維過程是由問題情境產生的，而且以解決問題為目的，學習過程本身就是一個不斷提出問題和解決問題、不斷建構世界觀和方法論的過程.在學習活動中，最重要的不是學生是否完成了指定的任務，而是學生在這個過程中對任務完成所需要的認識、理解、分析、綜合、思維判斷等思想方法的反省以及在這種反省或討論過程中的再認識和再總結[5].因此，科學探究教學應該加強實驗前、實驗后的猜想、設計、解釋、分析等思維過程的設計，加強在實驗教學中發展科學思維能力的培養規劃.

參考文獻：

[1]張玉峰.為了物理學科核心素養發展的學習診斷：概念、路徑與內容框架[J].中學物理，2020，38（01）：1-7.

[2]孔祥燕，公衍錄，張玉峰.基于認知過程的科學探究診斷性測試框架[J].中學物理，2021（09）：17-21.

[3]彭前程.物理學科核心素養的理解與踐行[J].物理教學，2020，42（02）：6-12.

[4]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[5]廖伯琴.普通高中物理課程標準（2017年版）解讀[M].北京：高等教育出版社，2018.

（收稿日期：2021-04-10）