基于證據意識的物理核心素養培育

張興龍 張羽燕 翟磊

摘? ?要

物理學科核心素養的培育，需要重視和引導學生自主實驗探究，讓學生親身經歷質疑、猜想、驗證、評估等全過程。同時，探究教學需要基于對學生證據意識的培養進行教學設計，引起學生對現象或數據等證據的關注。以焦耳定律一課為例，詳細闡釋如何在科學探究的整個環節中通過強化證據意識，培養學生的科學思維，讓學生體會到科學探究的樂趣，將物理核心素育培養落在實處。

關鍵詞

科學探究? 證據意識? 物理核心素養

要將物理核心素養培育落實在具體的教學行為中，就是要重視和引導學生自主實驗探究。學生在科學探究過程中，必須經常面對質疑、猜想、驗證、評估等過程，無論是哪個環節都需要以證據為基礎。證據意識就是在探究活動中尋求證據、分析證據、表達證據的一種科學理性能力。本文以“焦耳定律”一課[1]為例，從不同角度基于證據意識的培養，落實學生核心素養的培育。

一、以具體現象為證據，提出猜想與假設

焦耳定律的本質是電流的熱效應。雖然學生對于家庭電路中電飯煲、電吹風機等家用電器的生活經驗比較純熟，但困難的地方在于讓學生在沒有任何提示的前提下猜想與假設，教師應在適當情景的啟發下引導學生提出猜想與假設。

1.生活經驗遷移，提出猜想

隨著天氣逐漸轉涼，部分學生已經開始使用“暖手寶”，在物理課堂中使用暖手寶作為引課資源，結合前期所學能量轉化的知識，可以輕松得出：在暖手寶工作過程中，電能轉化為內能，產生熱量，手可以感受到暖手寶溫度的變化。學生以生活經驗和自身習得為證據，順理成章了解到電流熱效應的本質，進而也就很容易猜想到下列兩個問題：

（1）產生熱量越多，暖手寶的溫度變化越大。

（2）暖手寶在工作時，產生熱量的多少與通電的時間有關。

2.實驗現象對比，誘導假設

人本主義學習理論強調教師在教學過程中情境創設的重要性。基于該理論，教師給學生提供一個清晰明顯的實驗現象，可以激發學生的學習潛能，讓學生在對比實驗現象的過程中，主動收集證據信息，對比提出猜想與假設。

在“猜想電流通過導體產生熱量與哪些因素有關”的猜想環節中，實驗中引導觀察電流通過不同導體（即導線和鉛筆芯）產生熱量的差異現象（如圖1），通過現象差異進行對比分析、猜想除通電時間外，電流通過導體產生熱量多少的其他影響因素。

學生基于“6V和16V電壓下鉛筆芯變紅程度”及“6V或16V電壓下鉛筆芯和導線溫度的變化情況”兩種不同的現象證據，可以比較明確地猜想出：

（1）通過6V和16V下鉛筆芯情況對比，可以猜想到電流通過鉛筆芯產生熱量的多少與鉛筆芯兩端電壓、通過鉛筆芯的電流有關。

（2）通過6V或16V電壓下，鉛筆芯與導線情況的對比，可以猜想到電流通過導體產生熱量的多少與電阻有關。

顯然，學生以生活中獲得的經驗為證據入手，可以初步了解電流通過導體產生熱量的多少用溫度變化反映，且熱量的多少與通電時間有關。試想，如果讓學生脫離生活經驗去憑空猜想，又怎么能體現物理是自然學科的學科本質？將暖手寶中發熱電阻遷移到鉛筆芯，引導學生以鉛筆芯和導線在不同電壓下的變化情況為現象證據，提出適當猜想，符合學生的認知規律，同時更體現“能運用證據對研究的問題進行描述、解釋和預測”的物理學科核心素養中有關科學思維的培育。

二、以實驗數據為證據，建模得出結論

證據意識應該是條主線，貫穿探究教學的每一環節。從入門學習就要樹立學生重證據的意識，這是培養學生創新、科學思維的基礎，也是現代社會要求公民具有的基本素質[2]。

1.依據證據沖突，評估實驗猜想

常規教學中，教師往往借助歐姆定律模糊處理電壓對電流通過導體產生熱量多少的影響。雖然以已有的物理規律為證據進行推論，但這并不符合學生的認知規律，探究“電流通過導體產生熱量的多少與電壓的關系”就顯得非常重要了。

既然純電阻電路不能解釋，我們可以利用非純電阻的電動機進行實驗。實驗中將兩個完全相同的電動機串聯在6V的穩壓電源下，將溫度傳感器固定在電動機上（如圖2）。通過觀察溫度傳感器示數變化反映電流通過電動機產生熱量的多少。當一個電動機轉子不動，讓另外一個電動機轉動時，電壓表的示數分別為5.5V和0.5V;歷時1分鐘，觀察并記錄兩個電動機溫度變化情況（如表1）所示。依托實驗數據，學生將數據轉化為得出結論的證據，自然可以得到：當電動機兩端電壓變化時，電流通過電動機產生熱量的多少是不變的。即，產生熱量的多少與電動機兩端電壓無關。在這個環節中依托事實證據的“物”，得到理性思維的“理”，在探究實驗過程中基于證據意識，培養學生的科學思維。

2.依托實驗證據，獲取定性結論

排除了電壓對電流通過導體產生熱量多少的影響后，學生就可以著手進行歐姆定律實驗，自我完成實驗探究。在“探究電流通過導體產生熱量的多少與電阻大小的關系”實驗中，學生結合前面已學實驗，選用裝有溫度傳感器的電阻（如圖3），設計實驗電路（如圖4）。通過學生小組實驗操作，觀察并記錄相應的實驗數據（如表2所示）。鑒于獲得的實驗數據，依托證據意識，對比分析當電阻變化時，1分鐘內溫度的變化情況，可以很容易得出：當I、t相同時，R越大，Q越大。

在“探究電流通過導體產生熱量多少與電流的關系”的實驗中，學生設計了電路圖（如圖5）。學生以前面實驗經驗為證據基礎，可以初步認識到：斷開開關后，由于定值電阻在實驗后存在余溫，溫度傳感器示數會繼續上升。所以，為了更加便捷地進行實驗，應更換阻值相同的電阻進行實驗。通過學生小組實驗操作，觀察并記錄相應的實驗數據（如表3）。實驗數據是學生經歷探究實驗過程后獲得的結論依據，是實驗證據的一種體現形式。依托表3中的證據表征，可以很容易得出：當R、t相同時，I越大，Q越大。

3.根據證據建模，培養數據分析能力

教師要有證據意識才能更好地培養學生的證據意識。在傳統教學中我們往往忽視了表2和表3數據的對比分析。不妨給學生創設一個這樣的情景，引導學生觀察、對比實驗數據，以實驗數據為證據，哪個因素對電流通過導體產生熱量的多少影響更加明顯？學生可以很清晰地觀察到：表2中數據顯示，當電阻從5Ω變為10Ω時，溫度傳感器示數變化從2.2℃變為4.3℃;表3中數據顯示，當電流從0.12A變為0.22A時，溫度傳感器示數變化從2.3℃變為8.9℃。無論是電阻還是電流，近似都變化2倍，顯然電流對產生熱量的影響更加明顯;在學習焦耳定律時，學生已經基本掌握了數學的函數關系，遷移數學的函數建模方法，完全可以引導學生深度挖掘實驗數據背后的規律，即電流通過導體產生的熱量（也就是此時的溫度變化）與電流和電阻有什么樣的函數關系？當然，這就需要學生對實驗數據進行繼續完善。實驗數據如表4、表5所示。

物理概念和定律的形成往往借助于數學工具和數學方法，物理學中的原理和定律往往是從實驗數據中抽象概括出來的。通過對探究實驗中獲取的數據進行處理，基于數學工具尋找、總結、建立物理量之間的關系。初中物理實驗數據的處理相對比較簡單和基礎，在教學過程中將實驗數據處理結合數學函數圖像分析，利用學生現有的數學水平和證據意識，引導學生處理相關數據建立物理規律，既引導學生體驗數學、物理學之間的相互聯系，更是在探究活動中培養學生的科學思維和科學意識。結合表4和表5數據繪制圖像，如圖6和圖7所示。從1分鐘溫度變化與電阻關系的實驗數據圖像可以看出，1分鐘溫度變化與電阻的關系類似于一次函數，也就是說電流通過導體產生熱量的多少與電阻成正比。同樣，從1分鐘溫度變化與電流關系的實驗數據圖像可以看出，1分鐘溫度變化與電流關系圖像擬合后為二次函數，即最終可以得到電流通過導體產生熱量的多少與電流的平方成正比。顯然，在實驗誤差允許的范圍內，我們可以粗略地通過實驗探究的方式得到焦耳定律。

在物理學科核心素養的背景下，探究教學應基于學生證據意識的培養設計教學，保證學生對現象或數據等證據的關注，通過對數據挖掘的逐步深入，促進學生證據意識的培養、發展和提升。因此，教師需要在學生自主實驗探究的全過程中考慮、設計、實施有利于發揮學生的證據意識的教學環節，著眼于對學生科學思維的培養。通過生活現象或物理情景引導學生對比、尋找現象間的聯系，提出有效的猜想;在實驗探究過程中，依托觀察到的現象和記錄到的數據進行規律的提煉甚至數學關系的建立。在科學探究的整個環節中培養、提升、發揮學生的證據意識。只有基于證據意識的探究教學，才是真正的探究，才能培養學生的科學思維，才能讓學生體會到科學探究的樂趣，才能將物理核心素養培育落在實處。

參考文獻

[1] 彭前程主編.義務教育教科書物理九年級（全一冊）[M].北京：人民教育出版社，2013：100.

[2] 任世江.關于深化歷史課程改革的探討[J].歷史教學（中學版），2008（09）：9-14.【責任編輯? 孫曉雯】