核心素養導向下高中物理實驗探究能力的培養策略

夏雪芬

（江蘇省儀征市儀征中學，江蘇儀征 211400）

引 言

新課程改革強調高中物理教學要從知識本位走向素養本位，提出培養學生內在素養的目標。物理實驗探究能力是一項重要的核心素養，此項能力的強弱與學生在物理學科上的整體表現聯系密切。在物理實驗教學中，教師要有目的地創設一定的條件，引導學生基于客觀事實和嚴密的思維過程展開探究，然后發現規律。在以往的教學實踐中，教師往往側重讓學生用實驗來驗證課本中的知識，以深化學生對知識的理解，但對探究過程本身并不重視。在培養核心素養的導向下，教師要注重調整教學重心。下面，筆者擬結合自身的教學經驗，探討如何培養學生的實驗探究能力。

一、基于問題，引導學生設計實驗

（一）依據既有知識導出問題

物理實驗是基于具體問題展開的，實驗設計的前提是提出問題。因此，在教學中，教師不應讓學生被動接受實驗方案，而要基于問題定位實驗目標[1]。這些問題是從既有知識中導出的，能夠反映學生對知識的理解程度，以及進一步求知的意愿。

例如，在開展“探究加速度與力、質量的關系”實驗時，教師可以先提出問題：“加速度與哪些物理量有關？”然后讓學生從“運動狀態的變化”角度來理解“加速度”概念，引導學生回顧有關牛頓第一定律和慣性的知識，進而發現“力”和“質量”兩個影響因素。其次，教師引導學生提出具體問題：“加速度與力和質量存在什么樣的關系？”教師在實驗教學中引導學生設問，能夠讓學生了解實驗的意義，提升學生的思維品質。

（二）立足實驗目標創建模型

在物理實驗中，教師要用模型來模擬實際生活中的現象，使現象處于可控制和調整的狀態，滿足探究的需求。在設計階段，對實驗模型的設計是關鍵。當正確創建模型后，整個實驗活動就成功了一大半。教師可以引導學生分析實驗目標，思考如何創建模型。仍以“探究加速度與力、質量的關系”實驗為例，本實驗要使用常見的小車模型，其中的難點在于讓實驗模型便于測量小車在做勻加速運動時受到的力。為了讓學生理解難點并找出應對方法，教師可以提出問題：“小車從初速度為0的狀態開始運動時，受到哪些力的作用？”由此明確“阻力”和“拉力”兩個因素，并引出阻力難于測量的問題。然后，教師指導學生閱讀課本內容，了解“阻力補償法”，最后展示各類實驗材料，引導學生使用斜面、小車、打點計時器、槽碼等材料創建模型。這種方式可以讓學生學會如何基于具體問題創建模型，從而提升學生的實驗設計能力。

（三）針對探究過程制訂計劃

《普通高中物理課程標準（2017年版）》提道：“應通過實驗提高學生制訂計劃的能力。”實驗是學生的自主性行為，計劃越是周密，學生的主體參與度就越高。教師要引導學生預想實驗探究過程，然后制訂多項計劃。對模型的創設本身就是一項計劃，創設模型后便形成了實驗計劃的基本框架[2]。在此基礎上，還可形成合作分工計劃和信息分析計劃。合作分工計劃是指學生在學習小組內分配探究任務的計劃。在以上實驗中，同一小組的學生可以分工完成更換槽碼、滑動小車、記錄等任務。信息分析計劃是指關于如何對實驗證據進行分析的計劃。在以上案例中，對加速度的測量要通過對紙帶的觀察和分析來完成，這部分要加入信息分析計劃中。教師可以引導學生自主設計實驗探究工作表，詳細列出實驗計劃。

二、通過探究，理解實驗方法

（一）分步操作，控制變量

控制變量的方法是指在研究和解決問題的過程中，對影響事物變化規律的獨立因素加以人為控制，使其中只有一個因素按特定要求發生變化，深入了解該因素與其他因素之間的關系，以利于尋找事物之間聯系的方法，是實驗活動中廣泛運用的方法[3]。物理實驗一般分多個步驟來操作，在不同的條件下多次重復同一過程，其本質是對變量的控制。教師可引導學生在分步操作中體會控制變量法的運用，而非僅讓學生跟隨教師的要求完成操作，具體可以使用提問法激活學生的思維。

例如，在“探究小車速度隨時間變化的規律”中，要在增減槽碼的情況下讓小車拖著紙帶運動三次。教師可提問：“為什么要重復實驗三次，我們要調整哪一個變量？”學生最初可能會提出要改變拉力，但是拉力并不是本實驗中直接相關的變量。通過思考，學生會意識到本實驗要通過增減槽碼改變速度變量，以發現在不同速度下不變的等量關系。

（二）準確記錄，提取數據

開展實驗操作要從模型中提取數據，根據數據探究變量之間的關系。提取數據對應著實驗中記錄的過程，這部分活動重在客觀準確地捕捉事實，并以結構化的方式記錄數據[4]。有的數據可直接觀察到并記錄下來，如關于槽碼質量的數據；有的數據則需要經過初步的運算才能記錄下來。

例如，在“探究小車速度隨時間變化的規律”實驗中，學生要分析紙帶上的打點結果，再通過公式算出各計算點上的瞬時速度。教師可以指導學生先根據實驗目標制作出記錄數據的表格，然后在實驗操作后，經交流和確認后進行記錄，以培養學生良好的實驗探究習慣，讓學生熟悉實驗探究的科學流程。

（三）數據處理，抽象表達

由開展實驗所獲得的數據本身并不是結論，結論要通過數據處理獲得，再以抽象化的方式表達出來。較為簡單的變量關系，如勻速直線運動中位移、時間與速度之間的關系等，可以通過直接觀察和計算來處理數據。較為復雜的變量關系，則可以用圖像方式來處理數據。

例如，在“探究小車速度隨時間變化的規律”實驗中，完成實驗操作后，教師可以引導學生創建以速度v為縱軸、以時間t為橫軸的直角坐標系，然后描點畫出v-t圖像，顯示v與t之間的關系。繪圖后，學生會發現代表小車速度與時間關系的點基本落在同一條直線上，這條直線表示的就是v與t之間的關系。教師還可以給學生傳授用計算機完成圖像處理的方法，即運用Excel軟件中的圖表功能自動生成圖像。

另外，教師可以引導學生結合圖像用公式來表達結論。在以上實驗中，我們通過觀察數據可以發現，無論處在哪種區間內，對應速度的變化量Δv與時間的變化量Δt的比都是相等的，因此小車的加速度不變。將結合起來，可以將v與t之間的關系表達為公式v=v0+at。抽象化的表達是對實驗背后普遍規律的概括。教師在課堂上講解公式生成過程時，可以讓學生借助讀圖和既有知識說明推導過程，發散學生的思維，讓學生體驗從數據分析到得出結論并表達的全過程。

結 語

總之，物理實驗教學可以讓學生掌握科學探究的一般性原則，反映了物理學科的精髓。教師要培養學生的實驗設計能力，讓學生在實驗探究過程中掌握實驗方法，并以實驗促進學生思維能力的整體提升，讓實驗教學切實成為促進學生核心素養發展的有力支架。