高中物理學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究素養(yǎng)的構(gòu)成和培養(yǎng)路徑

郭義超

（福州教育學(xué)院第二附屬中學(xué)，福建 福州 350013）

在科學(xué)探究中，實(shí)驗(yàn)探究是科學(xué)探究的重要組成部分，而實(shí)驗(yàn)探究是以實(shí)驗(yàn)教學(xué)為主題驅(qū)動(dòng)開(kāi)展的一系列探究活動(dòng)，包括：?jiǎn)栴}的提出、猜想與假設(shè)、實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)與實(shí)施、獲取信息與處理信息、整合數(shù)據(jù)、總結(jié)結(jié)論等等。實(shí)驗(yàn)探究的過(guò)程實(shí)際上也是認(rèn)知物理知識(shí)、分析和解決物理問(wèn)題的過(guò)程，是學(xué)習(xí)高中物理的基本能力。實(shí)驗(yàn)探究素養(yǎng)在整個(gè)物理核心素養(yǎng)教育中占據(jù)舉足輕重的地位，是落實(shí)物理觀(guān)念、科學(xué)思維，培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的基礎(chǔ)。培養(yǎng)良好的實(shí)驗(yàn)探究素養(yǎng)，要把握“觀(guān)察問(wèn)題、提出問(wèn)題、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題以及解決問(wèn)題”五大要素，融入科學(xué)探究的過(guò)程。第一，觀(guān)察問(wèn)題。觀(guān)察生活、實(shí)踐與學(xué)習(xí)中的物理事件、物理現(xiàn)象，引發(fā)思考。第二，提出問(wèn)題。在觀(guān)察的基礎(chǔ)上提出問(wèn)題并表述問(wèn)題，立足已學(xué)的物理知識(shí)揭示矛盾。第三，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。基于物理知識(shí)、生活經(jīng)驗(yàn)與科學(xué)證據(jù)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并合理猜測(cè)。第四，分析問(wèn)題。通過(guò)自主、合作、探究多元學(xué)習(xí)策略，分析問(wèn)題、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，處理相關(guān)數(shù)據(jù)，做好有效分析，判斷方案可行性。第五，解決問(wèn)題。合理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，利用多種實(shí)驗(yàn)工具，結(jié)合問(wèn)題或者假設(shè)找出相關(guān)證據(jù)，運(yùn)用控制變量等方法開(kāi)展進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，通過(guò)問(wèn)題討論、小組互助等一系列探究過(guò)程，整理實(shí)驗(yàn)成果，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

一、引導(dǎo)自主探究，激發(fā)問(wèn)題意識(shí)

培養(yǎng)高中生良好的實(shí)驗(yàn)探究素養(yǎng)，突出學(xué)生主體地位是重要的前提條件。那么如何才能激活學(xué)生的主觀(guān)能動(dòng)性？自然要以“問(wèn)題”為指引，通過(guò)“以問(wèn)激趣”“以問(wèn)啟思”，讓學(xué)生在解決問(wèn)題的過(guò)程中運(yùn)用歸納、整理、探索、推理、實(shí)踐等一系列手段，掌握物理知識(shí)，提升實(shí)驗(yàn)探究能力。［1］

例如，學(xué)習(xí)“用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測(cè)速度”時(shí)，先讓學(xué)生閱讀使用說(shuō)明書(shū)，基本掌握打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的使用方法，再讓大家動(dòng)手練習(xí)，之后引導(dǎo)學(xué)生自主探究：1.紙帶上的點(diǎn)，怎樣對(duì)應(yīng)小車(chē)的位移與時(shí)間？2.根據(jù)這些點(diǎn)的運(yùn)行軌跡，怎樣計(jì)算紙帶打點(diǎn)的平均速度？3.怎樣確定瞬時(shí)速度，并繪制v-t 圖像？通過(guò)本節(jié)課的自主探究，不僅激活了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的問(wèn)題意識(shí)，也鍛煉了良好的實(shí)驗(yàn)探究能力，為良好的實(shí)驗(yàn)探究素養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。

二、立足生活實(shí)際，增添學(xué)習(xí)樂(lè)趣

生活中的物理知識(shí)無(wú)處不在，為了讓學(xué)生感受學(xué)習(xí)物理的趣味性與重要性，教師不妨從生活中探尋物理實(shí)驗(yàn)素材，以生活中的物理現(xiàn)象為教學(xué)資源，讓物理教學(xué)回歸生活本質(zhì)，潛移默化中滲透實(shí)驗(yàn)探究素養(yǎng)。

例如，學(xué)習(xí)“機(jī)械功”時(shí)，為了讓學(xué)生感受“功”的存在，并能把握兩個(gè)做功的必要因素，新課導(dǎo)入時(shí)提出一個(gè)趣味性的生活場(chǎng)景：“超市的顧客購(gòu)買(mǎi)了一袋50kg 的大米，提著大米走向小區(qū)共步行了500 米，這位顧客對(duì)手中的大米是否做功？到小區(qū)之后提著大米從1 樓乘電梯到16 樓，這一過(guò)程他對(duì)手中的大米是否做功？”就此引出本節(jié)課的實(shí)驗(yàn)。為了降低實(shí)驗(yàn)的難度，讓每個(gè)學(xué)生都能參與實(shí)驗(yàn)過(guò)程，要準(zhǔn)備一些簡(jiǎn)單易操作、生活中常見(jiàn)的工具材料，如石塊、木板、釘子、錘子、鋸條等，邀請(qǐng)學(xué)生上臺(tái)，動(dòng)手舉石塊、推木板、錘釘子、拉木鋸條，通過(guò)舉、推、錘、拉等一系列的動(dòng)作，由此總結(jié)出做功的兩個(gè)必要元素，一個(gè)是“作用在物體上的力”，另一個(gè)就是“物體在力的方向上移動(dòng)距離”，兩個(gè)條件共同存在、缺一不可。通過(guò)生活案例與動(dòng)手實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，學(xué)生親自參與實(shí)驗(yàn)探究的過(guò)程體驗(yàn)，從中提升實(shí)驗(yàn)探究素養(yǎng)。

三、小組合作交流，豐富物理實(shí)踐

教師要鼓勵(lì)學(xué)生多合作、多交流，通過(guò)小組探究交流想法、碰撞思維，這樣既能掌握有效學(xué)習(xí)方法、豐富物理實(shí)踐，也能有效培養(yǎng)學(xué)生的物理實(shí)驗(yàn)探究素養(yǎng)。

例如，學(xué)習(xí)“驗(yàn)證共點(diǎn)力的平衡條件”時(shí)，先用多媒體課件展示趣味場(chǎng)景：一根繩子拴著氣球固定在桌腿上，隨著風(fēng)的方向傾斜。由此引出問(wèn)題：“觀(guān)察氣球，隨風(fēng)飄動(dòng)的過(guò)程中受到哪些力的作用？氣球是什么樣的狀態(tài)？”在“二力平衡的條件是合外力為零，即F=0”的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步猜想：“那么三力平衡時(shí)，需要滿(mǎn)足什么條件才能達(dá)到平衡狀態(tài)呢？是否為F=0？”為了驗(yàn)證這一猜想，將學(xué)生分成幾個(gè)小組開(kāi)展合作實(shí)驗(yàn)，在合作探究中，各組使用三個(gè)彈簧秤分別沿著三個(gè)不同的方向用力拉住物體，分別記錄彈簧秤的作用力方向以及示數(shù)。對(duì)于實(shí)驗(yàn)中的細(xì)節(jié)問(wèn)題，小組成員自由地討論，包括如何正確地放置彈簧秤、如何準(zhǔn)確地讀數(shù)等等。經(jīng)過(guò)觀(guān)察、對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果，聯(lián)系已有的知識(shí)，發(fā)現(xiàn)在三力平衡狀態(tài)下，其中任意兩個(gè)力的合力都與第三個(gè)力的大小相等、方向相反，且作用在同一直線(xiàn)上。最終得出結(jié)論：三力平衡可以簡(jiǎn)化為二力平衡，在共點(diǎn)力的作用下物體的平衡條件是F=0。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生通過(guò)分組合作，利用各種實(shí)驗(yàn)器材設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，遇到問(wèn)題一起討論、一起解決。在小組合作與師生配合下，豐富了學(xué)生的物理實(shí)踐體驗(yàn)，也鍛煉了物理思維，有利于夯實(shí)實(shí)驗(yàn)探究素養(yǎng)［4］。

四、設(shè)計(jì)個(gè)性方案，推動(dòng)創(chuàng)新發(fā)展

實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程，不是學(xué)生機(jī)械化地操作實(shí)驗(yàn)，而是開(kāi)動(dòng)腦筋、挖掘內(nèi)涵，同時(shí)具備自主思考、自主獲取信息與自主創(chuàng)新等綜合能力，所以物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)要激活學(xué)生的發(fā)散思維與創(chuàng)新思維，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)個(gè)性化的實(shí)驗(yàn)方案，推動(dòng)創(chuàng)新發(fā)展，有效培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)探究素養(yǎng)。

例如，學(xué)習(xí)“驗(yàn)證平拋運(yùn)動(dòng)的規(guī)律”時(shí)，這一部分的實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)就是如何描繪運(yùn)動(dòng)軌跡、如何分解運(yùn)動(dòng)。課堂上，基于平拋運(yùn)動(dòng)公式“△x=V0t△y=y2-y1=gt2”為切入點(diǎn)，組織學(xué)生展開(kāi)討論并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，有的學(xué)生提出將小球每次在斜槽的同一個(gè)高度上下滑，在末端水平拋出，顯示平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡；有的學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中觀(guān)察水平噴出的水流，畫(huà)出平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡等等。但是大家在討論方案可行性時(shí)發(fā)生困難，通過(guò)探討，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)個(gè)性化的模擬實(shí)驗(yàn)方案，可用手機(jī)視頻拍攝模仿頻閃照相：在豎直墻面上墊一坐標(biāo)紙，讓斜槽與水平槽的組合裝置固定在豎直墻前面并與豎直墻面平行，讓小球從斜槽上某個(gè)高度下落至水平槽而做平拋運(yùn)動(dòng)，用手機(jī)視頻拍攝整個(gè)過(guò)程，再使用軟件的“慢放”功能播放視頻，假設(shè)小球下落的時(shí)長(zhǎng)為0.15s，通過(guò)“×10 倍”慢放將下落的過(guò)程延長(zhǎng)到1.5 秒，再按住暫停鍵截屏取點(diǎn)，在坐標(biāo)紙上對(duì)應(yīng)找到小球下落的位置，取多個(gè)點(diǎn)，測(cè)量多個(gè)△x 與△y，從而驗(yàn)證了從理論上得出的關(guān)于平拋運(yùn)動(dòng)在水平方向勻速與豎直方向勻變速的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。整個(gè)設(shè)計(jì)個(gè)性方案過(guò)程中，提出改進(jìn)意見(jiàn)，嘗試操作實(shí)驗(yàn)，觀(guān)察實(shí)驗(yàn)過(guò)程，評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，不僅體現(xiàn)了信息技術(shù)在物理實(shí)驗(yàn)中的實(shí)用價(jià)值，而且融會(huì)貫通了相關(guān)的物理知識(shí)點(diǎn)，啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

五、分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，促進(jìn)邏輯思維

實(shí)驗(yàn)探究離不開(kāi)真實(shí)、完整的數(shù)據(jù)支持，與此同時(shí)也對(duì)學(xué)生的邏輯思維提出較高要求。因此在實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程中，我們要啟發(fā)學(xué)生精準(zhǔn)地獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，應(yīng)用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，促進(jìn)良好的邏輯思維，潛移默化中夯實(shí)實(shí)驗(yàn)探究核心素養(yǎng)。

例如，學(xué)習(xí)“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”時(shí)，本次實(shí)驗(yàn)中涉及三個(gè)最關(guān)鍵的數(shù)據(jù)就是，其中“n”代表打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的點(diǎn)數(shù)。本次實(shí)驗(yàn)中的ghn 比偏大。為了啟發(fā)學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，教師圍繞這些數(shù)據(jù)提問(wèn)：“為什么ghn 比偏大？”，根據(jù)能量轉(zhuǎn)化和守恒定律討論發(fā)現(xiàn)，是因?yàn)樽枇ψ龉Φ那闆r下造成的。在此基礎(chǔ)上，繼續(xù)分析不計(jì)阻力的情況下，得出由此證明：“只有重力做功時(shí)，物體的重力勢(shì)能和動(dòng)能可以相互轉(zhuǎn)化，機(jī)械能總量保持不變”，這就是機(jī)械能守恒定律。通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，培養(yǎng)了學(xué)生物理邏輯思維能力，鍛煉數(shù)據(jù)處理能力，也對(duì)物理現(xiàn)象有了更深刻的認(rèn)知。