高中物理學生實驗探究素養的構成和培養路徑

郭義超

（福州教育學院第二附屬中學，福建 福州 350013）

在科學探究中，實驗探究是科學探究的重要組成部分，而實驗探究是以實驗教學為主題驅動開展的一系列探究活動，包括：問題的提出、猜想與假設、實驗方案的設計與實施、獲取信息與處理信息、整合數據、總結結論等等。實驗探究的過程實際上也是認知物理知識、分析和解決物理問題的過程，是學習高中物理的基本能力。實驗探究素養在整個物理核心素養教育中占據舉足輕重的地位，是落實物理觀念、科學思維，培養科學態度與責任的基礎。培養良好的實驗探究素養，要把握“觀察問題、提出問題、發現問題、分析問題以及解決問題”五大要素，融入科學探究的過程。第一，觀察問題。觀察生活、實踐與學習中的物理事件、物理現象，引發思考。第二，提出問題。在觀察的基礎上提出問題并表述問題，立足已學的物理知識揭示矛盾。第三，發現問題。基于物理知識、生活經驗與科學證據，發現問題并合理猜測。第四，分析問題。通過自主、合作、探究多元學習策略，分析問題、設計實驗方案，處理相關數據，做好有效分析，判斷方案可行性。第五，解決問題。合理設計實驗方案，利用多種實驗工具，結合問題或者假設找出相關證據，運用控制變量等方法開展進行實驗探究，通過問題討論、小組互助等一系列探究過程，整理實驗成果，得出實驗結論。

一、引導自主探究，激發問題意識

培養高中生良好的實驗探究素養，突出學生主體地位是重要的前提條件。那么如何才能激活學生的主觀能動性？自然要以“問題”為指引，通過“以問激趣”“以問啟思”，讓學生在解決問題的過程中運用歸納、整理、探索、推理、實踐等一系列手段，掌握物理知識，提升實驗探究能力。［1］

例如，學習“用打點計時器測速度”時，先讓學生閱讀使用說明書，基本掌握打點計時器的使用方法，再讓大家動手練習，之后引導學生自主探究：1.紙帶上的點，怎樣對應小車的位移與時間？2.根據這些點的運行軌跡，怎樣計算紙帶打點的平均速度？3.怎樣確定瞬時速度，并繪制v-t 圖像？通過本節課的自主探究，不僅激活了學生自主學習的問題意識，也鍛煉了良好的實驗探究能力，為良好的實驗探究素養奠定基礎。

二、立足生活實際，增添學習樂趣

生活中的物理知識無處不在，為了讓學生感受學習物理的趣味性與重要性，教師不妨從生活中探尋物理實驗素材，以生活中的物理現象為教學資源，讓物理教學回歸生活本質，潛移默化中滲透實驗探究素養。

例如，學習“機械功”時，為了讓學生感受“功”的存在，并能把握兩個做功的必要因素，新課導入時提出一個趣味性的生活場景：“超市的顧客購買了一袋50kg 的大米，提著大米走向小區共步行了500 米，這位顧客對手中的大米是否做功？到小區之后提著大米從1 樓乘電梯到16 樓，這一過程他對手中的大米是否做功？”就此引出本節課的實驗。為了降低實驗的難度，讓每個學生都能參與實驗過程，要準備一些簡單易操作、生活中常見的工具材料，如石塊、木板、釘子、錘子、鋸條等，邀請學生上臺，動手舉石塊、推木板、錘釘子、拉木鋸條，通過舉、推、錘、拉等一系列的動作，由此總結出做功的兩個必要元素，一個是“作用在物體上的力”，另一個就是“物體在力的方向上移動距離”，兩個條件共同存在、缺一不可。通過生活案例與動手實驗相結合，學生親自參與實驗探究的過程體驗，從中提升實驗探究素養。

三、小組合作交流，豐富物理實踐

教師要鼓勵學生多合作、多交流，通過小組探究交流想法、碰撞思維，這樣既能掌握有效學習方法、豐富物理實踐，也能有效培養學生的物理實驗探究素養。

例如，學習“驗證共點力的平衡條件”時，先用多媒體課件展示趣味場景：一根繩子拴著氣球固定在桌腿上，隨著風的方向傾斜。由此引出問題：“觀察氣球，隨風飄動的過程中受到哪些力的作用？氣球是什么樣的狀態？”在“二力平衡的條件是合外力為零，即F=0”的基礎上，進一步猜想：“那么三力平衡時，需要滿足什么條件才能達到平衡狀態呢？是否為F=0？”為了驗證這一猜想，將學生分成幾個小組開展合作實驗，在合作探究中，各組使用三個彈簧秤分別沿著三個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。對于實驗中的細節問題，小組成員自由地討論，包括如何正確地放置彈簧秤、如何準確地讀數等等。經過觀察、對比實驗結果，聯系已有的知識，發現在三力平衡狀態下，其中任意兩個力的合力都與第三個力的大小相等、方向相反，且作用在同一直線上。最終得出結論：三力平衡可以簡化為二力平衡，在共點力的作用下物體的平衡條件是F=0。整個實驗過程中，學生通過分組合作，利用各種實驗器材設計實驗方案，遇到問題一起討論、一起解決。在小組合作與師生配合下，豐富了學生的物理實踐體驗，也鍛煉了物理思維，有利于夯實實驗探究素養［4］。

四、設計個性方案，推動創新發展

實驗探究過程，不是學生機械化地操作實驗，而是開動腦筋、挖掘內涵，同時具備自主思考、自主獲取信息與自主創新等綜合能力，所以物理實驗教學要激活學生的發散思維與創新思維，引導學生設計個性化的實驗方案，推動創新發展，有效培養實驗探究素養。

例如，學習“驗證平拋運動的規律”時，這一部分的實驗難點就是如何描繪運動軌跡、如何分解運動。課堂上，基于平拋運動公式“△x=V0t△y=y2-y1=gt2”為切入點，組織學生展開討論并設計實驗方案，有的學生提出將小球每次在斜槽的同一個高度上下滑，在末端水平拋出，顯示平拋運動的軌跡；有的學生在實驗中觀察水平噴出的水流，畫出平拋運動的軌跡等等。但是大家在討論方案可行性時發生困難，通過探討，引導學生發現個性化的模擬實驗方案，可用手機視頻拍攝模仿頻閃照相：在豎直墻面上墊一坐標紙，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高度下落至水平槽而做平拋運動，用手機視頻拍攝整個過程，再使用軟件的“慢放”功能播放視頻，假設小球下落的時長為0.15s，通過“×10 倍”慢放將下落的過程延長到1.5 秒，再按住暫停鍵截屏取點，在坐標紙上對應找到小球下落的位置，取多個點，測量多個△x 與△y，從而驗證了從理論上得出的關于平拋運動在水平方向勻速與豎直方向勻變速的運動規律。整個設計個性方案過程中，提出改進意見，嘗試操作實驗，觀察實驗過程，評價實驗結果，不僅體現了信息技術在物理實驗中的實用價值，而且融會貫通了相關的物理知識點，啟發學生的創新思維。

五、分析實驗數據，促進邏輯思維

實驗探究離不開真實、完整的數據支持，與此同時也對學生的邏輯思維提出較高要求。因此在實驗探究過程中，我們要啟發學生精準地獲取實驗數據，分析實驗數據，應用實驗數據，促進良好的邏輯思維，潛移默化中夯實實驗探究核心素養。

例如，學習“驗證機械能守恒定律”時，本次實驗中涉及三個最關鍵的數據就是，其中“n”代表打點計時器的點數。本次實驗中的ghn 比偏大。為了啟發學生分析實驗數據，教師圍繞這些數據提問：“為什么ghn 比偏大？”，根據能量轉化和守恒定律討論發現，是因為阻力做功的情況下造成的。在此基礎上，繼續分析不計阻力的情況下，得出由此證明：“只有重力做功時，物體的重力勢能和動能可以相互轉化，機械能總量保持不變”，這就是機械能守恒定律。通過分析實驗數據，培養了學生物理邏輯思維能力，鍛煉數據處理能力，也對物理現象有了更深刻的認知。