基于科學思維發(fā)展的物理實驗教學設計①
——以“自由落體運動”教學為例

(福建省廈門第六中學，福建 廈門 361000)

《普通高中物理課程標準(2017年版)》中提出：高中物理課程注重體現(xiàn)物理學科的本質,培養(yǎng)學生物理學科核心素養(yǎng)。科學思維是物理學科核心素養(yǎng)的重要方面,是物理學的靈魂,主要包括模型建構、科學推理、科學論證、質疑創(chuàng)新等要素,發(fā)展科學思維能力是物理教學的核心功能。物理實驗是發(fā)展學生科學思維能力的重要載體,既是創(chuàng)設物理情境的重要手段,更是科學探究的重要內容。在物理教學中,設計有利于激活學生思維的物理實驗,引導學生提出問題和合理猜想、建立模型和設計方案、推理論證和歸納總結,在真實問題探究中發(fā)展學生的科學思維。因此,在物理教學中優(yōu)化實驗設計,有利于學生在學習過程中養(yǎng)成良好的思維習慣,提高科學思維能力,充分發(fā)揮實驗的教育功能。本文以“自由落體運動”的教學為例，展示實驗教學設計。

1 課標要求分析

“自由落體運動”是必修1模塊中“機械運動與物理模型”主題下的內容，課標的內容要求為：“通過實驗,認識自由落體運動的規(guī)律。結合物理學史的相關內容,認識物理實驗與科學推理在物理研究中的作用。”[1]通過實驗,即要學生體驗真實的實驗過程；認識規(guī)律,即要學生開展與自由落體運動聯(lián)系的思維活動,完成模型建構、探究物理規(guī)律、實現(xiàn)遷移應用。結合物理學史認識物理實驗與科學推理在物理研究中的作用,即要結合物理學發(fā)展過程中的關鍵事件,充分理解實驗探究和科學思維在物理學發(fā)展和社會進步過程中的巨大作用,在充分體驗和感悟中提高學生的科學思維能力。[2][3]

2 教學實驗設計

2.1 豐富演示實驗內容,增強學生模型建構的體驗

在教學中通過豐富演示實驗內容,以實驗創(chuàng)設真實情境,增強學生切身體驗,引導學生經(jīng)歷提出問題、合理猜想、收集證據(jù)、科學推理與論證,進而完成模型建構。在學生的生活經(jīng)驗及原有的知識體系中,他們對落體運動已經(jīng)有了一定認知,雖然能意識到導致物體下落快慢不同的原因是阻力,但這種前概念與自由落體運動模型還存在一定的認知差距。通過創(chuàng)設以落體運動事實為基礎的實驗情境,對影響物體下落快慢因素進行探究,符合學生的認知邏輯,激發(fā)了他們的學習興趣,增強了他們的切身體驗,在體驗質疑、反思領悟中完成自由落體運動模型的自主建構。這樣的演示實驗設計拓展了學生的思考空間,推進了思維進階(表1)。

表1

2.2 簡化實驗數(shù)據(jù)分析,提升學生的科學論證與表達能力

課程標準的要求為：通過實驗,認識自由落體運動的規(guī)律。教材在關于自由落體運動規(guī)律的探究中寫道：“我們依然可用打點計時器或頻閃照相進行探究”，顯然定量探究自由落體運動規(guī)律是重點。在課堂教學中利用紙帶和打點計時器，對重錘自由下落的運動進行實驗探究,數(shù)據(jù)處理過程較為對復雜、耗時較多。利用Excel軟件的自動計算和作圖功能,在實驗數(shù)據(jù)的分析和處理中,引導學生利用勻變速直線運動規(guī)律,分析數(shù)據(jù),剔除其中誤差較大的數(shù)據(jù)，運用圖像來探究自由落體運動的規(guī)律,深化他們對物理圖像的理解和應用,提升他們運用圖像表達物理規(guī)律的能力和科學論證能力，具體探究實驗設計如表2所示。

2.3 對實驗過程進行反思,養(yǎng)成質疑創(chuàng)新之習慣

物理教學中的實驗探究絕不僅僅是為了得到實驗結果,總結物理規(guī)律，實驗探究更重要的功能應該通過實驗，培養(yǎng)學生的實踐能力和創(chuàng)新思維能力。引導學生對實驗方法、實驗過程、實驗結果進行必要的反思,在反思中發(fā)現(xiàn)問題、提出問題,進而思考解決問題的方法,養(yǎng)成學生敢質疑、善質疑、能質疑的思維習慣,在不斷的反思和質疑中培養(yǎng)他們的創(chuàng)新思維能力，設計的實驗反思方案如表3所示。

2.4 重演史上經(jīng)典實驗,感悟思想方法之精妙

伽利略對自由落體運動的研究思路可以概括為：發(fā)現(xiàn)問題→提出猜想→數(shù)學推理→實驗驗證→合理外推→得出結論,創(chuàng)立了把科學受控實驗與數(shù)學、邏輯推理結合起來的科學研究方法，愛因斯坦對此作了高度評價：“伽利略的發(fā)現(xiàn)以及他所應用的科學的推理方法是人類思想史上最偉大的成就之一，而且標志著物理學的真正開端?！苯滩闹袑ⅰ白杂陕潴w運動規(guī)律探索回眸”安排在自由落體運動規(guī)律的學習之后,這樣的回溯有何意義？很顯然,教材這樣設計的目的不再是對運動規(guī)律的探索,而是要讓學生置身于伽利略所處的歷史年代,通過重演和經(jīng)歷研究過程中的關鍵實驗,讓學生深刻思考并感悟其中科學思想方法的精妙之處,反思科學研究方法的價值和意義,學習科學家的求知和探索精神，[2]對自由落體研究歷史回眸的教學設計如表4所示。

表3

表4

3 結語

高中物理實驗不僅僅只是操作或者得到實驗結論,應更多關注實驗過程中的問題的處理和實驗的設計、改進、分析。在物理實驗教學中也不應該片面追求運用技術手段提高實驗結果的準確性,更重要的是在實驗過程中發(fā)揮科學思維的力量,感悟科學思維方法的精妙。通過優(yōu)化物理課堂教學中的實驗設計,引領學生感悟實驗、體驗實驗、反思實驗、評價實驗,領會實驗設計的內在意義,感悟實驗探究的思想和方法,讓課堂物理實驗成為物理問題和物理思維的載體,發(fā)展學生的科學思維能力,提升學生的核心素養(yǎng)。[4]