高中物理實驗教學(xué)中科學(xué)思維能力的培養(yǎng)策略探究

【摘要】科學(xué)思維能力是物理核心素養(yǎng)的重要維度。實驗教學(xué)是物理教學(xué)的重要形式，是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維能力的支撐。在核心素養(yǎng)背景下，教師以實驗教學(xué)為抓手，應(yīng)用多樣策略培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力。文章將聯(lián)系教師現(xiàn)有經(jīng)驗，分析在高中物理實驗教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維能力的策略。

【關(guān)鍵詞】高中物理；實驗教學(xué)；科學(xué)思維能力；培養(yǎng)策略

作者簡介：謝書琴（1978—） ，女，江蘇省泰興市虹橋鎮(zhèn)第三高級中學(xué)虹橋校區(qū)。

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡稱“新課標(biāo)”）凝練了物理核心素養(yǎng)，指明了物理教學(xué)方向。科學(xué)思維是物理核心素養(yǎng)的四大維度之一。新課標(biāo)指明了科學(xué)思維在物理實驗中的表現(xiàn)，如從眾多的科學(xué)現(xiàn)象和事實中，抽象出物理概念，善用邏輯推理和演繹推理設(shè)計物理實驗；在實驗操作過程中，應(yīng)用解決科學(xué)問題的一般規(guī)律和方法步驟，解決實驗中的種種問題等［1］。由此可見，物理實驗是學(xué)生發(fā)展科學(xué)思維能力的支撐。在參與物理實驗的過程中，學(xué)生要有模型意識和能力；能進行科學(xué)推理，借助定量、定性分析，總結(jié)實驗規(guī)律；能利用事實證據(jù)進行科學(xué)探究，表述個性想法；能大膽創(chuàng)新，多角度地思考，提出問題，使用多樣方法解決問題，如此才能在建構(gòu)物理認知、儲備實驗經(jīng)驗的同時，順其自然地發(fā)展科學(xué)思維能力，提升物理學(xué)習(xí)效果。鑒于此，在實施高中物理教學(xué)時，教師要以實驗教學(xué)為抓手，以科學(xué)思維表現(xiàn)為入手點，應(yīng)用多樣策略引導(dǎo)學(xué)生運用科學(xué)思維，潛移默化地發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維能力。

一、創(chuàng)設(shè)實驗情境，建構(gòu)模型

建構(gòu)模型是科學(xué)思維的具體表現(xiàn)，也是學(xué)生發(fā)展科學(xué)思維能力的依托［2］。新課標(biāo)提倡教學(xué)情境化，要求教師在課堂上創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境，使學(xué)生在情境中建構(gòu)物理認知，發(fā)展核心素養(yǎng)。實驗情境是物理教學(xué)情境的重要構(gòu)成，能夠為學(xué)生提供建構(gòu)物理模型的空間，助推學(xué)生發(fā)展科學(xué)思維能力。對此，在實施物理實驗教學(xué)時，教師應(yīng)創(chuàng)設(shè)實驗情境，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力。

以“探究影響通電導(dǎo)線受力的因素”的教學(xué)為例，在學(xué)習(xí)該內(nèi)容之前，學(xué)生已經(jīng)知道了磁場的概念。鑒于此，在課堂上，教師利用電子白板展示磁鐵及其周圍的磁場的圖片。結(jié)合圖片內(nèi)容，教師向?qū)W生提出問題：“磁鐵的周圍有磁場，那么，我們可以怎樣描述磁場的大小呢？”在問題的作用下，學(xué)生積極思考，遷移已有認知，提到“磁感線的疏密”。基于此，教師繼續(xù)在電子白板上播放視頻，進行引導(dǎo)：“從視頻中可以看出，通電導(dǎo)線周圍存在磁場，能吸引回形針。磁場越強，吸引的回形針的數(shù)量越多。電流的磁效應(yīng)使我們知道，電流的周圍存在磁場。”

教師為學(xué)生創(chuàng)設(shè)了情境，呈現(xiàn)了磁場的對象模型。在對象模型的作用下，學(xué)生發(fā)揮自主性，遷移已有認知，建構(gòu)新的認知，深入探究新知。同時，學(xué)生在體驗情境的過程中，不斷地與磁場對象模型互動，這有利于學(xué)生形成模型建構(gòu)意識，發(fā)展科學(xué)思維能力。

二、關(guān)注實驗設(shè)計，科學(xué)推理

在物理實驗教學(xué)中，完整的實驗設(shè)計是學(xué)生進行科學(xué)推理的依據(jù)。在實施高中物理實驗教學(xué)時，教師要關(guān)注實驗設(shè)計，以實驗?zāi)康摹嶒炘怼嶒灧桨笧榍腥朦c，有策略地引導(dǎo)學(xué)生進行科學(xué)推理，發(fā)展其科學(xué)思維能力。

（一）明確實驗?zāi)康模_定科學(xué)推理前提

實驗?zāi)康氖菍W(xué)生借助已有理論進行合理猜想和假設(shè)的基礎(chǔ)。明確實驗?zāi)康模梢允箤W(xué)生了解自變量和因變量，繼而猜測它們之間的關(guān)系，實現(xiàn)科學(xué)推理［3］。所以，在實施實驗教學(xué)時，教師可以以實驗?zāi)康臑榍腥朦c，讓學(xué)生了解要做什么，繼而遷移已有理論，探究問題，積極探尋解決問題的方法，由此實現(xiàn)合理推理。

以“探究影響物體下落快慢的因素”的教學(xué)為例，在實施演示實驗時，教師開門見山地展示本次的實驗?zāi)康模骸疤骄坑绊懳矬w下落快慢的因素有哪些。”在了解實驗?zāi)康暮螅瑢W(xué)生開動腦筋，聯(lián)系已有認知，提出猜測，如“重的物體下落得快”。提出猜測后，學(xué)生產(chǎn)生了強烈的探究興趣。于是，教師把握時機，引導(dǎo)學(xué)生進行實驗。在實驗過程中，學(xué)生依據(jù)教師提出的要求，將一張白紙一分為二，將其中一半平鋪，另外一半團成球。然后，學(xué)生從同一高度，將其同時拋下。在這一過程中，學(xué)生認真觀察實驗現(xiàn)象，以驗證猜想。之后，教師利用電子白板演示牛頓管實驗，繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生進行猜想、觀察和總結(jié)，由此實現(xiàn)科學(xué)推理。

實踐證明，學(xué)生在明確的實驗?zāi)康牡淖饔孟拢梢杂嗅槍π缘靥岢霾聹y，進行實驗，觀察實驗現(xiàn)象，得出實驗結(jié)論，建構(gòu)良好認知。同時，學(xué)生也在這一過程中經(jīng)歷了科學(xué)推理過程，發(fā)展了科學(xué)思維能力。

（二）選擇實驗原理，確定科學(xué)推理策略

實驗原理是實驗?zāi)康呐c實驗方案之間的橋梁，是確定科學(xué)推理策略的基礎(chǔ)。對此，在實施實驗教學(xué)時，教師要引導(dǎo)學(xué)生探究實驗變量，通過改變實驗條件與變量來選擇實驗原理，為確定科學(xué)推理策略奠定基礎(chǔ)。

仍以“探究影響物體下落快慢的因素”為例，在實施教學(xué)之前，教師聯(lián)系生活，將生活中各種常見的物品作為實驗對象。在演示牛頓管實驗時，教師將羽毛和鐵片作為實驗對象。在實驗過程中，為了確保羽毛和鐵片能同時下落，教師將一個磁鐵放在牛頓管上，并保證其他實驗條件不變。學(xué)生認真觀看實驗，觀察實驗現(xiàn)象，由此建構(gòu)認知，同時確定了實驗的變量，了解了控制變量法。最后，教師重點引導(dǎo)學(xué)生思考如何優(yōu)化實驗方法。又如，鋼球運動軌跡這一實驗的目的是讓學(xué)生直觀地觀察曲線運動的速度方向。教師將沾有紅色印泥的鋼球作為實驗對象，鋼球在白紙上運動時，會留下印記，此印記正是鋼球離開軌道時的速度方向。但是，在實際實驗操作過程中，受到多種因素的影響，鋼球在白紙上留下的印記不明顯。對此，學(xué)生發(fā)揮自主性，觀察、分析教師呈現(xiàn)的生活物品，從中做出選擇，將軟尺作為研究對象。

在實驗過程中，學(xué)生以實驗?zāi)康臑橹敢徊讲降靥綄そ鉀Q問題的方法，找出了實驗原理，確定了實驗方法。這有利于學(xué)生設(shè)計科學(xué)推理策略，推動實驗活動的順利進行，同時有利于學(xué)生循序漸進地進行科學(xué)推理，發(fā)展科學(xué)思維能力。

（三）設(shè)計實驗方案，實施科學(xué)推理過程

實驗方案是學(xué)生進行科學(xué)推理的依據(jù)［4］。科學(xué)推理的過程正是學(xué)生發(fā)展科學(xué)推理能力的過程。在課堂上，教師要了解學(xué)生的學(xué)情，確定實驗重難點，引導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計實驗方案。在設(shè)計實驗方案后，教師則要依據(jù)科學(xué)推理步驟（選擇器材并安裝、實驗操作、得到數(shù)據(jù)、改變自變量、整理計算數(shù)據(jù)、得出結(jié)論、計算分析實驗誤差），讓學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)推理過程。

以“驗證動量守恒定律”的教學(xué)為例，學(xué)生先后了解了加速度、基本的動力學(xué)知識，但對運動中的碰撞定量不夠了解。本節(jié)課的教學(xué)重難點是理解動量守恒定律，而學(xué)生對動量守恒定律的理解停留在理論層面。基于此，教師引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計驗證動量守恒定律的實驗。教師先利用蹺蹺板創(chuàng)設(shè)生活情境，引出動量守恒定律。接著，教師為學(xué)生提供實驗器材，如磨砂紙、彈簧、指示燈等，并提出實驗要求：“選取合適的實驗器材，設(shè)計三種驗證動量守恒定律的實驗方案。”在提出要求后，教師鼓勵學(xué)生與小組成員交流。在交流的過程中，學(xué)生提出自己的看法，與小組成員進行思維碰撞，逐步達成統(tǒng)一認知，如“本次實驗要測量的物理量是質(zhì)量和速度，測量速度是實驗的關(guān)鍵所在”。接著，學(xué)生設(shè)計實驗方案，如用計算機系統(tǒng)中的Tracker軟件，選擇蹺蹺板上的兩個小車上的任意一點作為坐標(biāo)原點，分別對其運動過程中的速度進行追蹤和測量。設(shè)計完實驗方案后，學(xué)生開始進行實驗，獲取實驗數(shù)據(jù)，并與小組成員合作，分析、處理數(shù)據(jù)。在此過程中，不少小組使用天平測量物體質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)實驗誤差在允許的范圍內(nèi)，由此確定整個系統(tǒng)的動量為零。最后，教師立足學(xué)生的實驗情況，引導(dǎo)學(xué)生進行總結(jié)。

這樣切實地讓學(xué)生經(jīng)歷了科學(xué)推理過程。在此過程中，學(xué)生不僅設(shè)計了實驗方案，進行了實驗操作，分析了實驗數(shù)據(jù)，總結(jié)了實驗，建構(gòu)了良好的物理認知，還切實地進行了科學(xué)論證、質(zhì)疑與創(chuàng)新及科學(xué)推理，這有利于提高學(xué)生的科學(xué)思維能力。

三、關(guān)注實驗方法，科學(xué)論證

科學(xué)論證是學(xué)生發(fā)展科學(xué)思維能力的途徑之一。科學(xué)論證的過程是學(xué)生應(yīng)用科學(xué)的方法解決問題的過程，實驗方法正是學(xué)生解決問題的方法。因此，在實施高中物理實驗教學(xué)時，教師要關(guān)注實驗方法，引導(dǎo)學(xué)生有方法地操作實驗，使其在完成實驗任務(wù)的同時，掌握實驗方法，學(xué)會科學(xué)論證，發(fā)展科學(xué)論證能力，提高科學(xué)思維能力。

以“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”的教學(xué)為例，分析數(shù)據(jù)是實驗的重頭戲。為使學(xué)生提升實驗數(shù)據(jù)分析效果，教師引導(dǎo)他們使用傳感器測量加速度和力。在現(xiàn)代信息技術(shù)的輔助下，學(xué)生輕松地獲取了數(shù)據(jù)，并利用Excel表格輸入公式，繪制了函數(shù)圖像。接著，學(xué)生遷移數(shù)學(xué)經(jīng)驗，在控制變量的情況下，運用數(shù)形結(jié)合思想分析函數(shù)圖像，確定加速度與其余兩個變量之間存在函數(shù)關(guān)系。立足學(xué)生的分析情況，教師繼續(xù)鼓勵學(xué)生與小組成員合作，分析、處理實驗數(shù)據(jù)。在此次合作的過程中，大部分小組自覺地使用現(xiàn)代信息技術(shù)，在計算機上繪制加速度a與質(zhì)量m的函數(shù)圖像，并將其轉(zhuǎn)化為a與F的函數(shù)圖像，由此得出結(jié)論：在質(zhì)量保持不變的情況下，a∝F，以及在物體所受合力一定時，a∝m-1。

由此可見，學(xué)生經(jīng)歷驗證性實驗的探究過程，不僅可以掌握驗證性實驗探究的學(xué)習(xí)方法，還可以獲取其他實驗方法，如用信息技術(shù)分析數(shù)據(jù)、用數(shù)學(xué)知識解決物理問題等，由此豐富實驗方法儲備，提高物理實驗水平，從而發(fā)展科學(xué)論證能力，提高科學(xué)思維能力。

四、進行實驗創(chuàng)新，創(chuàng)新思維

創(chuàng)新是學(xué)生發(fā)展科學(xué)思維能力的途徑。實驗創(chuàng)新，不但是增強實驗教學(xué)效果的方式，還是發(fā)展學(xué)生創(chuàng)新思維能力、提高學(xué)生科學(xué)思維能力的方式［5］。在高中物理實驗教學(xué)中，實驗器材、實驗測量方法都是創(chuàng)新切入點。因此，在實施教學(xué)時，教師要依據(jù)教學(xué)需要，立足不同的切入點，有針對性地進行實驗創(chuàng)新，以豐富學(xué)生的實驗經(jīng)驗，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維能力。

以“探究兩個互成角度的力的合成規(guī)律”的教學(xué)為例，在傳統(tǒng)的實驗教學(xué)中，教師一般利用圖1的實驗裝置引導(dǎo)學(xué)生動手操作。

這樣的實驗裝置雖然簡單，但操作和畫圖過程都較為復(fù)雜。針對此情況，教師創(chuàng)新實驗裝置，如圖2。

在實驗過程中，教師在黑板上固定帶有彈簧的吸盤，同時用吸盤將木質(zhì)板固定在黑板上。之后，教師找到力臂的合適位置，將彈簧上的兩根細繩跨過兩個滑輪，并在細線下方懸掛鉤碼。在拿掉鉤碼后，用彈簧測力計將一根細繩拉到與另外一根細繩相同的位置，利用平行四邊形定則作圖，如此反復(fù)進行測量。這樣的實驗裝置比較簡單，且可輕松、直觀地展現(xiàn)實驗現(xiàn)象。

在創(chuàng)新性的實驗器材的作用下，學(xué)生會受到無形的熏陶，增強創(chuàng)新欲望，積極創(chuàng)新，發(fā)展科學(xué)思維能力。

總之，在實施高中物理實驗教學(xué)時，教師可以以科學(xué)思維的具體表現(xiàn)為入手點，聯(lián)系教學(xué)需要，應(yīng)用多樣策略實施實驗教學(xué)，如創(chuàng)設(shè)實驗情境、關(guān)注實驗設(shè)計、關(guān)注實驗方法、進行實驗創(chuàng)新，讓學(xué)生建構(gòu)模型，科學(xué)推理，科學(xué)論證，創(chuàng)新思維，由此發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維能力，提升實驗教學(xué)效果。

【參考文獻】

［1］孫啟奎.基于核心素養(yǎng)的高中物理教學(xué)策略探析［J］.文理導(dǎo)航（中旬），2021（10）：42-43.

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［3］徐學(xué).高中物理生態(tài)課堂理念下培養(yǎng)科學(xué)思維能力的探索：以彈簧連接體仿真實驗培養(yǎng)為例［J］.物理教師，2020，41（06）：20-23，28.

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［5］劉存賢.高中物理實驗教學(xué)中學(xué)生科學(xué)思維能力的培養(yǎng)初探［J］.新課程（下），2019（10）：203.