培養高中生科學探究素養的物理教學設計

【摘要】本文以人教版物理必修第一冊“實驗：探究小車速度隨時間變化的規律”教學設計為例，探討在課堂教學中通過利用教學素材、問題及學生活動培養高中生科學探究核心素養的途徑，以期為新課改背景下高中教師進行教學設計提供有效的參考。

【關鍵詞】高中物理 科學探究 核心素養 教學設計

【中圖分類號】G63 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2023）17-0075-04

目前廣西已進行高中新課程改革，教師越來越重視學生學科核心素養的培養，但如何在物理課堂教學中有效落實物理學科核心素養仍是一線教師面臨的難題。《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》明確了物理學科四個方面的核心素養，即物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任。其中，科學探究是指基于觀察和實驗提出物理問題、形成猜想和假設、設計實驗與制訂方案、獲取和處理信息、基于證據得出結論并作出解釋，以及對科學探究過程和結果進行交流、評估、反思的能力，主要包括問題、證據、解釋、交流等要素。本文以人教版物理必修第一冊運動學的初始課教學設計為例，探討如何在高中物理課堂教學中利用教學素材、問題及學生活動培養科學探究素養。

一、教學分析

（一）教學內容分析

本章的教學內容是讓學生以生活實例為背景，站在運動學的角度探尋勻變速直線運動的規律，并能解決一些實際問題。本節課是全章的首節，勻變速直線運動的速度與時間的關系是勻變速直線運動重要規律之一。本節課以實驗探究的形式充分發揮學生主體作用，通過實驗解釋運動特點及規律，進一步熟練運用第一章學習的打點計時器以及通過紙帶求解速度的方法，即在數學的極限條件下物體運動的平均速度近似等于瞬時速度。教材沒有在本章開始就直接定義勻變速直線運動，而是設置了本探究實驗，其目的是讓學生開展實驗探究，從引導學生提出研究變速運動物體的速度隨時間變化的規律這一問題入手，基于觀察和思考明確實驗所需測量的物理量——小車的瞬時速度，利用提供的實驗器材設計和改進實驗探究方案，完成實驗探究，如實記錄和正確處理實驗數據，根據描點作圖繪制出物體運動的速度—時間圖像，交流、討論得到小車速度隨時間的變化規律，讓學生體驗完整的實驗探究過程，體會實驗探究在物理學科中的作用和魅力，以此培養學生的科學探究素養。

（二）學情分析

從學生的前概念來看，學生在前一階段已經學習了位移、速度、平均速度、瞬時速度、加速度等描述物體運動狀態的物理量，也學習了打點計時器的使用，具備了開展實驗探究的基礎；從科學探究素養上看，學生已接觸過實驗探究，初步熟悉科學探究的要素，已具備一定的實驗探究基礎；從認知發展水平上看，高一學生的認知正處于由直觀認知向邏輯推理過渡的階段，他們已經初步具備了分析、歸納的能力。

（三）重點難點分析

本節的重點是提出探究勻變速直線運動規律這一問題、設計探究實驗方案、記錄和處理數據，根據數據描點作圖、分析歸納得到小車速度隨時間變化的規律。在實驗探究中掌握物理實驗基本技能，會使用打點計時器，能與他人合作進行探究實驗；在實驗中經歷設計實驗、處理實驗數據及總結歸納實驗規律等探究過程，初步掌握開展科學探究的基本方法，發展質疑精神和創新精神。本節的難點是通過探究實驗獲取和處理數據，分析總結得出小車速度隨時間變化的定量關系，提高分析數據、處理數據的能力與解決實際問題的能力。

二、教學設計思路

由于學生對通過探究實驗定量研究某種運動規律還很陌生，因此，教師首先通過創設情境啟發學生提煉探究問題，如利用生活中不同的變速運動創設情境，使學生置身于分析處理實際問題的背景之中，通過觀察和分析這類有規律的變速運動，提出將變速運動物體速度隨時間變化的規律以及測量物體的瞬時速度作為本課探究的問題；引導學生通過分析和思考探究問題，結合前面所學的打點計時器知識，設計和改進實驗探究方案；利用打點計時器打出的紙帶進行數據處理，求出小車運動的瞬時速度并填入表格。教師可以在學生無法僅從分析表格數據得出結論的情況下，引導學生考慮用速度—時間圖像展開研究，并引導學生思考怎樣做能夠使得到的曲線更符合規律。接著，教師指導學生根據實驗數據繪出速度—時間圖像，并進行誤差分析，總結得出小車速度隨時間的變化規律。最后，教師通過教材中的“做一做”和“想一想”兩個環節，針對實驗探究過程及實驗結果，引導學生用不同方式和從不同角度思考物體速度—時間圖像問題，提升學生分析問題和解決問題的能力。

三、實施課堂教學

（一）利用教學素材進行復習引入

教師活動：教師展示實驗器材（如圖1所示）以及瞬時速度公式v_n=x_n+x_n+1／2T。

問題：你能否根據圖1與公式聯想起前一章做過的實驗？還記得如何進行數據處理嗎？

學生活動：學生在問題的引導下聯想在前一章的學習中使用過的實驗器材和物體運動規律公式，為下一步開展探究實驗做準備。

【設計意圖】學生已基本掌握了前一章學過的用打點計時器測瞬時速度的方法，也基本掌握了用描點作圖的方法描繪物體速度—時間圖像的方法，但并不熟悉通過探究實驗對某種運動規律進行定量研究的過程。教師展示實驗儀器以及物理公式，其目的是引導學生回顧前一章學習過的打點計時器的使用、測瞬時速度的方法，為下一步開展探究實驗做準備。

（二）通過問題和活動設計引導學生分析和思考

教師活動：教師展示教學素材（如圖2所示）。

問題1：圖2中物體的運動是否是勻速直線運動？物體的速度如何變化？

學生活動1：學生運用所學知識分析生活中物體的運動情況。

問題2：生活中大部分物體的運動都是變速運動，但各自運動的加速情況不盡相同。結合前一章做過的實驗，思考如何研究變速運動的特點。

學生活動2：分析生活中的現象，引發思考的同時進一步明確實驗探究的目的。

【設計意圖】學生在日常生活中和初中階段的學習中對勻速直線運動已有初步的認識，但是生活中物體的運動基本都是變速運動，學生對此缺乏理性認知。教師利用生活中不同的變速運動創設情境使學生置身于分析處理實際問題的背景之中，通過觀察和分析這類有規律的變速運動，啟發學生提出實驗探究的問題——變速運動物體速度隨時間變化的規律以及如何測量物體的瞬時速度，培養學生的建模能力、能基于觀察和實驗提出物理問題的科學探究能力。

（三）通過問題和學生活動引導學生探究

1.設計實驗方案

教師活動：教師展示實驗器材（如圖3所示）。

問題1：若要研究小車在重物牽引下速度隨時間變化的規律，你覺得可以怎樣設計實驗？需要測量什么物理量？可以選用什么實驗器材？

學生活動1：學生觀察、思考并結合所學知識提煉出實驗探究的目的，與同學交流、探討，設計實驗方案。

問題2：大家設計的方案是否合理？實驗中還應注意哪些問題？實驗還有哪些方面需要改進？如何根據實驗方案設計記錄實驗數據的表格？

學生活動2：學生就實驗方案展開討論，以各物理量的測量為導向進行論證。論證過程中，學生展示并描述實驗方案，其他學生質疑論證。

教師活動：問題1主要讓學生明確實驗的目的是研究速度隨時間變化的規律，教師需引導學生結合物體瞬時速度的測量和加速度的定義，合理選擇實驗器材并制訂探究實驗的方案，尤其關注選用的器材與需要測量的物理量的對應關系；問題2是引導學生對比和討論實驗方案，使學生在論證和評價中完善實驗方案，教師需在其中穿插講解實驗儀器的使用要點，如打點計時器紙帶的放置、紙帶穿過限位孔后應該展平、關注小車的起始位置等，使學生養成正確使用實驗器材的習慣。

【設計意圖】學生根據實驗目的和實驗器材觀察、思考、交流，同時對比其他小組設計的方案，分析和思考需要探究的問題，結合前面所學的打點計時器知識，設計和改進實驗探究方案，提升科學探究素養。

2.開展實驗并記錄數據

問題1：如何正確選擇三次實驗中打出的紙帶？紙帶上所有的點是否都能夠進行數據處理？如何選擇紙帶上的計數點？

問題2：對紙帶進行數據處理后如何在實驗數據表格中記錄瞬時速度？如何確定在數據處理過程中紙帶上計數點的選擇與表格中的時間間隔是否一致？

學生活動：學生思考教師提出的問題，掌握處理打點計時器紙帶的數據的方法，并能確保處理的數據與實驗記錄表格中的時間間隔一致，進而正確記錄數據。

教師活動：教師限定學生進行實驗探究的時間，并在教室中進行巡視。注意不應過多干預學生的探究實驗，只對主動提出問題或是需要幫助的學生進行指導，同時記下學生實驗過程中做得好的方面以及存在的典型問題。

【設計意圖】問題1主要是引發學生思考在對打點計時器紙帶進行數據處理時容易出現的典型問題，進而掌握正確處理紙帶數據的方法，也為學生正確解答實驗試題中打點計時器的紙帶問題打牢基礎。問題2是讓學生明確處理數據與實驗記錄的對應關系，提高學生獲取和處理信息等科學探究能力。本環節引導學生正確選擇紙帶、計時起點，正確計算各計數點的瞬時速度，培養學生實事求是地記錄實驗數據的態度，同時培養學生在科學探究中獲取和處理信息的能力。

3.嘗試處理實驗數據，重溫描點作圖

教師活動：教師展示上一環節得出的實驗數據（如表1所示）。

問題1：大家能夠根據表格中的數據，直接得到小車速度隨時間變化的規律嗎？兩者之間是否存在定量關系？

學生活動1：學生通過觀察表格中的數據無法直接得出速度隨時間變化的定量關系，意識到需要尋找其他方法進行研究。

問題2：你是否還記得初中學過的函數圖象？能否從中獲得研究速度隨時間變化規律的啟發？描點作圖時如果出現偏離較大的點是否合理？該怎么處理？

教師活動：教師引導學生回顧前一章學過的知識和方法，讓學生掌握正確的描點作圖方法。若表格中的數據并不是落在一條直線上，教師可以指導學生讓盡可能多的點落在直線上，或是讓不在直線上的點均勻地分布在直線的兩側；如果個別數據離直線太遠，可以考慮實驗測量的誤差并將此點舍去。

學生活動2：學生描點作圖，觀察思考。

【設計意圖】學生在問題的引導下，結合前一章所學的知識，嘗試將實驗數據轉換為物體運動的速度—時間圖像，在探究中掌握重要的數學方法——利用函數圖象來分析物理問題，從而提高科學探究能力。

4.思考剪貼紙帶法的合理性

問題1：大家是否考慮過借助計算機軟件，作出小車運動的速度—時間圖像？

教師活動：教師通過錄屏的方式向學生展示運用Excel軟件繪制圖像的方法。

學生活動1：學生觀察教師利用軟件將實驗記錄表中的數據迅速、準確地繪制出速度—時間圖像的全過程。

問題2：大家參考課后的探究任務“想一想”，將實驗得到的紙帶每隔0.10 s剪斷得到短紙條，再把這些短紙條下端對齊，并排貼在一張紙上。以紙條寬度方向為時間坐標軸（橫軸）、紙帶長度方向為速度坐標軸（縱軸），最后將紙條上端的中心點連起來，得到小車運動的速度—時間圖像，大家覺得這種做法有道理嗎？

教師活動：教師引導學生分析每段紙帶長度與相等時間間隔內的位移是一一對應關系，紙條的長度與這段位移的平均速度成正比。

學生活動2：學生運用“剪貼紙帶法”，從不同角度思考速度—時間圖像問題。

【設計意圖】問題1是利用教材中的“做一做”，讓學生知道利用計算機軟件進行科學研究是非常方便和實用的。教師指導學生根據實驗數據繪出速度—時間圖像，找出運動規律，并進行誤差分析，還可以進一步論證線性規律的合理性，如在尋找趨勢線規律時，把趨勢線選項設置成二次函數或其他非線性函數，根據圖像判斷出不合理性，從而培養學生運用信息技術進行實驗探究的能力。問題2是教材“練習與應用”中的習題，體現了物理中等效的重要思想，這是對本節課知識理解更高層次的要求，培養學生從不同角度思考問題和解決問題的能力。本教學環節在科學探究中培養學生交流、評價、反思的能力。

（四）通過探究得出結論

通過實驗探究活動，學生分析歸納得出實驗結論：表格中的數據基本分布在一條直線上；通過觀察和思考擬合而成的圖像，得出小車速度與時間的變化規律，即小車的速度隨時間均勻變化，也就是加速度保持不變。

四、反思與總結

物理實驗是學生理解和掌握物理知識的重要手段。本課以學生實驗探究為主線，在選擇實驗器材、設計實驗方案、開展課題實驗以及記錄和處理數據等教學環節中，通過精心挑選素材、精心設計問題與學生活動，一方面提升了學生實驗設計、處理信息、做出解釋等科學探究能力，另一方面讓學生在探究過程中發現實驗規律、自主總結科學規律，發展了科學探究核心素養。本課的教學設計，有別于以往的“講實驗”代替“做實驗”“教師演示、學生觀摩”的教學方式，而是立足于學生的發展，讓學生親歷科學探究過程，學會從物理學科的視角認識物理規律，形成物理觀念，激發科學思維，培養科學探究精神；此外，學生還在這一過程中相互學習，取長補短，提升個人綜合素養。值得注意的是，教師在實驗探究過程中應充分調動學生的學習熱情，鼓勵學生大膽質疑和改革創新，發揮學生的主觀能動性，讓學生在觀察、思考、交流、探索中不斷發展科學素養。此外，物理實驗探究形式不是固定的，在具體的課堂實施中學生的思維是開放式的，教師應根據教學內容和教學目的有效引導學生，避免出現無法完成課堂教學任務的情況。與此同時，教師還應立足于學生物理學科核心素養的培養，注重對學生進行長期訓練，激發學生的學習興趣，增強學生的科學探究意識，讓學生在實踐中掌握物理知識、在探究中理解物理規律。

參考文獻

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［3］梁旭.基于核心素養的教學設計需要關注的幾個問題［J］.中學物理，2018（9）.

［4］冷高勇.探究式物理實驗教學的有效性［J］中學物理，2013（11）.

注：本文系首都師范大學教師教育學院承擔的領航者計劃·廣西壯族自治區“未來名師”項目（桂教辦〔2021〕905號）的階段性成果。

作者簡介：顧慧明（1980— ），廣西賓陽人，大學本科，教育碩士，高級教師，主要研究方向為高中物理教學研究。

（責編 劉小瑗）