基于科學(xué)探究素養(yǎng)觀培養(yǎng)的物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)開發(fā)策略研究

蔡嫦芳

摘 要：物理是一個(gè)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，利用觀察、操作等形式，不但可以讓學(xué)生理解物理學(xué)方面的理論概念、基本規(guī)律，同時(shí)還可以強(qiáng)化其科學(xué)探究能力，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任，形成科學(xué)探究素養(yǎng)觀。基于此，文章闡述了開發(fā)物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的意義，又對高中階段學(xué)生科學(xué)探究素養(yǎng)和實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新能力存在的問題進(jìn)行了分析，從四個(gè)不同方面提出了開發(fā)物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的策略，即基于生活實(shí)踐創(chuàng)新物理實(shí)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生科學(xué)探究思維；創(chuàng)新模擬實(shí)驗(yàn)，端正學(xué)生科學(xué)態(tài)度與責(zé)任；引導(dǎo)學(xué)生自創(chuàng)實(shí)驗(yàn)，強(qiáng)化學(xué)生科學(xué)思維能力；依托于先進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方法，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究素養(yǎng)觀。

關(guān)鍵詞：開發(fā)；物理實(shí)驗(yàn)；創(chuàng)新；學(xué)生；科學(xué)探究素養(yǎng)觀

近些年，物理學(xué)科課程改革工作日益深化，素質(zhì)教育理念大范圍推廣，通過開發(fā)物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)來培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力已經(jīng)成為物理學(xué)科在改革發(fā)展過程中的一個(gè)主流趨勢。在新型教育方針的指導(dǎo)下，科學(xué)探究素養(yǎng)主要表現(xiàn)為學(xué)生在參與物理實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的過程中，逐步形成有助于個(gè)人終身科學(xué)學(xué)習(xí)的一種科學(xué)探究能力，此能力的培養(yǎng)不但是目前高中物理課程改革工作的重點(diǎn)，而且也是每一位物理教師在開展物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中需要重點(diǎn)關(guān)注的一項(xiàng)內(nèi)容。但是在教學(xué)實(shí)踐過程中，由于多方面因素的影響，物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面仍存在諸多問題，對學(xué)生科學(xué)探究素養(yǎng)觀的培育形成了一定的不良影響，本文針對這些問題進(jìn)行了深入化探析，并提出了優(yōu)化策略，旨在進(jìn)一步改善物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)生的科學(xué)探究素養(yǎng)觀[1]。

一、開展物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的意義

第一，有助于學(xué)生形成更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)探究素養(yǎng)觀與責(zé)任觀。學(xué)生在參與物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)開發(fā)活動(dòng)的過程中，在教師的正確引導(dǎo)下，通過小組合作設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、演示并講解實(shí)驗(yàn)、觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、收集實(shí)驗(yàn)證據(jù)、分析論證、質(zhì)疑交流、不斷改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案等多個(gè)探究環(huán)節(jié)，可以極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)激情和自主性，提升了學(xué)生的思維能力、交流與合作能力、實(shí)踐能力、表達(dá)能力、創(chuàng)新能力、科學(xué)推理能力，形成更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)探究素養(yǎng)觀與責(zé)任觀[2]。

第二，有助于促進(jìn)教師成長發(fā)展，更好地開展個(gè)性化教學(xué)。教師鼓勵(lì)、引導(dǎo)學(xué)生參與到物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)開發(fā)過程中，體現(xiàn)了教師教學(xué)觀念和方式的改變，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生學(xué)習(xí)方式的變革，教師通過在教學(xué)過程中落實(shí)學(xué)生的“四動(dòng)”，即動(dòng)手、動(dòng)口、動(dòng)筆和動(dòng)腦，培養(yǎng)學(xué)生正確的價(jià)值觀念，形成必備的品格和關(guān)鍵能力，更好地落實(shí)學(xué)生物理學(xué)科科學(xué)探究素養(yǎng)的培育工作，而教師也可以從學(xué)生的創(chuàng)造性勞動(dòng)中得到啟迪，獲得靈感，有利于促進(jìn)自身發(fā)展和個(gè)性化教學(xué)。

第三，有助于構(gòu)建高效化物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)課堂。在物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)探究課堂中，師生共同參與其中，創(chuàng)新性地開發(fā)和利用各種與生活、社會(huì)、自然的實(shí)驗(yàn)資源，使得原本枯燥、乏味的實(shí)驗(yàn)教學(xué)融入了師生的生活體驗(yàn)，成為師生共同探求新知的過程，加強(qiáng)了師生之間的交流、溝通，真正實(shí)現(xiàn)了師生共研、積極互動(dòng)、共同發(fā)展，學(xué)生也逐漸消除了對教師的畏懼心理，促進(jìn)了民主、平等、和諧的課堂形成。

第四，有助于促進(jìn)物理新課程改革工作。學(xué)生通過參與高中物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)開發(fā)活動(dòng)，有利于節(jié)約實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)開支并為研發(fā)教具打下基礎(chǔ)，為教師在實(shí)際實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用“自主探究”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供參考素材，成為物理新課程改革方面的一條新思路[3]。

二、高中生科學(xué)探究素養(yǎng)培養(yǎng)現(xiàn)狀

（一）學(xué)生科學(xué)思維意識不強(qiáng)

學(xué)生已經(jīng)初步形成抽象思維，能基本完成對抽象理論的理解甚至表達(dá)，但在實(shí)際操作過程中，不能有效地進(jìn)行科學(xué)分析，對實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)方案等缺乏批判意識，物理模型構(gòu)建的水平太低，更沒有積極思考創(chuàng)新的習(xí)慣。足以看出在日常的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)中，教師在對學(xué)生思維方法、品質(zhì)的培養(yǎng)這一方面是欠缺的，更有甚者，教師與學(xué)生對核心素養(yǎng)的了解程度都不高。

（二）學(xué)生物理觀念固化

學(xué)生對物理實(shí)驗(yàn)的作用認(rèn)同度很高，普遍對物理實(shí)驗(yàn)抱有很大的熱情，但實(shí)際操作時(shí)又顯得有所顧慮，畏首畏尾。對物理知識的理解深度不到位，知識掌握的精度與深度完全不夠；所學(xué)知識零散不系統(tǒng)，嚴(yán)重缺乏綜合性，學(xué)生無法形成物理觀念，導(dǎo)致其應(yīng)用能力不強(qiáng)；學(xué)習(xí)缺乏自己的主觀思維，習(xí)慣于學(xué)校灌輸?shù)膶W(xué)習(xí)方式，部分學(xué)生甚至認(rèn)為這種方式更快捷、有效[4]。

（三）學(xué)生科學(xué)探究能力不足

目前，由于多方面因素的影響，國內(nèi)諸多學(xué)校的物理課程仍以傳統(tǒng)應(yīng)試教育模式進(jìn)行講授，師生對科學(xué)探究的態(tài)度不端正，認(rèn)識不足，教師講實(shí)驗(yàn)的情況時(shí)有發(fā)生，導(dǎo)致學(xué)生探究能力不足，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的結(jié)果不明顯；部分學(xué)生實(shí)驗(yàn)前缺乏準(zhǔn)備，實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)問題不提問、不思考，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后不總結(jié)、不反思，沒能有效地利用實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì)。實(shí)際上部分教師在這方面也存在短板，教師相關(guān)的實(shí)驗(yàn)培訓(xùn)較少，甚至教師資格證考試和教師招聘考試，實(shí)驗(yàn)的考查都很少，甚至不考查。很多學(xué)校的實(shí)驗(yàn)教師與理論教師并非同一人，雙方直接的溝通交流也較少，所以時(shí)常出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)課程、理論內(nèi)容“不匹配”的問題。

三、基于科學(xué)探究素養(yǎng)觀培養(yǎng)的物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)開發(fā)策略

（一）基于生活實(shí)踐創(chuàng)新物理實(shí)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生科學(xué)探究思維

物理學(xué)知識“遍布”生活的方方面面，物理教材中的文本內(nèi)容也可以在現(xiàn)實(shí)生活中找到與之相對應(yīng)的物理現(xiàn)象。所以，教師在對物理實(shí)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，可以把其中的一些生活現(xiàn)象用物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭庇^地表現(xiàn)出來，更好地開展物理教學(xué)工作。例如：教師可以把打籃球時(shí)的投籃動(dòng)作轉(zhuǎn)變?yōu)槲锢韺W(xué)中的“斜拋”，引導(dǎo)學(xué)生基于物理知識思考通過何種動(dòng)作、如何發(fā)力才可以提高籃球投射過程中的命中率，以便強(qiáng)化學(xué)生關(guān)于物理理論知識的理解與記憶，實(shí)現(xiàn)物理知識的靈活化應(yīng)用，并以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)一個(gè)與之相關(guān)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停趯W(xué)生生活實(shí)際創(chuàng)新設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑢⒖梢约ぐl(fā)學(xué)生在物理學(xué)習(xí)方面的興趣以及科學(xué)探究思維[5]。

比如：當(dāng)對“力與平衡”方面的內(nèi)容開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過程中，教師便可以引導(dǎo)學(xué)生回想自己在日常生活中做出穩(wěn)定身體動(dòng)作過程中，哪些因素能夠幫助自己更好地完成這些動(dòng)作，當(dāng)學(xué)生自主分享答案之后，教師便可以引出最終結(jié)論，同時(shí)教師可以讓學(xué)生利用橡皮筋、鉛筆、文具盒等工具現(xiàn)場建構(gòu)一個(gè)簡單的“力平衡模型”，使學(xué)生切身感受到“力與平衡”的現(xiàn)象。再比如：開展《超重與失重》一課教學(xué)的過程中，首先讓學(xué)生思考如何讓重錘扯斷紙帶并進(jìn)行實(shí)際操作，其次讓學(xué)生觀察電梯向上運(yùn)動(dòng)過程中，粘在電梯上的手機(jī)傳感器拉力示數(shù)的變化，引發(fā)關(guān)于超重和失重的思考。同時(shí)，在課堂上讓學(xué)生拿著手機(jī)做“下蹲—起立”的動(dòng)作，利用手機(jī)傳感器所測得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證學(xué)生的猜想，并檢驗(yàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。引導(dǎo)學(xué)生建立失重與重力之間的邏輯關(guān)系，為后面的分析奠定基礎(chǔ)，通過將創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)引入物理新課教學(xué)的模式，可以深化學(xué)生關(guān)于物理知識的理解，進(jìn)一步拓寬學(xué)生的認(rèn)知范圍，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)物理知識的過程中不再僅僅局限于教材內(nèi)容，而是找出現(xiàn)實(shí)生活中與之呈對應(yīng)關(guān)系的模型，激發(fā)學(xué)生科學(xué)探究思維。

（二）創(chuàng)新模擬實(shí)驗(yàn)，端正學(xué)生科學(xué)態(tài)度

基于課本內(nèi)容創(chuàng)新模擬實(shí)驗(yàn)，并將物理知識應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)生活，實(shí)現(xiàn)學(xué)以致用的效果，使學(xué)生形成科學(xué)態(tài)度以及責(zé)任感。比如：當(dāng)對“光導(dǎo)纖維及其應(yīng)用”方面的內(nèi)容進(jìn)行教學(xué)的過程中，若教師直接向?qū)W生講授光導(dǎo)纖維方面的內(nèi)容，即便學(xué)生掌握了最終的結(jié)論，也是通過死記硬背的形式掌握的，不但不能激發(fā)學(xué)生在學(xué)習(xí)方面的興趣，也不利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究素養(yǎng)觀。基于此，教師可以針對該方面內(nèi)容精心設(shè)計(jì)一個(gè)創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)，用激光照射從礦泉水瓶和彎曲的吸管流出的水產(chǎn)生的現(xiàn)象對“丁達(dá)爾實(shí)驗(yàn)”進(jìn)行模擬。首先用剪刀在礦泉水瓶底部側(cè)壁剪開一個(gè)小孔，然后將一小段彎曲的吸管插入其中，并利用膠帶進(jìn)行固定，然后向瓶子內(nèi)部灌水，當(dāng)瓶中的水裝滿之后，吸管便會(huì)噴射一股水流，將激光筆對準(zhǔn)水瓶下部的吸管小孔，并利用手指直接擋住吸管另外一端的水柱，手指上便會(huì)形成十分明亮的光斑。

當(dāng)學(xué)生觀看到該物理實(shí)驗(yàn)之后，便會(huì)發(fā)現(xiàn)激光可以從流著水的彎曲吸管中射出來，一些學(xué)生發(fā)現(xiàn)該種現(xiàn)象之后便會(huì)提出疑問，即光不是直線傳播嗎？為什么手指的位置會(huì)顯現(xiàn)出光斑呢？而激光筆照射的光束為什么會(huì)沿著水柱呈現(xiàn)出“彎曲傳播”呢？此時(shí)學(xué)生的心中將充滿疑問，教師便可以引入光的全反射原理，同時(shí)教師還可以借此繼續(xù)向?qū)W生提問，即光沿著水柱進(jìn)行“彎曲傳播”可以應(yīng)用在現(xiàn)實(shí)生活中的哪些方面呢？開展光纖應(yīng)用方面的教學(xué)，將可以使學(xué)生直觀地感受到物理知識在現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)以致用的思維，強(qiáng)化學(xué)生的科學(xué)探究思維，端正物理實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)方面的態(tài)度。

（三）引導(dǎo)學(xué)生自創(chuàng)實(shí)驗(yàn)，強(qiáng)化學(xué)生科學(xué)思維能力

物理實(shí)驗(yàn)包含兩種類型，其一是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，其二是探索性實(shí)驗(yàn)。其中對于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)來講，主要是對物理概念、物理規(guī)律等進(jìn)行驗(yàn)證，此種實(shí)驗(yàn)雖然可以幫助學(xué)生深化物理知識的理解，但是不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新與探索能力。而對于探索性實(shí)驗(yàn)來講，主要是由學(xué)生基于問題設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，積極主動(dòng)地探究相關(guān)物理問題，獲取物理知識，此種實(shí)驗(yàn)類型有助于培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考意識、科學(xué)探究能力，使學(xué)生掌握物理實(shí)驗(yàn)研究方法。而教師在開展物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過程中，要引導(dǎo)學(xué)生對驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)進(jìn)行創(chuàng)新，鼓勵(lì)學(xué)生將驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)樘剿餍詫?shí)驗(yàn)，提高學(xué)生在參與物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方面的成就感以及價(jià)值感。另外，教師也可以將物理作業(yè)作為切入點(diǎn)，由學(xué)生自主設(shè)計(jì)一個(gè)簡單的物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。

比如：當(dāng)對“重力與重心”方面的知識進(jìn)行講授的過程中，教師可以針對穩(wěn)度影響因素探究方面的課后作業(yè)，引導(dǎo)學(xué)生利用控制變量法的形式設(shè)計(jì)一種演示器，并基于控制變量法開展實(shí)驗(yàn)活動(dòng)。其中學(xué)生可以利用胡蘿卜、膠水、瓶蓋等器材開展創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)。首先用一根竹簽串上半根胡蘿卜，然后將竹簽的另一端插入瓶蓋之上，當(dāng)把胡蘿卜向下移動(dòng)至瓶口位置時(shí)，瓶子整體相對較為穩(wěn)定。若將胡蘿卜移動(dòng)至竹簽頂端位置時(shí)，瓶子整體將不再穩(wěn)定，輕微一碰便會(huì)傾斜，由此可知，當(dāng)支持面保持不變時(shí)，重心越高，那么穩(wěn)度便越差；此時(shí)若將一大塊泡沫中間挖出一個(gè)空洞，并把水瓶底部放入其中，那么此時(shí)瓶子的底部面積將明顯增大，瓶子便不再容易傾倒，由此可知，當(dāng)重心高度保持不變時(shí)，底部支持面積越大，則穩(wěn)度越好。在開展該探究性實(shí)驗(yàn)的過程中，學(xué)生需要思考多個(gè)問題，比如：如何通過控制變量法使支持面不變對重心進(jìn)行調(diào)整；如何保持重心不變改變支持面；選取何種材料才可以獲得更好的實(shí)驗(yàn)效果。此過程不但可以強(qiáng)化學(xué)生動(dòng)手能力，還可以提高學(xué)生的科學(xué)探究能力。

（四）依托于先進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方法，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究素養(yǎng)觀

物理是一個(gè)充滿獨(dú)特魅力的學(xué)科，可以利用讓學(xué)生參與物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的方式幫助學(xué)生深化關(guān)于物理知識的理解，提升學(xué)生的科學(xué)探究能力，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究素養(yǎng)觀。但是，教師在開展高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，個(gè)別實(shí)驗(yàn)載體相對較為復(fù)雜或者課堂時(shí)間不充足，導(dǎo)致無法完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程，對實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果形成了一定的不良影響。而在教育信息化快速化發(fā)展的時(shí)代環(huán)境下，高中物理教師要樹立開放、自由的教育理念，積極利用現(xiàn)代化先進(jìn)教學(xué)技術(shù)開展形式多樣化的演示實(shí)驗(yàn)，調(diào)動(dòng)學(xué)生在物理實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)方面的積極主動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究素養(yǎng)觀。

比如：當(dāng)對“分子及其熱運(yùn)動(dòng)”方面的內(nèi)容進(jìn)行講授的過程中，大部分比較關(guān)注布朗運(yùn)動(dòng)，但是關(guān)于布朗運(yùn)動(dòng)的實(shí)際情況，因無法用肉眼對布朗運(yùn)動(dòng)進(jìn)行觀察、分析，學(xué)生只能進(jìn)行猜測、想象，即便在實(shí)驗(yàn)過程中利用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行分析，但是由于課堂時(shí)間較短，學(xué)生也表示“不過癮”。針對該方面狀況，教師可以利用微機(jī)室中的電腦來通過虛擬實(shí)驗(yàn)軟件讓學(xué)生自主探究，學(xué)生可以基于個(gè)人興趣愛好選取不同的顆粒，然后利用虛擬軟件模擬不同顆粒的運(yùn)動(dòng)形態(tài)，讓學(xué)生更加仔細(xì)地觀察布朗運(yùn)動(dòng)形式，改善課堂教學(xué)效果。再比如：當(dāng)對“摩擦力”方面的內(nèi)容進(jìn)行講授的過程中，可以利用拉力傳感器、計(jì)算機(jī)軟件的方式開展教學(xué)，使學(xué)生在計(jì)算機(jī)軟件的輔助之下感受摩擦力的變化情況，得到清晰的實(shí)驗(yàn)圖像，學(xué)生可以感受到物理的神奇之處，激發(fā)個(gè)人在科學(xué)探究方面的興趣，逐步培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究素養(yǎng)觀。

結(jié)束語

總而言之，物理教師應(yīng)立足于教材內(nèi)容對物理實(shí)驗(yàn)進(jìn)行創(chuàng)新，并引導(dǎo)學(xué)生積極探究物理實(shí)驗(yàn)，逐步形成物理觀念以及科學(xué)思維，強(qiáng)化學(xué)生的科學(xué)探究能力、端正科學(xué)態(tài)度，實(shí)現(xiàn)提高學(xué)生科學(xué)探究素養(yǎng)觀的目的。在未來教學(xué)過程中，教師、學(xué)生應(yīng)當(dāng)繼續(xù)以科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度繼續(xù)探索，用心領(lǐng)悟、親自實(shí)踐，以便讓學(xué)生在參與物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的過程中逐步形成科學(xué)探究素養(yǎng)觀。

參考文獻(xiàn)

[1]劉春宇，張瑩，張挺聳.近代科學(xué)發(fā)展中的物理實(shí)驗(yàn)變革探索：評物理與化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)思維創(chuàng)新[J].中國高校科技，2023（Z1）：141.

[2]侯偉杰，陳善珂，邵渭泉.高中物理實(shí)驗(yàn)教育研究熱點(diǎn)與趨勢：基于CiteSpace的可視化分析[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2023（2）：69-72.

[3]張璇，韓哲，黃洪云.在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中培養(yǎng)大學(xué)生的科學(xué)精神[J].科技風(fēng)，2022（32）：49-51.

[4]胡文峰.高中學(xué)生對物理實(shí)驗(yàn)中科學(xué)方法認(rèn)知水平的測評研究：以等效替代法為例[J].華夏教師，2022（27）：64-66.

[5]于海波，張敏書，陳留定.中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究的國際經(jīng)驗(yàn)與趨勢展望：基于HistCite的圖譜量化分析[J].物理實(shí)驗(yàn)，2022，42（7）：50-62.