指向深度探究的高中物理實驗教學設計與實踐研究

課題項目：文章系福清市教育科學研究課題《指向深度探究的高中物理實驗教學設計與實踐研究》（課題編號：FQ2023GH043）的主要研究成果。

作者簡介：陳主生（1985～），男，漢族，福建福州人，福建省福清華僑中學，研究方向：高中物理教學。

摘? 要：高中物理課程的教學內容比較多，與數學、化學、生物學和地理學課程都有一定的聯系，對學生綜合素養的要求較高，學習難度也比較大。實驗作為高中物理課程必不可少的組成部分，做好其教學工作能夠有效提升物理學科的總體教學質量。所以，教師應該通過對教學設計與實踐的創新，樹立學生的主體地位，推動學生在實驗中主動且深度開展學習探究，發揮學生的主觀能動性，師生相互配合創造出優秀的實驗教學質量。

關鍵詞：高中物理實驗教學；深度探究；高中物理實驗教學設計

中圖分類號：G633.7??? 文獻標識碼：A??? 文章編號：1673-8918（2024）08-0116-06

新課程、新教材和新高考給高中物理實驗教學帶來了巨大的變化，如何通過物理實驗教學培養學生的探究能力與核心素養已經成為教育界普遍關注的一個重要問題。在此背景下，高中物理教師應該擺脫傳統的、知識型教學的思維，在思路和方法上進行創新，以新穎的設計反映時代發展的步伐和學生成長的需求，為國家和社會輸送具備探究和創新能力的優秀人才，同時也使物理知識技能真正成為學生認知體系的組成部分，能夠幫助他們解決現實生活中的實際問題。

一、 高中物理實驗教學的現存問題

所謂“深度探究”指的是一種學習狀態，是師生在教學中達到“深度學習”水平的必然渠道。深度探究需要學生實現對知識的深入理解，能夠在情境中有效運用知識技能，解決現實中的物理問題，增強學生的思維能力，是高中生物理學科核心素養持續發展的重要前提條件。但是，在傳統應試教育思想的影響下，高中物理教學，包括實驗教學，缺少“深度探究”，學生主要解決的是題目中的“現成”問題，與現實生活沒有密切關系，學習本身以比較被動、機械的模式為主。

在上述教學模式下，學生無法全身心地投入學習活動，學習過程主要是被動接受教材上的知識內容和對教師實驗示范的簡單模仿，缺少對知識的質疑和批判、對實驗過程的思考以及對學習收獲的驗證和鞏固。相應的，學生對已經完成的學習活動開展反思，也以“知識性”的反思為主，即判斷結果的“對錯”，缺少對整個學習過程的分析以及對知識的遷移和應用。這使得學生難以體會物理學科領域的科學原理、思維方法與實際價值，無法達到全面培養學生物理課程核心素養的良好效果。

二、 高中物理實驗教學現存問題的產生原因

（一）缺少對學生興趣的激發

高中物理實驗教學現存問題，是由各方面原因所共同構成的。這些原因導致傳統教學模式缺少對學生自主探究的關注，有助于學生深度探究的教學方法大量缺失。比如，以往高中物理教師在知識型教學模式下缺少對學生興趣的有效激發。部分高中物理教師鮮少開展實驗教學，還有的教師雖然組織了實驗教學活動，但對學生提出了較多的限制。從實驗準備到實驗結果，已經“提前”被教師所規劃好。學生出現任何不同的操作，或者結果與最初的設計不一樣，就會被教師認為實驗中出現了問題或錯誤。在這樣的情況下，學生感到動手實踐缺少實際意義。

因為在學生看來，他們只是要記住知識而已，教師已經給出了這些知識，實驗只是教師為了驗證大家是否“記熟”了理論知識，而不是去探索物理現象。實驗操作也不過是在對教師進行模仿。學生對此感到枯燥無趣、浪費時間。高中生不參與或者很少參與物理實驗，動手能力差，缺乏解決實際問題能力的現象因此而屢見不鮮。雖然高中生所學習的物理知識還達不到非常“深奧”的程度，但他們仍然會感覺到一定的學習難度，因為其頭腦中存在大量沒有經過實踐整合的、抽象的知識點，并不足以帶領他們領略豐富多彩的物理世界。

（二）缺少對教學模式的創新

在以往的教學實踐中，已經有部分高中物理教師發現了實驗教學存在的問題，認識到傳統的教學模式已經無法跟上時代的發展。新型的高中物理實驗教學應該讓學生經歷物理學研究的一般過程，能夠獲得令學生感到充滿收獲感和成就感的探究體驗，為自己成功的預測實驗結果或優秀的動手能力而欣喜，感受自身物理課程核心素養的持續進步。要讓學生在這樣積極向上、能夠滿足自身成長需求的氛圍下順利地吸收所學知識，用于克服學習過程中出現的各種困難，逐漸學會調整自己的學習探究方法，配合教師進行教學設計的優化或開展新的學習實踐。

然而，部分高中物理教師產生上述認識后，并不是對教學模式進行創新，而只是增加高中物理實驗教學的時間比例，對學生的動手操作提出更多、更加嚴格和細致的要求，寄希望于學生能夠因此而得到更為充實的實驗體會。結果適得其反，增大了學生的學習壓力，使得學生產生了更多的挫敗感，沒有感到實驗的有趣，也缺少成功的喜悅，反而對物理實驗感到畏懼、退縮，對“為什么實驗總是不成功”“為什么理論知識與實驗結果不匹配”等問題感到非常困惑，乃至逐漸失去對物理實驗的興趣和信心。

（三）缺少對教學設計的優化

教學模式的僵化導致了教學設計不能根據實際需要及時地優化完善。根據具體教學內容和教學目標的不同以及學生在不同階段所表現出的能力發展程度與成長需要，高中物理實驗教學應該有靈活的設計，不能千篇一律。比如，“運動的描述”一章，可以由學生利用家中物品進行簡單實驗，實驗設計交給學生自己。學生可以結合數字設備進行視頻拍攝等記錄實驗過程，課堂上再進行演示、分享，與教師的實驗示范進行對比，找到并解決自身實驗中存在的問題，實現對理論知識的深度理解。

而同樣是“運動的描述”，如果實驗設計不夠靈活，可能需要學生必須在實驗室完成實驗，學生要達到非常嚴格的要求，乃至進行大量對于速度和加速度的繁瑣計算。這本來應該屬于對生活實驗進一步優化，而不是直接呈現給學生，增大學生的學習難度。又如，實驗探究力的合成、分解或共點力的平衡，本來可以使用有趣的網絡視頻激發學生的興趣，讓學生以類似“疊積木”的方式進行實驗，展開趣味的實驗探究活動。但教師的實驗設計只是讓學生對很簡單的問題進行受力分析并進行有限的調整和反復的計算，很難起到較好的實驗教學效果。

三、 深度探究對高中物理實驗教學的重要性

相較于傳統的教學模式，深度探究有賴于學生強烈的學習動機和自我發展需要，在新課程、新教材和新高考的指導下進行，能夠從根本上解決現存的各類問題。通過對“深度探究”的理解，高中物理教師能夠擺脫傳統的應試教育思維，教學的思路、方法和手段會更為靈活，物理實驗教學能夠為提高學生綜合的學習能力及核心素養而服務。高中物理實驗教學能夠出現新的形態，教師得以完善教學策略，學生獲得更為充實的學習體驗，實現“教學相長”，乃至成為高中物理教學質量整體進步的突破口。

深度探究的重要性，還在于能夠給師生雙方提供一個看待高中物理實驗教學的新視角，即站在物理學本質的角度，把實驗作為物理現象的探索，鼓勵學生大膽假設、小心求證，以科學的思維為基石放飛想象力，對尚未實驗驗證的物理現象進行各種猜測，再通過符合科學規范的實驗驗證自己的猜測是否正確。如果結果與預期不符，深度學習并不要求學生去強行“掰正”實驗結果，而是思考當前的結果說明了什么問題，從理論和實踐兩個層面進行調整，直到二者能夠完成“對接”。

四、 基于深度探究的高中物理實驗教學基本特征

（一）知識自主整合

基于以上論述，可以發現并總結出基于深度探究的高中物理實驗教學基本特征。首先深度探究強調高中物理知識的全面整合。傳統的高中物理實驗教學模式以教師的講解和示范為主，或者在課堂上加入一些簡單的小實驗作為“調劑”，學生并沒有較多親自動手實驗的機會。在這種模式下，學生很難得到實踐探究方面的知識，也就談不上知識上的整合。“深度探究”則是學生進行少量的、模式化的實驗，本質上是在嚴格模仿某種實驗操作，而不是自主探究，所得到的實踐知識也是有限的，整合的效果不好。

而深度探究因為是由學生自己參與到實驗設計，自己設想實驗的結果和流程，提出相對應的物理知識，所以學生在親自動手實驗中能夠得到非常直觀且印象深刻的實踐知識。哪怕是實驗中接通以普通干電池為電源的電路，都能讓學生意識到科學實驗的嚴謹性和可能出現的危險，對學生今后的工作、生活產生積極的意義，幫助學生實現理論與實踐知識的有效結合。值得注意的是，這種聯系是學生自己所意識到的，而不是教師所反復提醒的，能夠成為學生融會貫通各種知識的基礎和其認知體系持續發展的動力。

（二）素養遷移應用

在傳統的高中物理教學中，因為有效實驗的缺乏，學生缺少對現實問題的解決能力，無法從物理學的視角認識、思考和表達問題。還有些學生雖然會對現實問題產生興趣，但因為空有理論知識，沒有動手能力，不具備較為完備的素養，所以只能提出種種假設。比如，家人選購了一款“網紅”鏡子，但是需要直接貼到墻面上，沒有支架。學生從所學知識出發，認為其受力有問題，很可能粘貼不牢靠。但是家人不具備相關物理知識，無法理解；學生則難以通過簡單、直觀的物理實驗加以演示證明，導致問題不能得到有效解決。

出現類似情況的根本原因，就在于學生的物理課程核心素養存在缺陷，不能實現對物理知識技能的遷移應用。而在深度探究的高中物理實驗教學中，師生雙方能夠基于教材中的內容并結合學生在生活中感到困惑、存在興趣的各種問題，創造豐富多彩的物理實驗，使得學生在完成實驗之后，能夠從理論和實踐兩個角度對這些問題給出科學、合理、有說服力的解釋，使得學生的物理課程核心素養發展成果能夠在現實中體現出應有價值。此外，教師還可以在此基礎上鼓勵學生進行拓展延伸，如自主的生活化物理實驗。

（三）增強辯證思維

對科學知識的學習離不開辯證的思維。任何知識或者規律都不是唯一的或絕對的，而是在不斷發展中。正如物理學在發展過程中所表現出的那樣，科學家經常會有新的發現，可能會推翻已有的結論，開創出一片新的天地。比如，提出“宇稱不守恒”定律的楊振寧和李政道及進行實驗驗證的吳健雄，他們對物理學所作出的貢獻就是開創性的，對當時既有的物理學理論是一種顛覆。傳統教學模式下的高中物理實驗教學則鮮少考查學生的這種質疑精神，培養學生的辯證思維，只是要求學生對記憶現有物理知識和并在考試中加以應用。

而在指向深度探究的高中物理實驗教學中，學生需要對實驗和與實驗有關的物理知識進行辯證思考，學生能夠全面地對所學的物理知識或者實驗中出現的問題提出質疑，用發展的眼光看待自身的學習與實踐，乃至對教師的指導發出疑問，不迷信權威，不被教條主義所迷惑，踐行“實踐是檢驗真理的唯一標準”，用證據表達自己的觀點，能夠鍥而不舍地尋找相關證據。無論學生將來是否會從事專門的物理研究工作，這種辯證思維對于學生持續的發展成長也有著巨大幫助。

五、 指向深度探究的高中物理實驗教學設計方法

（一）自我導向的設計方法

基于高中物理實驗教學的現存問題和深度探究的優勢、特征，在當前的高中物理教學改革中加強對深度探究的運用、創新實驗教學是非常必要的。而在具體的實驗教學設計方法上，教師應以學生自我為導向，為學生自主的深度探究打下基礎。因為在深度探究的背景下，學生的學習不再需要教師過多的監督和管理，而是需要學生表現出較強的自主學習意識與能力。自我導向就是要發揮出學生的自主意識，由學生參與實驗的設計，學生自發地完成學習、管理、反思和提升，并對實驗學習的效果進行自主評價。

比如，教師帶領學生探究功與速度變化的關系，可以嘗試由學生自己進行實驗設計。教師只提出“功與速度變化的關系”這一實驗主題，至于實驗材料的選擇以及通過何種方式對小車或其他事物做功，交給學生自己決定。為避免學生鉆入牛角尖或者在實驗設計中顧此失彼，教師可以將學生組織為多個實驗小組，大家共同從實驗需要和便利性等不同的角度展開思考和討論，使得實驗設計既能達成實驗目的，又簡單易行。如可以用橡皮筋做功，選擇盡可能光滑的平面以忽略摩擦力的影響等。

（二）問題導向的設計方法

問題導向的設計方法指的是以問題作為學生探究的線索和動力，引導學生深度探究。問題導向與學生的自我導向相得益彰，即要以學生內心存在，或者由教師所啟發出的問題為導向，而不是片面地由教師提出問題。所以，教師對問題的設計要分階段，包括前期構思、滲透式地提出問題以及激發學生對問題的興趣，或者由學生在教師所設計的問題基礎上進行拓展創新。另外，教師應充分考慮學生的能力水平和興趣方向，由淺入深、循序漸進，使得學生可以逐步進入深度探究的狀態，鼓勵學生在探究中主動生成和解決新的問題。

比如，在學習牛頓第二定律時，教師應帶領學生展開對加速度與力、質量的關系的探究。由教師先提出問題，如“物體的加速度和力有什么樣的關系？”“物體加速度和質量的關系又是什么？”學生在探究中回答，并產生各種猜想和爭論，進而產生對實驗驗證的興趣，自然進入實驗教學環節。在實驗過程中，教師要參與各個實驗小組，通過密切的師生互動引導學生提出屬于他們自己的問題，如“小車受到了摩擦力怎么辦？”“怎樣補償其受到的摩擦力？”等等，最終在不斷提出和解決問題的過程中完成實驗。

（三）生活導向的設計方法

在新課程、新教材和新高考的背景下，高中物理教學不能僅關心學生的高考成績，還要培養學生的核心素養，增強學生解決實際問題的能力。而對于高中生而言，他們能夠接觸到的、與物理有關的現實問題，大多來自其家庭生活或學校生活。所以，生活導向的高中物理實驗教學能夠成為實驗問題的來源，也是將學生導向實驗教學活動的根本動力。教師要注重對生活元素的開發與利用，積極了解學生的生活并鼓勵學生主動提出生活中的疑問，師生一起為高中物理實驗教學積累實驗資源。

比如，通過探究性的學習，學生了解到地球不同地區的重力加速度因為地球的物理特性而有所差異，進而對本地的重力加速度產生興趣。教師可以和學生一起從生活中尋找事例，加以“改造”后進行研究。如“高空墜物”事件，如果本地和其他地區相比，重力加速度有所不同，是否會對事件的結果造成明顯的影響？然后設計并開展實驗。又如，學生在生活中見到過汽車追尾等事故，也可以進行物體運動加速度的實驗，并和相關的交通法規或注意事項相結合，進而認識到法律法規在物理學上的合理性以及物理知識的重要價值。

六、 指向深度探究的高中物理實驗教學實踐策略

（一）積極進行實驗前期準備

在實驗教學的具體實踐中，高中物理教師首先要采取策略，進行積極的實驗前期準備，使得物理實驗的教學設計能夠落到實處。有建構主義理論提出，學生認知的發展需要理性與感性的結合，學生要在特定環境下的社會文化互動中調動既有的知識經驗，完成對知識的內化和認知的建構。如果將實驗室作為特定環境，實驗中的師生及生生互動作為社會文化互動，那么學生在進入實驗之前的準備工作就是為學生積累所必需的知識經驗。教師對此要予以充分重視，認識到實驗的探究性并不是要求學生在進入實驗之后才展開探究。

以加速度與力、質量的關系實驗為例。在這個實驗中，學生需要考慮摩擦力的問題。教師在知識教學時應該讓學生對此有所認識，為學生在實驗中拓展思路思維創造良好條件。比如，教師可以在教學中播放一段4S店銷售汽車的視頻，視頻中的銷售人員在介紹“百公里加速”等車況的時候往往還要加上路況，區分不同的情況。教師可以就此向學生提問：從物理學科的角度出發，這些不同的路況中需要考慮的問題有哪些？從而引出“摩擦力”方面的問題。

（二）科學設計明確實驗問題

高中物理學科本身具有知識點繁多的特征，學生在學習中會遇到很多重點和難點。為了發揮出深度探究在高中物理實驗教學中的作用和潛力，教師應該科學地設計實驗教學中的問題，盡量將重點和難點囊括進去。這樣學生就可以在實驗中自然地聯想、理解和吸收重點和難點知識，幫助學生克服困難，實現較好的知識積累和知識體系構建。然而，在設計和呈現問題的具體形式上，教師要認真思考，要讓學生能夠產生興趣、主動接受，引起學生自發的思考，并對學生最終解決實驗產生線索性和啟發性的作用。

以“變交流電”的相關知識為例，在實驗中需要學生應用數學知識和物理公式進行一些計算，學生遇到的重點和難點是跨學科的。比如，電熱器從直流電源轉換到交流電源上，其在相同時間內產生的熱量或者產生熱量所花費的時間是不同的。根據具體的實驗數據，學生可以計算出交流電源的交流電壓最大值和有效值。教師通過演示實驗讓學生注意到這一問題，讓學生嘗試找到解決這一問題的辦法，請學生分享自身對于如何運用相關知識的設想，再進入具體的實驗環節中。

（三）直觀手段優化學生體驗

相較于高中物理的理論知識學習，實驗是一種較為直觀的手段。但是，這種“直觀性”是有限的，學生并不能看到微觀世界發生了什么，仍然要靠頭腦中的思考和想象把理論知識和實驗現象結合起來。為了進一步優化學生的實驗體驗，教師應該通過各種方法、手段讓物理實驗更加直觀，豐富學生的感官收獲。教師也可以嘗試針對較為淺顯的物理知識，有針對性地設計簡單易行的“小實驗”，進一步拓展實驗教學的空間，激發并保持學生對物理實驗的興趣，體現“物理”對解決現實生活問題的價值。

比如，在學習向心力的相關知識時，教師可以準備一個轉盤，在轉盤上擺放塑料碗盤，讓學生將其想象成飯店的餐桌轉盤。然后轉動轉盤，觀察塑料碗盤的圓周運動，嘗試進行受力分析。接下來，讓學生用手平托課本并轉動，使得課本在手上做圓周運動，體會手所感受到的摩擦力，思考和探討“向心力”是什么。最后則是基于教師提供的道具，用小繩綁著小鋼珠在水平桌面上做圓周運動，感受繩子帶來的拉力，想一想剛才的思考和探討結果是否能夠解釋現在的情況。

（四）鼓勵質疑推動實踐反思

指向深度探究的高中物理實驗教學能夠解決以往對學生辯證思維培養不足的問題，教師要在教學策略中鼓勵學生質疑和對實踐的反思。教師要認識到，學生的質疑不僅要具備不迷信權威的特質，同樣不能迷信自己。或者說，學生也要敢于質疑自己，對自己的學習與實踐展開反思，而不是以“質疑”的名義只提出對他人的疑問，認識不到自己的錯誤。教師要促進師生和學生之間在整個學習過程中的平等、開放交流，教會學生如何基于實驗與他人展開科學的探討，能夠“用證據說話”。

比如，電學方面的自感實驗。學生手拉手接兩節干電池，沒有任何感覺，請學生提出各種可能的解釋；然后，串聯一個鎮流器，在斷開電路的瞬間，學生會有輕微的觸電感覺，此時讓大家再次提出解釋。兩次解釋，學生提出了各不相同的想法，每個人都有自己的一套“理論”。隨后教師將學生分為小組，展開辯論。對于辯論無法解決的分析，鼓勵學生自己設計實驗，進行驗證，用科學作為證據。整個活動結束后，請各小組選出一名代表分享整個過程的學習感受，分享實驗的設計思路和結果，并組織小組之間的互相評價等。

七、 指向深度探究的高中物理實驗教學注意事項

高中物理知識相對復雜，知識點較多，可以“衍生”出各種實驗，也可能導致實驗中出現不同的“意外狀況”。實驗的設計和教師所采取的教學策略，很難顧及所有可能發生的情況。因此，有必要對高中物理實驗教學的注意事項進行梳理，確保問題出現時能夠得到及時、有效的處理。首先，教師應時刻注意實驗的目的是否達成。每次實驗教學都要有明確的目的，學生的深度探究要有收獲，不能因為“意外”的出現而“忘記”目的，或者出現為了實驗而實驗的形式主義。

其次，要注意對“是否進行實驗”“選擇何種方式進行實驗”等問題做好選擇并及時調整。并非所有的高中物理知識點都適合進行實驗，而且在實驗的具體形式上也應該有所篩選。一些比較基礎的問題，直接由學生自己設計實驗并進行探究即可；或者教師在發現這一點后，及時由教師主導的實驗設計轉為學生的自主設計。如果某部分知識是對學生初中物理知識的簡單延伸，而且延伸程度不大，那么也可以不進行實驗教學；反之，學生普遍對某個知識點存在理解上的困難，則要盡可能選擇通過實驗幫助學生實現理解。

再次，實驗教學的漸進性。從當前的教育改革趨勢來看，促進學生的深度探究是必要的。但學生進入高中之前，已經經歷過了從幼兒園到初中的多年學習，他們在以往的學習活動中可能并沒有進行過比較深度的探究，主要是參與知識型的教學活動。比如，近年來的幼兒教育“去小學化”以及小學和初中階段的“雙減”。有些高中生并沒有經歷過上述改革，從幼兒園開始就是被動地吸收知識。他們內心雖然渴望自主、探究，但并不熟悉探究式的學習模式。教師應漸進性地開展實驗教學及實驗教學改革，不能急于求成。

最后，堅持學生在實驗中的自主，而且要實現“教師主導”與“學生主體”的充分融合。或者說，教師在堅持學生自主的同時，要將學生的“自主權”控制在一個合理的程度。一方面，鼓勵學生自己設計實驗、與同伴進行實驗探究或者開展家庭實驗等；另一方面，要在必要時對學生進行指導，幫助學生突破學習難點。教師在介入學生的實驗過程時，堅持只向學生提出一些問題或線索，對學生進行啟發，或者引導不同特點的學生在同一個小組相互交流，而不是直接告知學生解決問題的方法或者問題的答案。

八、 結論

綜上所述，指向深度探究的高中物理實驗教學是比較復雜的教學活動，對師生雙方都提出了較高的要求。希望大家能夠對該種教學模式提起足夠的重視，認識到其在培養學生物理課程核心素養方面的重要意義，做好相應的教學創新與實踐工作，努力取得越來越好的教學效果。

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