基于科學探究方法的高中物理教學研究

張帆

摘 要：科學探究法在高中物理課堂中的應用，有助于體現學生的主體地位，鍛煉學生分析、解決問題的能力，提高課堂教學實效性，培養學生科學探究的核心素養。文章首先分析了基于科學探究法的高中物理教學設計原則，提出了科學探究法應用的流程；主要包括教學目標的確定、探究問題的提出、理論探究、實踐探究、應用拓展五個部分。以“向心加速度”相關知識的教學為例，對具體的實施過程進行了分析，可以為科學探究法在高中物理課堂中的應用提供參考借鑒。

關鍵詞：科學探究法；高中物理；課堂教學

《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》指出，高中物理課程要培養學生科學探究意識，提高學生通過觀察實驗發現問題、提出假設，并通過設計探究方案獲取證據的能力；要指導學生能夠遵循探究方案，使用多種方法、手段處理信息，描述和解釋探究結果；同時，要提高學生的交流意愿和能力，使其能夠準確地表述、評估和反思探究的過程與結果。為實現這一教學目標，教師必須注重科學探究方法在高中物理教學中的應用，培養學生的科學探究能力[1]。但是，在目前的高中物理教學中，部分教師更強調高考要求的內容，缺少和實踐之間的聯系；注重知識點的講解，缺少學習方法、技巧的指導；師生交流互動的效率低下，缺少科學探究的過程。而學生學習主動性和積極性低下，更多被動接受教師的講授，未能主動思考和主動提問，知識轉化和應用的效果較差。因此，基于課程標準的教學目標和高中物理課堂教學的現狀，應用科學探究的方法，改善課堂教學的效果，培養學生科學探究意識和能力尤為重要[2]。

一、基于科學探究法的高中物理教學設計

（一）教學設計的基本原則

1.科學性原則

物理是一門科學性較強的學科，其中很多概念、規律和實驗結果都需要通過科學探究來獲得。因此，教學設計要遵循科學性的原則。首先，提煉出需要解決的科學問題，然后設計科學的探究環節，再應用科學的探究方法，最終得到科學的結果和結論。

2.主體性原則

教師要發揮學生在科學探究中的主體地位，要轉變自身的角色，強化教學指導，加強交流溝通；引導學生參與科學探究過程，進行主動思考學習和合作交流，真正將課堂交給學生。

3.層次性原則

依據建構主義理論，學生學習的過程是知識建構的過程，由于不同學生的知識能力各有差異，因此，知識建構的結果有所不同。教師要重視學生的層次差別，合理安排探究性活動，在探究環節要針對不同層次的學生進行教學干預和架構指導，使不同層次的學生都能夠在科學探究中有所收獲。

4.系統性原則

科學探究是一個系統過程，涉及教師和學生的參與，信息化教學工具和多種教學資料的應用，因此教師必須從教學目標出發，合理安排科學探究活動，客觀公正進行教學評價，最終形成一個系統的科學探究物理課堂。

（二）教學設計的主體思路

1.教學目標的確定

教學目標的確定，首先要對課標進行分析。教師教學目標制訂要結合具體的教學內容，同時也要結合課程標準的要求。其次，教師要對教材內容進行分析。教材是教師教學的主要工具，教師對教材的理解和重難點的把控，關乎學生學習目標制訂的準確性和科學性。最后，要對學情進行分析。教師要充分考慮到不同層次學生認知能力的差異和基礎能力的差別，要選擇合適的分層教學方法，根據學生的學習興趣、學習習慣、認知水平設計教學活動。

2.探究問題的提出

探究問題的提出是探究實踐的第一步，需要教師創設一定的問題情境，包括以下幾種方式。（1）復習知識，創設問題情境。教師可以在帶領學生回顧舊知識的過程中，創設問題情境，使學生通過思考，提出探究問題。（2）利用多媒體，創設問題情境。多媒體可以呈現有趣的實驗現象和自然現象，為學生的實驗探究創設問題情境。（3）通過演示實驗，創設問題情境。教師可以通過生動的教具展示物理現象，引導學生進行觀察和思考。（4）聯系生活實際，創設問題情境。教師可以讓學生充分發揮自己的想象，舉生活中的例子來驗證知識，使學生主動聯系實際，思考問題。（5）通過物理模型，創設問題情境。教師可以通過物理模型將抽象的概念變成具體的實驗，讓學生進行自主實驗探究。

3.基于問題的猜想與假設

基于問題的猜想與假設可以分不同的情境。（1）基于學生已有的知識，進行猜想和假設。由教師給出一個問題，讓學生大膽地進行猜想，盡可能地說出多種可能性。（2）設置認知沖突，使學生進行猜測和假設。需要教師引入與學生自身認知矛盾的情境，使學生進行猜測和假設。（3）創設物理情境，引導學生進行猜想和假設。在講解平拋運動時，教師可以通過多媒體向學生展示不同初速度的彈丸，在空中運動的路線，學生根據速度和路線變化之間的關系，探究影響平拋運動水平和垂直位移的因素。（4）通過類比法，進行猜想和假設。通過兩個對象的相似屬性，推斷出其他可能相似的屬性。例如，當學生學習了重力勢能的表達式后，可以類比猜測動能的影響因素，包括物體自身的質量以及物體運動的速度。

4.探究并得出結論

探究并得出結論主要有理論探究和實踐探究兩個部分。（1）理論探究，需要學生明確探究的原理，還要明確理論探究過程中的數學知識；此外，還要明確理論探究的環節。最后得出結論后，需要進行分析論證，驗證理論探究前的猜想和假設，當結論和猜想不符合時，需要進行重新探究。（2）實踐探究，需要明確實踐探究的原理，然后制訂詳細的實驗計劃，控制好影響因素，通過科學的實驗設計進行探究。在實驗探究的過程中，要記錄好實驗數據，收集相應證據；通過對實驗數據進行分析，得出相應的結論。同時也要注重對實驗探究的結果進行評估和交流，進一步完善實驗探究的方案，盡可能地避免人為的影響因素，減小科學探究的誤差。最后，小組要形成實驗報告，進行完整的總結。

5.知識的應用

在參與科學探究的過程中，學生對物理原理、科學探究方法、科學探究過程有了清晰認識。因此，在學習新的知識或問題時，教師可以引導學生將掌握經驗、方法進行遷移應用，提高學生的科學思維和拓展應用能力；使學生能夠應用科學探究得到的結論；或者通過簡單的物理模型，實現對重難知識點的理解和實際問題的解決。

二、基于科學探究法的高中物理教學實踐

以向心加速度教學設計為例，對基于科學探究法的高中物理教學進行實踐探究，具體設計內容如下。

（一）教學目標的確定

教學目標的確定可以分為五個方面的內容。1.課標的分析。課程標準對向心加速度的要求，使學生能夠理解速度的變化量。在勻速圓周運動中，速度大小不變，但是方向發生變化，并由此引出向心加速度。2.教材的分析。本節課教材對向心加速度的物理意義進行了重點講解，但是由于知識較為抽象，學生對向心加速度的理解不夠清晰。因此，教師首先要指導學生通過理論探究推導公式，然后通過問題情境啟發學生思考，最后進行鞏固練習。3.學情分析。高中生對物體受力和運動有了一定的了解，學習向心加速度時，首先要理解加速度的概念，但是這階段學生缺乏科學的學習方法，抽象思維能力和邏輯推理能力有待發展，因此要注重理論、實踐科學探究方法的應用。4.基于科學探究的教學目標。向心加速度教學的目標在于幫助學生認識向心加速度，能夠解決向心加速度相關的問題。此外，要幫助學生掌握向心加速度的物理原理，掌握科學探究的方法和過程；培養學生科學探究思維以及分析解決問題的能力。5.明確教學的重難點。重點在于理解向心加速度的概念原理和公式，難點在于分析向心加速度方向的變化并進行應用。

（二）教學實施過程

1.創設情境，提出問題

為了幫助學生更好地理解向心加速度的概念和物理原理，教師需要創設相應的情境，提出具體的問題，引導學生進行科學探究。此環節教師的主要活動在于帶領學生回顧之前學習的內容，即帶領學生回顧物體運動狀態和受力之間的關系，回顧力是改變物體運動狀態的主要原因[3]。基于回顧的知識內容，教師可以分析做圓周運動的物體必然會受到向心力，其中，最簡單的圓周運動是勻速圓周運動，那么勻速圓周運動會受到哪些力的作用？受力的方向會如何變化？在提出問題后，教師要提供現實的情境，可以通過多媒體向學生展示地球繞太陽做公轉的運動，帶領學生分析地球會受到什么力的作用，受力的方向如何變化？再通過具體的物理模型進行演示，可以通過細線和圓球在光滑的桌面上做圓周運動，分析小球的受力情況，探究合力的方向。通過實踐探究，學生會發現小球做勻速圓周運動的方向會一直變化，進一步可以提出加速度的大小和方向如何變化的問題。通過該部分的設計，學生能夠在具體的問題情境中，把握學習的重點和難點，并通過自我思考為科學探究和猜想假設奠定基礎。

2.基于問題的猜想和假設

學生已經掌握向心加速度的基本概念和物理原理，但是影響圓周運動加速度大小和方向變化的影響因素，仍然需要學生基于問題進行猜想和假設。教師的活動在于引導學生探究直線運動加速度的大小和方向，教師可以展示加速和減速兩個狀態下加速度的大小和方向。然后通過數形結合，讓學生探究做勻速圓周運動的物體，在某一時間段內，走過某一弧段距離的角度變化和速度變化。學生通過探究會發現，物體運動的速度大小未發生變化，但是速度的方向時刻發生變化。例如，物體在A點運動的速度為VA，方向圓相切，物體在B點運動的速度為VB，方向圓相切，教師可以將兩個方向的速度，通過平移構建一個三角形，兩個長邊為VA和VB，夾角為?θ，第三個邊是?V，并通過速度變化量結合加速度的公式計算勻速圓周運動的加速度，使學生猜測假設加速度大小與什么因素相關，方向如何變化。

3.理論探究

理論探究部分在于幫助學生推導向心加速度大小計算的公式。在理論探究的過程中，教師要善于引導學生利用VA，VB，?V構建的三角形和?OAB的相似性，并利用極限的思想探究。當?t非常小時，?AB距離很小，根據相似三角形原理，可以得到?V的表達式，再與?t相比，就得到了向心加速度的公式。探究出向心加速度的公式后，教師要引導學生去探究向心加速度的方向，通過理論探究發現：向心加速的方向始終指向圓心。也就是任何位置速度變化量?V在?t非常小時，方向和VA的方向垂直，并且指向圓心，因此向心加速的方向指向圓心。

4.實踐探究

實踐探究是讓學生通過科學的探究過程，真正理解和掌握知識點的過程。在探究向心加速度的科學探究實驗時，首先，要對學生進行小組劃分，讓學生根據科學探究的目標制訂一份科學探究計劃，并對實驗進行設計。其次，帶領學生共同討論，向心加速度探究實驗所需要用到的教學用具，可以調控速度的電動馬達，小球，細線等教具；在準備好教具后，讓學生按照實驗計劃進行實驗，記錄下電動馬達的轉速，觀察小球的運動狀態；結合具體的實物，將小球在不同位置的速度，速度方向畫在圖紙上進行分析。在實驗的過程中，教師要有意引導學生通過控制電動馬達轉動的速度，改變細線的長度，進行實驗探究，記錄下不同實驗條件下的線速度和細線長度。再次，教師要指導分析討論小球轉動的狀態，通過數形結合的方法，探究小球做勻速圓周運動的向心加速度公式（這一步和理論探究相似），得到理論分析結果后，和其他小組同學進行討論，進行評估交流[4]。最后，學生可以利用分析的公式計算不同線速度和半徑長度下的向心加速度。為了更加清晰地讓學生認識到向心加速度的方向，教師可以組織學生準備滑輪鞋，兩人一組體驗勻速圓周運動的過程，真實體驗向心加速度的方向時刻朝向圓心。通過科學的探究過程和有趣實驗，學生學習的積極性得到了提高，學生體驗有所增強，能夠逐漸掌握科學探究的方法和過程，也能夠為后續的學習打下良好基礎[5]。

5.應用拓展

在應用與拓展部分，教師可以舉例自行車兩個齒輪轉動的實際問題，讓學生探究不同位置線速度的比值周期的比值和向心加速度的比值。通過應用拓展問題的設計，可以讓學生對向心加速度和角速度的關系，以及向心加速度和線速度的關系，有進一步的理解和鞏固。

結束語

科學探究法是物理課堂學習的有效教學方法，有助于鍛煉學生的科學思維和分析問題，解決問題的能力。在應用科學探究法構建高效物理課堂時，教師要基于課標、教材和學情確定具體的教學目標，要把握課程教學的重難點，在實施的過程中要做好情境創設、假設理論探究、實踐探究和應用拓展等教學環節，發揮好科學探究對學生核心素養培養和關鍵能力形成的作用。

參考文獻

[1]馬育英.高中物理教材中科學探究素養的呈現方式及教學實踐[J].數理化解題研究，2023（30）：89-91.

[2]馬懷美.探究性學習模式在高中物理教學中的應用[J].數理化解題研究，2023（30）：104-106.

[3]董超，孫輝.基于科學探究的高中物理實驗教學設計：以“單擺”為例[J].中學物理，2023，41（19）：37-40.

[4]王和平.以科學探究為載體培養學生物理核心素養的策略[J].中學課程輔導，2023（27）：78-80.

[5]汪鵬，郭振，柴志方.指向科學探究的高中物理教學設計：以“曲線運動速度方向”為例[J].物理通報，2023（7）：73-77.