基于問題解決的高中物理實驗設計與實施

摘 要：問題解決作為教學中一種常見的策略，主要以學生為中心，通過提出問題，引導學生自行探究、分析和處理問題。在高中物理實驗中引入問題解決教學策略，有助于幫助學生掌握物理知識、提升學生科學素養。本文采取文獻研究法等方法，首先，分析高中物理實驗教學現狀，隨后提出創新資源利用、優化課程設置、改進教學模式、全面優化評價體系等策略，以期為高中物理實驗教學的改革和實踐提供可參考經驗。

關鍵詞：高中物理；問題解決；實驗設計與實施

《普通高中物理課程標準》（2017年版2020年修訂）明確指出，學校應注重物理學科本質，注重課程基礎性和選擇性及過程性評價，培養學生物理學科概念、科學探究、科學思維、科學態度與責任等核心素養。物理實驗是高中物理教學的重要環節，對于培養學生的科學素養和實踐能力具有重要作用。傳統的物理實驗教學模式往往側重驗證性實驗，學生被動接受知識，缺少主動探究精神。隨著教育理念的更新和素質教育的推進，基于問題解決的實驗教學模式逐漸受到重視。這種模式通過創設真實問題情境，激發學生的學習興趣，鼓勵其自主設計實驗、收集數據、分析問題并得出結論，有助于培養學生的探究能力和創新思維。

一、高中物理實驗教學的現狀

（一）實驗設備及教學資源有限

高中物理實驗教學中，一方面，由于學校教育經費有限，影響實驗設備更新和維護力度，部分實驗器材陳舊甚至無法正常使用，影響實驗教學的正常開展。同時，物理實驗室的空間有限、設備種類不全，難以滿足多樣化實驗需求，制約實驗課程的廣度和深度。另一方面，部分學校教學資源分配不均衡，在配備教學資源時，傾向于滿足理論教學的需要，使得物理實驗資源短缺問題加重[1]。此外，常規物理教學模式強調理論知識的傳授，往往忽略實驗課需求，學生關注課本知識的學習以及練習，缺少動手操作的機會，影響其參與實驗的積極性和動手能力。以上因素綜合作用下，導致部分高中存在物理實驗教學中實驗設備及教學資源有限的問題。

（二）實驗課程設置較為不合理

高中物理課程設計中，對實驗課時的安排較為不足，學生沒有充足的時間進行實驗操作和探究，影響實驗教學的效果。并且，實驗課程與理論課程的銜接不緊密，學生在學習理論知識后，可能無法及時通過實驗，對所學內容進行驗證和鞏固，理論與實踐脫節嚴重。同時，多數物理實驗課程內容設計缺少系統性、連貫性，實驗項目選擇不合理，未能充分覆蓋物理學科的核心概念和技能，限制學生對知識的全面理解和應用能力的提升。再者，部分學校在實驗課程設置上缺少靈活性，無法嚴格按照教學進度和學生的實際需求進行動態調整，導致實驗教學與學生的學習需求不匹配。此外，物理實驗課程缺少創新性和多樣性，實驗內容過于傳統和單一，也無法充分激發學生的興趣和探究欲望。教師在實驗課程設計中缺少足夠的自主權和創新空間，不能完全根據具體教學環境和學生特點進行個性化實驗教學設計。上述原因綜合作用，導致高中物理實驗課程設置不合理的問題普遍存在，亟須通過優化課程設計、增加實驗課時、加強理論與實踐結合等措施進行改進。

（三）實驗教學模式傳統，學生探究能力不足

高中物理實驗教學中存在實驗教學模式傳統、學生探究能力不足的情況，主要原因如下：第一，傳統教學模式注重教師演示、學生按部就班操作，學生在實驗中缺少自主探究和設計實驗的機會，無法有效培養其創新思維和探究能力；第二，教師在實驗教學中往往更關注實驗結果的準確性，而忽視實驗過程中的思維訓練和探究方法指導，使學生在實驗中缺少獨立思考和問題解決的機會；第三，教師專業發展和培訓不足，許多物理教師在探究式教學方法和實驗設計方面缺少系統的培訓和實踐經驗，難以有效地引導學生進行探究性實驗。

（四）實驗內容較為單一且評價體系尚未完善

實驗內容是指在實驗教學時，教師根據特定的教學目標設計并安排的實驗活動，在實驗教學過程中，確保實驗內容與課程教學的一致性、有效性，結合行之有效的評價體系，可幫助學生理解并掌握相關理論知識及操作技術。而在目前物理實驗教學中，教材內容和實驗項目的設計相對傳統和固定，缺少與實際生活和科技前沿相關的創新性實驗，這導致實驗內容未能充分激發學生的興趣和探究欲望[2]。同時，高考壓力使得教師傾向于選擇標準化和安全性高的實驗項目，避免實驗過程中可能出現的復雜性和不確定性。再者，現行的評價體系主要關注學生的實驗操作規范和實驗結果，缺少對學生實驗過程、思維過程、創新能力和團隊合作精神的全面評價，使得學生在實驗中往往只關注結果，忽視實驗探究的過程和方法。教師在實驗評價方面的培訓和指導不足，難以全面和客觀地評估學生的實驗表現，評價手段和方法相對單一，很難充分反映學生的綜合素質和探究能力。

二、基于問題解決的高中物理實驗設計與實施策略

（一）創新資源利用，拓展實驗設備和教學資源

創新資源利用是指優化并整合現有教學資源，最大化其使用效率和效益，以滿足教學需求，解決物理實驗資源有限的問題。為彌補物理設備及資源不足的短板，提供更多實驗操作機會，教師可展開跨學科合作，整合其他學科的實驗資源和內容，設計綜合性實驗項目，增強學生的實踐能力和創新意識[3]。同時，優化現有資源配置，合理調配和更新實驗設備，確保實驗教學所需的基本設施和條件，并充分利用線上實驗資源，通過播放實驗視頻、游戲模擬物理實驗等方式，積極引入虛擬實驗室和在線模擬實驗平臺，拓展實驗教學的多樣性和深度。再者，教師也應積極參與培訓和學習，掌握新型實驗儀器和技術，提升自身的實驗指導能力和創新意識。

例如，人教版高中物理必修二“探究平拋運動的特點”實驗教學時，教師可使用彈簧和滑軌制作簡易平拋運動裝置，并安裝激光指示器，引導學生通過光點移動，觀察平拋運動軌跡，并詢問“在水平、豎直方向下，平拋運動軌跡有什么特點”，隨后，教師于多媒體中播放小球平拋運動視頻，借助線上媒體資源分析運動軌跡和速度，幫助學生更為直觀地理解運動規律。再如，必修二“驗證機械能守恒定律”實驗時，教師可將學生分成4～5人小組，每組準備小車、測距儀、相機、滑軌等材料，根據實驗材料數量，教師分別指導學生完成不同實驗內容：實驗一，將小車置于滑軌上，釋放小車后組內成員使用光電門等傳感器，記錄不同位置小車速度及高度，分析小車在不同位置的動能和勢能，分析機械能是否守恒；實驗二，小組使用彈簧裝置，將小球放置彈簧上壓縮后釋放，使用高速相機，記錄小球運動高度及速度，計算小球動能和彈性勢能，驗證機械能在轉換過程中的守恒性。最后，教師引導學生分析數據，討論實驗現象。

（二）優化課程設置，合理安排實驗

要優化課程設置，合理安排實驗，完成基于問題解決的高中物理實驗設計與實施，首先應將實驗課程與理論課程有機結合，使學生在學習理論知識后能夠及時進行實驗驗證，強化理論與實踐的緊密聯系。其次，增加實驗課時安排，確保學生有充足的時間進行實驗操作和探究，深化對物理知識的理解和應用。課程設計應靈活調整，根據教學進度和學生的實際需求進行動態調整，確保實驗課程內容的合理性和適應性。為培養學生的獨立思考和創新能力，教師需靈活使用問題驅動教學法，通過設置具有挑戰性的問題，引導學生自主設計實驗方案和解決問題[4]。再次，教師在實驗教學中應發揮指導作用，提供必要的理論支持和現實指導，引導學生順利完成科學探究和數據分析。最后，教師可結合日常生活中的物理事件以及教材實驗模塊內容，創設教學情境。可以要求學生基于教材實驗內容，設計一個小實驗，完成問題探究，有效結合學生直觀思維及抽象思維，使其通過親身體驗和實踐，感受日常生活中的物理現象。

例如，人教版高中物理必修三“導體電阻率的測量”實驗教學時，教師講解電阻、電阻率概念及其關系，詳細講解導體電阻率測量的實驗原理，提問學生“不同材料導線電阻率差異？”教師準備銅、鐵、鋁等材料的導線、電流表、直尺、電壓表等實驗儀器，示范并指導學生進行實驗。首先，引導學生使用伏安法測量不同材料導線的電阻。將導線連接在電路中，通過電流表和電壓表測量電流和電壓，計算導線的電阻，并記下不同電流和電壓下的多組數據，取平均值。其次，使用直尺測量導線長度，借助螺旋測微器測量導線的直徑，計算導線的截面積，借助公式計算出電阻率，并對比不同材料數據。再次，詢問學生“不同材料電阻率的差異和應用”，引起討論。最后，教師給出日常生活中示例，如家用電線材料選擇、電熱器設計等，詢問學生“不同材料電阻率對電器性能的影響”，將抽象理論與實際融合，加深實驗印象。同時，引導學生思考環境中濕度、溫度對電阻率的影響，以及現實生活中該如何應對這些現象。

（三）改進教學模式，注重培養學生的探究能力

教師引導學生通過實際問題進行自主探究和學習，旨在培養學生問題分析及解決能力。這需要教師強調問題驅動的教學模式，改革傳統的實驗教學方法，引導學生圍繞實際問題進行自主探究和實驗設計。一方面，教師應鼓勵學生提出問題、設計實驗方案，并在實驗過程中自主操作和調整，通過實踐探索解決問題的路徑。實驗教學中，應更多地關注學生的思維過程和探究方法，而不僅僅是實驗結果，以期培養學生的獨立思考和創新能力。另一方面，在學生解決問題、開展實驗過程中，適時指導，幫助學生克服困難，提升其問題解決能力。此外，實驗項目設計應注重多樣性和創新性，結合實際生活和科技前沿，激發學生的興趣和探究欲望，有效培養學生的探究能力，提升物理實驗教學的質量和效果。

例如，高中物理必修一“探究加速度與力、質量的關系”模擬實驗時，教師可根據教材內容進行實驗示范，并將學生分為不同小組，提出“如何探究加速度與力、質量之間的關系？”鼓勵小組學生自行選擇合適的器材和方法，設計實驗方案。學生可在教師啟發下，選擇桌面、地面等平滑表面，玩具小車、瓶子等可滑動物體，用橡皮筋和標尺自制測力裝置等物品，完成實驗，并記錄力、加速度、質量等相關數據。隨后，教師指導其計算數據平均值，自行繪制力——加速度圖和質量——加速度圖。學生選擇簡單的替代器材和方法，可以在有限的條件下完成實驗，培養其探究能力和動手能力。

（四）豐富實驗內容，全面優化評價體系

實際教學中，教師通過對學生學習表現、學科能力等方面的評價，了解該生學習狀況，引導學生全面發展。同時，教師可以借助評價體系，明確自身教學缺陷，改進教學方法。針對高中物理實驗課程而言，教師可結合實際生活、科技前沿，設計出一系列富含多樣化和有趣的實驗內容，激發學生的學習興趣和探究欲望。同時，采用多元化的評價方法，既關注實驗結果，又注重對學生實驗過程、思維過程、創新能力和團隊合作精神開展綜合性評價，結合學生自評、互評和教師評價內容，形成綜合評價體系，全面反映學生的實驗表現和綜合素質，有效提升高中物理實驗教學的質量和效果[5]。

例如，高中物理必修一“探究小車速度隨時間變化的規律”實驗過程中，教師可設計多種實驗，要求小組學生在自由下滑、恒定推理、設置阻力等情況下，探究小車速度隨時間變化的規律，或要求小組學生使用光電門和秒表、手機加速度傳感器和計時器，測量小車速度和時間，并在小組完成實驗后，引導學生結合實驗過程，分析現實生活中汽車剎車距離的設置理念，進一步討論速度隨時間變化的規律。教師則時刻關注學生在小組實驗中的狀態、實驗過程以及實驗結果，記錄學生在實驗中操作、討論及合作情況，對其實驗步驟、數據記錄及分析進行即時指導，明確優缺點，根據學生實驗報告評估其數據分析和處理能力，尤其是對速度隨時間變化規律的理解，使學生個體能通過教師及同伴互評，反思自身學習過程。

結束語

總之，問題解決策略實施及落實，在高中物理實驗教學中，一方面促進學生物理學科素養的提升，另一方面，要求高中物理實驗課堂積極轉變教學策略。全文通過對物理實驗教學現有問題的探討，認為該教學方法面臨實驗設備及教學資源有限、實驗課程設置不合理等問題，并建議教師通過拓展實驗設備和教學資源、豐富實驗內容、改進教學模式等策略，引導學生在實驗探究過程中掌握物理學知識，培養自主學習能力和團隊合作精神，提升其科學素養。

參考文獻

[1]王金花.巧設物理實驗提高高中物理教學實效[J].數理化解題研究，2024（15）：97-99.

[2]張彥文，吳家盛，成濤，等.基于原始問題的高中物理探究性實驗教學案例分析：以“網球塔”的搭建為例[J].物理之友，2023，39（8）：55-58.

[3]檀辰馨.指向問題解決的高中物理實驗教學[J].中小學班主任，2022（4）：43-46.

[4]余莉莉，連彬星.從問題情境出發培養高中物理科學思維能力：以“球槽模型”仿真實驗為例[J].物理通報，2021（7）：63-66.

[5]趙胤飛.多元化評價在高中物理實驗教學中的應用[J].甘肅教育，2024（11）：112-115.