科學(xué)探究能力培養(yǎng)視域下高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)路徑探析

摘 要：新課程標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)調(diào)要注重培養(yǎng)學(xué)生的探究能力，鼓勵(lì)學(xué)生開展科學(xué)探究活動(dòng)，發(fā)揮物理實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的作用.基于此，文章以“力的分解”為例，針對(duì)高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)路徑展開探究，旨在提升學(xué)生的科學(xué)探究能力.

關(guān)鍵詞：科學(xué)探究；高中物理；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號(hào)：G632

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-0333（2024）30-0098-03

收稿日期：2024-07-25

作者簡(jiǎn)介：阮灼清（1991.10—），女，福建省寧德人，本科，中學(xué)二級(jí)教師，從事高中物理教學(xué)研究.

科學(xué)探究能力是指?jìng)€(gè)體在面對(duì)科學(xué)問題時(shí)，能夠運(yùn)用科學(xué)方法，包括觀察、提問、假設(shè)、實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)收集與分析、解釋和結(jié)論推斷等一系列過程，系統(tǒng)地探索未知、解決問題的能力.實(shí)驗(yàn)是物理教學(xué)的重要手段，更是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié).科學(xué)探究能力和實(shí)驗(yàn)教學(xué)相互作用、相互促進(jìn).學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)逐漸提升科學(xué)探究能力，這種能力又能支撐學(xué)生更加科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)剡M(jìn)行實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，進(jìn)而使實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果得到提升

1 實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)的原則

實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)強(qiáng)調(diào)以問題為核心，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)探索未知，通過觀察、假設(shè)、實(shí)驗(yàn)、論證等過程，自主構(gòu)建知識(shí)體系；強(qiáng)調(diào)融入趣味元素，激發(fā)學(xué)生好奇心和求知欲，利用生活實(shí)例、游戲化學(xué)習(xí)等方式，使學(xué)習(xí)過程更加生動(dòng)有趣；突出學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的主體地位，鼓勵(lì)學(xué)生積極參與、主動(dòng)思考，培養(yǎng)其獨(dú)立自主的學(xué)習(xí)能力；關(guān)注學(xué)生綜合能力的提升，不僅限于知識(shí)學(xué)習(xí)，更重視思維能力、實(shí)踐技能及情感態(tài)度的全面發(fā)展，為終身學(xué)習(xí)奠基.具體教學(xué)過程中，教師應(yīng)遵循以上原則，采用創(chuàng)新性的教學(xué)策略開展教學(xué)，以此提升教學(xué)質(zhì)量，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)探究能力的提升.

2 科學(xué)探究能力培養(yǎng)視域下高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)路徑2.1 創(chuàng)設(shè)問題情境，促使學(xué)生提出探究性問題

問題往往來源于學(xué)生的日常生活與學(xué)習(xí)，教師利用學(xué)生所熟悉的生活與物理知識(shí)創(chuàng)設(shè)一定情境，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)物理問題，激發(fā)求知欲望，進(jìn)而提出具有研究?jī)r(jià)值的物理問題^［1］.具體而言，教師可以圍繞以下幾個(gè)方面創(chuàng)設(shè)情境：第一，生活是學(xué)習(xí)的源泉.教師應(yīng)敏銳捕捉日常生活中的物理現(xiàn)象，巧妙地搭建起學(xué)生已知與未知之間的橋梁，鼓勵(lì)學(xué)生質(zhì)疑現(xiàn)象背后的原理，激發(fā)他們探究物理世界的興趣和欲望.第二，物理學(xué)的發(fā)展歷程是一條璀璨的智慧長(zhǎng)河，科學(xué)家們的探索故事充滿了啟發(fā)性.教師可從物理學(xué)史出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生從歷史的鏡鑒中汲取靈感，提出可探究性問題.

以魯科版高中物理必修第一冊(cè)第4章第2節(jié)《力的分解》為例，胡克在研究彈簧特性時(shí)，發(fā)現(xiàn)了胡克定律，在這一過程中，他實(shí)際上是在探究力與形變之間的關(guān)系，而這正是力分解思想的早期體現(xiàn).教師可以描述胡克如何通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量不同方向的力對(duì)彈簧伸長(zhǎng)的影響，盡管當(dāng)時(shí)尚未形成現(xiàn)代意義上的“力的分解”概念，但胡克的研究方法無疑為后來的力學(xué)理論奠定了基礎(chǔ).通過這個(gè)故事，引導(dǎo)學(xué)生提出問題：如果一個(gè)物體同時(shí)受到兩個(gè)不同方向的力，我們?cè)鯓油ㄟ^實(shí)驗(yàn)來直觀展現(xiàn)這兩個(gè)力各自產(chǎn)生的效果以及它們合力的效果？

2.2 提供信息引導(dǎo)，讓學(xué)生提出科學(xué)的猜想與假設(shè)

在科學(xué)探究過程中，學(xué)生提出猜想與假設(shè)是理論與實(shí)踐結(jié)合的關(guān)鍵一步.然而，學(xué)生提出的初步猜想往往缺乏科學(xué)性，顯得較為隨意.為幫助學(xué)生構(gòu)建更加科學(xué)、合理的猜想與假設(shè)，教師需扮演引導(dǎo)者的角色，運(yùn)用多種策略，引導(dǎo)學(xué)生從理論知識(shí)、生活經(jīng)驗(yàn)和直觀的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中汲取養(yǎng)分，逐步提煉出具有科學(xué)依據(jù)的猜想^［2］.第一，教師應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生回顧已學(xué)的物理理論，引導(dǎo)他們基于堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)進(jìn)行猜想.例如，在“力的分解”教學(xué)中，先復(fù)習(xí)向量的概念、矢量加法原理，隨后啟發(fā)學(xué)生思考：如果一個(gè)力可以看作是兩個(gè)或多個(gè)力的合成，那么逆向思考，一個(gè)已知的合力是否也能合理地分解為幾個(gè)分力？這樣的引導(dǎo)促使學(xué)生基于已有的理論框架，提出更加科學(xué)的猜想.第二，生活是物理知識(shí)最好的試驗(yàn)場(chǎng).教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生將課堂知識(shí)與日常生活經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，從中提煉出與研究問題相關(guān)的現(xiàn)象或規(guī)律.例如，通過討論提水時(shí)手感受到的力與繩子傾斜角度的關(guān)系，學(xué)生可能聯(lián)想到力的分解在日常生活中的體現(xiàn)，從而基于這些經(jīng)驗(yàn)提出關(guān)于力分解方向和大小的假設(shè).

2.3 明確實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，利用不同實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)探究的核心在于有目的、有方向地探索未知，清晰明確的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)正是指引這一探索旅程的北極星，其不僅界定了探究的范圍與深度，也為學(xué)生提供了明確的學(xué)習(xí)路徑和任務(wù)^［3］.因此，在開展“力的分解”相關(guān)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，明確實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)顯得尤為重要.教師應(yīng)首先向?qū)W生清晰闡明本次實(shí)驗(yàn)旨在達(dá)成的具體目標(biāo)，比如理解力的分解原理，掌握通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量和驗(yàn)證分力的方法.在此基礎(chǔ)上，鼓勵(lì)學(xué)生依據(jù)個(gè)人的猜想與假設(shè)，明確各自的探究方向，比如，探究不同角度下力的分解規(guī)律或研究不同介質(zhì)對(duì)力分解效果的影響等.接下來，教師需指導(dǎo)學(xué)生分析實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)所必需測(cè)量的關(guān)鍵物理量，如合力的大小、方向以及各分力的大小、方向等，并提供多種實(shí)驗(yàn)器材供學(xué)生選擇，如彈簧秤、力傳感器、滑輪組、量角器等，鼓勵(lì)學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)、原理和條件設(shè)計(jì)出多途徑、多角度的實(shí)驗(yàn)方法.具體實(shí)驗(yàn)示例如下.

方案一：經(jīng)典懸掛法

目標(biāo)定位：直觀理解力的分解與合成.

所需器材：彈簧秤、細(xì)繩、固定支架、鉤碼.

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：學(xué)生使用兩根細(xì)繩通過滑輪連接同一鉤碼，形成一定角度懸掛，用彈簧秤分別測(cè)量?jī)筛K子的拉力，記錄數(shù)據(jù)并分析，驗(yàn)證力的分解遵循平行四邊形定則.

方案二：動(dòng)態(tài)平衡法

目標(biāo)定位：通過不斷動(dòng)態(tài)調(diào)整探究力分解的實(shí)時(shí)效果.

所需器材：力傳感器、滑塊、斜面、力的合成與分解實(shí)驗(yàn)裝置.

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：在斜面上放置滑塊，使用力傳感器測(cè)量沿斜面向上拉動(dòng)滑塊的力，同時(shí)調(diào)整斜面角度或施力方向，觀察并記錄不同條件下力的分量變化，探究斜面角度對(duì)力分解效果的影響.

2.4 豐富實(shí)驗(yàn)形式，提高實(shí)驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)收集能力

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是物理學(xué)科不可或缺的一部分，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和科學(xué)素養(yǎng)具有不可替代的作用.為了確保實(shí)驗(yàn)教學(xué)的高效與全面，教師應(yīng)積極采用多種實(shí)驗(yàn)形式，使學(xué)生提升實(shí)驗(yàn)操作能力的同時(shí)，提升數(shù)據(jù)收集能力.以上述經(jīng)典懸掛法為例，教師可以組織學(xué)生進(jìn)行分組合作實(shí)驗(yàn).教師要將學(xué)生分成小組，每組配備彈簧秤、細(xì)繩、鉤碼及固定支架等基本實(shí)驗(yàn)器材.小組內(nèi)部成員分工合作，一人負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)繩子的角度并固定，另一人對(duì)彈簧秤進(jìn)行讀數(shù)并記錄.通過輪流擔(dān)任不同角色，每位學(xué)生都能親自操作，實(shí)踐懸掛、測(cè)量與記錄等關(guān)鍵步驟.此外，鑒于課堂時(shí)間寶貴，適時(shí)采用演示實(shí)驗(yàn)也是一種高效的教學(xué)方式.教師可以為學(xué)生進(jìn)行詳細(xì)的操作演示，通過慢動(dòng)作展示如何精確調(diào)整繩子角度、如何準(zhǔn)確讀取彈簧秤數(shù)值以及如何正確記錄數(shù)據(jù)，有效示范實(shí)驗(yàn)操作的規(guī)范流程.

2.5 善用數(shù)據(jù)分析，自主完成數(shù)據(jù)分析論證工作

在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，數(shù)據(jù)分析是連接實(shí)驗(yàn)操作與理論結(jié)論的橋梁，是科學(xué)探究不可或缺的一環(huán).為了確保學(xué)生能夠從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中提煉出準(zhǔn)確且有價(jià)值的結(jié)論，教師必須引導(dǎo)學(xué)生掌握有效的數(shù)據(jù)分析方法，如比較法、表格法和圖像法，以此幫助學(xué)生自主完成從數(shù)據(jù)整理到論證工作的全過程^［4］.首先，教師需指導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)中采集的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行整理與歸類，確保每項(xiàng)數(shù)據(jù)與物理量名稱對(duì)應(yīng).這一過程不僅強(qiáng)化了學(xué)生對(duì)物理量概念的理解，也為后續(xù)數(shù)據(jù)分析奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).其次，利用比較法，直觀驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)論.例如，在“力的平行四邊形定則”驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生通過繪制力的圖示，計(jì)算出理論合力值，再與實(shí)驗(yàn)測(cè)量所得的合力值進(jìn)行對(duì)比.最后，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生注意在誤差允許范圍內(nèi)，分析實(shí)驗(yàn)與理論的誤差，直觀展示力的合成規(guī)則與平行四邊形定則的吻合度，從而自主完成對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)論的初步論證.

2.6 結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行評(píng)估反思

實(shí)驗(yàn)科學(xué)的精髓在于不斷地探索、驗(yàn)證與修正，而實(shí)驗(yàn)結(jié)果的偏差正是通往精準(zhǔn)認(rèn)知的必經(jīng)之路，也是深入挖掘?qū)嶒?yàn)過程潛在問題的契機(jī).因此，教師應(yīng)結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，系統(tǒng)引導(dǎo)學(xué)生從方法、器材選擇及操作執(zhí)行三個(gè)維度進(jìn)行評(píng)估反思，培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維與問題解決能力.首先，針對(duì)實(shí)驗(yàn)方法的評(píng)估反思是基礎(chǔ).教師應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生將實(shí)驗(yàn)結(jié)果置于理論框架下，對(duì)比預(yù)期目標(biāo)與實(shí)際結(jié)論的差異，思考實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是否合理，測(cè)量原理是否適用當(dāng)前情境.引導(dǎo)學(xué)生探討是否存在更精確或更適合的實(shí)驗(yàn)方案，比如，是否有未被考慮到的變量干擾或控制變量的策略是否得當(dāng).通過這樣的反思，學(xué)生逐步學(xué)會(huì)如何科學(xué)地質(zhì)疑和改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法，為獲取更可靠的數(shù)據(jù)打下基礎(chǔ).其次，實(shí)驗(yàn)器材的合理性直接影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性.在分析結(jié)果偏差時(shí)，教師需引導(dǎo)學(xué)生回顧使用器材的精度、靈敏度，討論可能因器材限制導(dǎo)致的誤差來源，如量程不夠大、分辨率不足或校準(zhǔn)不當(dāng)?shù)?最后，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的偏差往往與操作細(xì)節(jié)息息相關(guān)^［5］.因此，教師應(yīng)組織學(xué)生回顧實(shí)驗(yàn)操作流程，分析可能的失誤或非標(biāo)準(zhǔn)化操作，包括但不限于讀數(shù)誤差、反應(yīng)時(shí)間控制不當(dāng)?shù)?通過視頻回放、同伴互評(píng)等方式，學(xué)生可以直觀地看到操作中的不足，進(jìn)而提升操作的準(zhǔn)確性.

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，文章以“力的分解”實(shí)驗(yàn)為載體，提出了六大策略，不僅關(guān)注學(xué)生科學(xué)思維的激發(fā)與引導(dǎo)，也強(qiáng)調(diào)了信息技術(shù)的融合應(yīng)用、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的靈活性、數(shù)據(jù)分析能力的培養(yǎng)、反思性學(xué)習(xí)的促進(jìn)以及合作交流的重要性，形成了一個(gè)較為系統(tǒng)且全面的教學(xué)框架.

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［責(zé)任編輯：李 璟］