指向問題解決的初中物理科學探究途徑探析

［摘 要］科學探究是物理核心素養的重要維度之一。初中物理強調科學探究作為物理核心素養的重要性，旨在引導學生形成“提問有依據、猜想有證據、設計有方法、改進有辦法”的科學探究途徑，以提升學生的物理核心素養。初中物理教師應創設真實情境引導學生進行科學探究，讓學生直面困境和解決問題，以提升其解決實際問題的能力和科學探究素養。

［關鍵詞］問題解決；科學探究；浮力

［中圖分類號］" " G633.7" " " " " " " " ［文獻標識碼］" " A" " " " " " " " ［文章編號］" " 1674-6058（2025）02-0039-04

物理學是自然科學領域研究物質的基本結構、相互作用和運動規律的一門基礎學科。義務教育物理課程是一門以實驗為基礎的自然科學課程，具有基礎性、實踐性等特點[1]?！读x務教育物理課程標準（2022年版）》（以下簡稱《課標》）明確指出，物理課程要培養的核心素養，主要包括物理觀念、科學思維、科學探究和科學態度與責任［2］。這凸顯了物理學科的育人目標。那么，如何落實新課標精神，讓新課標理念真正在一線教學中落地呢？本文以“浮力”教學為例，闡述如何通過創設真實情境，引導學生進行科學探究，從而培養學生的解決問題能力和科學探究素養。

一、科學探究的內涵

《課標》提出：“科學探究是指基于觀察和實驗提出物理問題、形成猜想與假設、設計實驗與制訂方案、獲取與處理信息、基于證據得出結論并作出解釋，以及對科學探究過程和結果進行交流、評估、反思的能力?！盵3]科學探究主要包括問題、證據、解釋、交流等要素（如圖1）［4］。

科學探究既是物理課程的重要內容，又是學習物理的重要途徑。它能夠將物質、運動和相互作用、能量、實驗探究、跨學科實踐等一級主題內容有機地聯系起來，為物理觀念的形成、科學思維的培養、科學態度與責任的養成提供實踐基礎。因此，指導學生進行科學探究，讓學生在探究過程中培養核心素養顯得尤為重要。

二、科學探究的途徑

（一）創設真實情境，引發思考，培養“提問有依據”的問題意識

科學教育的目標是培養學生靈活運用所學科學知識解決新問題的能力。為實現這一目標，教師需要將學科教學生活化，圍繞真實情境來提出問題。學科教學的核心在于發展學生的思維，而思維總是與問題密切相關。問題是思維的起點，是點燃學生思維火花的火種。只有當學生置身于真實情境，面對實際問題，陷入思考困境時，他們才會對新知識產生強烈的求知欲，才會為了走出困境而積極思考、探索求解。

[案例1]在“浮力”這節課的引入環節，教師在講臺上放兩個燒杯，燒杯中分別盛放水和酒精（事先不告訴學生這兩種液體的成分）。每個燒杯中各放入一支蠟燭，但一支蠟燭漂在液面上，另一支卻下沉至杯底。學生的前概念是蠟燭在水中應該是漂浮的，因此對蠟燭下沉的現象感到困惑。為了解決這一認知沖突，學生開始尋找原因。一名學生提出猜想：可能是因為兩支蠟燭的長度不同。那么，如何驗證這個猜想是否正確呢？學生自己想到了解決辦法：把兩支蠟燭從液體中拿出來擦干凈，然后互換位置再放入燒杯中。結果，原本漂在液面上的蠟燭沉底了，這證明蠟燭的下沉與長度無關。接著，另一名學生提出猜想：可能是因為燒杯中盛放不同種類的液體，導致蠟燭受到的浮力不同。并舉例：人可以漂浮在死海上悠閑地看報紙，但在游泳池里卻做不到，這就是因為液體的密度不同所導致的。

在案例1中，學生面對教師設計的真實情境，產生了認知沖突。這一沖突不僅激發了學生對浮力的深入思考，還為后續提出“浮力大小可能與液體的密度有關”的猜想埋下伏筆。

（二）結合生活經歷，作出合理猜想，培養“猜想有證據”的證據意識

《課標》將12個探究類學生必做實驗分為兩類（見表1）。

在進行這些實驗時，需要研究某個物理量與哪些因素有關，以及如何尋找這些變量。如果教師不加以引導，任由學生漫無目的地猜測，那么這不僅對學生的邏輯推理能力提升沒有好處，還會給后續的探究活動增加難度。因此，教師需要喚醒學生的前概念或利用他們已有的生活經驗，或者在課堂上重現相關生活情境，讓學生參與能夠切身體驗的活動。這樣，學生的猜想與假設才能有更明確的方向。有依據的猜想是培養邏輯推理能力的起點。

在“探究浮力大小與哪些因素有關”實驗的猜想與假設環節，學生的發散性思維最為活躍。當學生提出猜想與假設時，教師要求學生說出猜想的依據，或者分享切身的生活體驗來支撐他們的猜想與假設。

[案例2]在探究浮力大小與哪些因素有關時，學生會根據書上的插圖“人可以浮在死海上”猜想浮力的大小與液體密度有關，認為液體的密度越大，浮力越大。他們還會根據木塊浮在水面上而石塊沉底的現象，猜想浮力的大小可能與物體的密度有關（物體的密度越小，浮力越大）。此外，學生通過比較按壓排球和乒乓球入水所需的力氣，猜想浮力的大小可能與物體的體積有關（物體的體積越大，浮力越大）。在測量沉入水中的物體受到的浮力的活動中，學生發現物體浸入水中的體積越大，彈簧測力計的示數越小，從而得出“浸入液體的體積越大，浮力越大”的結論。除此之外，學生可能還會猜想浮力的大小與物體的形狀、液體的溫度、物體與液體的接觸面積等因素有關。

以上收集到的影響浮力大小的因素，都是學生結合自身生活經歷做出的有依據的猜想。猜想與假設是科學探究的要素之一，其基本環節包括：認清問題事實、分析問題本質、對問題進行預測并推測可能的結論。讓學生的猜想有證據，意味著要引導學生在證據的支撐下進行猜想與假設，并在獲取證據和分析證據的過程中培養他們的科學思維能力、嚴謹的學習態度以及解決問題的能力。指向科學論證的猜想與假設，是基于學生已有知識和經驗的喚醒，使他們能夠做出合理的推測和論證，這是培養學生批判性思維的有效教學實踐。在案例2中，學生的前概念對學生理解浮力大小形成了嚴重的障礙。如果教師不加以引導和糾正，而是直接按照預設的實驗安排進行，那么學生的原有認知將會持續影響他們對浮力的正確理解。

（三）科學設計實驗，培養“設計有方法”的解釋意識

在設計實驗與制訂方案環節，教師需要加以引導，使學生思維升級，順利完成探究任務。這就要求教師充分了解學生的認知水平，不能僅僅從自己的角度出發給出探究方案，而應該更多地從學生的角度去思考探究問題，設計好探究方案。這樣，學生才能經歷一次更接近科學家的實際探究過程，從而把真實的科學探究進行到底。

[案例3]在“探究浮力大小與哪些因素有關”實驗中，學生猜想出浮力大小可能與以下因素有關：液體的密度、物體的密度、物體的體積、物體浸入液體中的體積、物體浸入液體中的深度、液體的溫度、物體的形狀、物體與液體的接觸面積[5]。教師需要預設學生的這些猜想，并針對這些猜想設計對比實驗，準備好所需的實驗器材。通過對比實驗，引導學生排除不相干的物理量，進而對相關因素進行整合，進行有效的探究。

在案例3中，問題的解決需要教師提前準備充足的物品，以便學生能選擇合適的物品進行實驗。比如，教師可以準備好體積相同但質量不同的鐵塊和鋁塊，或者提供空的飲料瓶（通過增減沙子來調整質量）、橡皮泥等物品，讓學生自行設計實驗，逐一檢驗影響浮力大小的真實因素。

在實驗中，學生每次只能改變一個要檢驗的物理量，而保持其他物理量不變。這對學生控制變量的能力要求較高。

面對眾多影響浮力大小的因素，教師應引導學生先進行初步的檢驗：

針對“液體的密度”這一因素，學生提出實驗方案：將同一個物塊懸掛在彈簧測力計上，分別浸沒在水和酒精中，觀察浮力變化。結果發現，浮力不同。教師點評：在控制其他變量不變的情況下，僅僅改變液體的密度，浮力就發生了變化。這說明浮力的大小與液體的密度有關。

針對“物體的密度”這一因素，學生選用體積相同但密度不同的鐵塊和鋁塊進行實驗。結果發現，雖然鐵塊和鋁塊的密度不同，但當它們全部浸入液體時，所受浮力相等。因此，可排除“物體的密度”這一因素。

針對“物體的體積”這一因素，學生發現同一個物體浸入液體中的體積不同，浮力不同。這說明真正決定浮力大小的是物體浸入液體中的體積，而不是物體本身的體積。因此，可排除“物體的體積”這一因素，確定“物體浸入液體中的體積”的影響。

針對“物體浸入液體中的深度”這一因素，學生發現，如果慢慢將飲料瓶浸入液體中，浮力似乎越來越大。這是否意味著浸入液體的深度對浮力有影響呢？然而，此時存在一個問題：物體浸入液體的體積和深度同時在變化，難以確定是哪個因素導致了浮力的變化。為了準確探究深度對浮力的影響，需要設計一個實驗只改變物體浸入液體的深度，而不改變物體浸入液體的體積。一個可行的方案是先將物體全部浸入液體中，再改變物體浸入液體的深度。結果發現浮力大小與物體浸入液體中的深度無關。

學生設計出了另一個方案，這個方案能夠只改變物體浸入液體中的深度而不改變物體浸入液體中的體積。具體來說，可以將一個長方體先豎著浸入液體中一半，再橫著浸入液體中一半，這樣兩次浸入液體中的體積都是該長方體體積的一半，但兩次浸入液體中的深度不同。通過比較兩次的浮力是否相等，可以判斷浮力是否與物體浸入液體中的深度有關。若兩次浮力相等，則說明浮力與物體浸入液體中的深度無關；若兩次浮力不等，則說明浮力與物體浸入液體中的深度有關。

針對“液體的溫度”這一因素，由于溫度會影響液體的密度，這與我們之前探討的“液體的密度”存在重復，因此“液體的溫度”這一因素可以不做討論。

針對“物體的形狀”和“物體與液體的接觸面積”這兩個因素，學生通過實驗發現，一塊橡皮泥捏成球狀和扁平狀后都會浸沒在水中，浮力保持不變。因此，可排除這兩個因素對浮力的影響。

經檢驗，可得出以下結論：浮力的大小與液體的密度和物體浸入液體中的體積有關。為了統一描述，可將“物體浸入液體中的體積”轉化為描述液體的物理量，即“被物體排開的液體的體積”。綜上所述，液體對浸入其中的物體所產生的浮力大小與液體的密度、被物體排開的液體的體積有關。

通過以上的實驗設計、數據分析、理論解釋等思考過程，學生不僅能夠運用所學物理知識解決復雜的實際問題，而且有效提升了自身的解決問題能力和科學探究素養。

（四）經歷真實困境，培養“改進有辦法”的交流意識

在遇到真實困境時，學生不應選擇退縮不前而應燃起斗志勇往直前。而這就需要學生能有克服困難的勇氣并具備解決問題的能力。對此，教師應引導學生經歷真實困境，直面真實問題，并運用已有的知識解決新問題。

在“探究浮力大小與哪些因素有關”這個實驗中，學生的真實困境是如何甄別他們認為的影響浮力大小的各種因素。為此，學生應與教師合作，共同準備好必要的實驗器材。在遵循控制變量的原則下，設計一系列對比實驗，以區分哪些是真正影響浮力的因素，哪些則是非影響因素。學生設計的長方體實驗裝置（或模型）在理論上分析得非常到位。如果能將這個設計付諸實踐，學生肯定會獲得極大的成就感和滿足感。

[案例4]3D打印出一個長方體（如圖2甲），長為8 cm，高為5 cm，寬為4 cm。A面和B面的中央裝有體積很小的螺釘，這些螺釘可用于掛細繩，以便懸掛彈簧測力計。C面開有一個帶有小圓孔的蓋子，通過此蓋子可向長方體內加入不同質量的細沙，從而改變長方體的平均密度和質量。

針對“物體浸入液體中的深度”這一因素，我們在此長方體上標記了各個面的中線，如圖2乙所示。實驗時，將A面掛在彈簧測力計上，使長方體的一半體積浸入水中，浸入深度是高度的一半[b2]；隨后，將B面掛在彈簧測力計上，同樣使長方體的一半體積浸入水中，但浸入深度是長度的一半[a2]。兩次實驗中，浮力相等，因此可排除“物體浸入液體中的深度”這一因素的影響。

案例4中，將理論設計成果成功轉化為實際的實驗操作，這對教學起到了顯著的促進作用，不僅極大地提升了學生的思維能力和科學探究素養，還增強了他們的實驗設計能力。通過這次實驗器材和實驗方法的改進，學生解決真實問題的能力得到了顯著提高。

科學探究是物理核心素養的重要組成部分。在初中物理教學中，教師應注重創設真實情境，激發學生提出問題的欲望，培養學生的問題意識；通過增加學生的實驗體驗，為他們進行猜想提供豐富的經驗和依據，并培養他們的證據意識。同時，教師應設置真實的問題情境，引導學生解決問題，培養學生的解決問題能力與解釋意識。此外，教師還應提供展示和評估的平臺，讓學生認識到交流評價的意義和重要性，培養學生的交流意識。在科學探究過程中，教師要讓學生體驗科學探究的樂趣，感悟科學探究的方法，學會如何進行科學探究，并逐步提升科學探究素養。

［" "參" "考" "文" "獻" "］

[1][2][3]" 中華人民共和國教育部.義務教育物理課程標準：2022年版[M].北京：北京師范大學出版社，2022.

[4]" 孫龍周.指向學生科學思維的初中物理教學[J].物理教師，2023，44（5）：45-47，50.

[5]" 鄭青岳.初中科學深度備課：讓新課程的理念落地[M].上海：上海教育出版社，2023.

（責任編輯" " 黃春香）