聚焦科學(xué)思維優(yōu)化初中物理實驗教學(xué)

摘 要：培養(yǎng)科學(xué)思維是物理學(xué)科育人的重要目標(biāo)之一。物理教學(xué)要利用實驗活動，推動學(xué)生思維螺旋上升。在初中物理教學(xué)中，教師要結(jié)合物理實驗教學(xué)，從實驗證據(jù)收集、問題啟發(fā)、推理論證、科學(xué)建模等方面讓學(xué)生積極思考，大膽質(zhì)疑；在論證中提煉科學(xué)方法，引領(lǐng)學(xué)生全面、深入地認(rèn)識科學(xué)本質(zhì)和科學(xué)原理，提升學(xué)生科學(xué)思維水平。

關(guān)鍵詞：初中物理；科學(xué)思維；實驗教學(xué)

中圖分類號：G632"" 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A"" 文章編號：1008-0333（2025）14-0091-03

收稿日期：2025-02-15

作者簡介：曹煒煒，教育碩士，一級教師，從事初中物理教學(xué)研究。

在物理學(xué)科核心素養(yǎng)中，科學(xué)思維是精髓。學(xué)習(xí)物理課程，實驗教學(xué)是重要內(nèi)容。教師要依托實驗活動，關(guān)注學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)。科學(xué)思維是認(rèn)識物理現(xiàn)象、探究物理規(guī)律、把握物理本質(zhì)的重要條件，主要包括科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新、科學(xué)推理、模型建構(gòu)等能力。初中物理課程教學(xué)目標(biāo)主要是讓學(xué)生能夠運用簡單的物理知識來解釋生活中的物理現(xiàn)象，而物理實驗?zāi)軌驗榻沂疚锢憩F(xiàn)象和物理規(guī)律提供幫助。在設(shè)計物理實驗活動中，除了關(guān)注實驗?zāi)康摹嶒灩ぞ摺嶒灧椒ㄍ猓處熯€要依托實驗，引領(lǐng)學(xué)生參與科學(xué)探究，獲取并驗證科學(xué)知識，促進(jìn)學(xué)生對物理規(guī)律的主動探究和深刻認(rèn)識，為發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維奠定基礎(chǔ)。

1 關(guān)注科學(xué)論證過程，增強學(xué)生證據(jù)意識

探究物理的原理、性質(zhì)及規(guī)律，需要建立在科學(xué)的證據(jù)論證基礎(chǔ)上。科學(xué)論證通常以比較、分析、歸納、演繹等思維方式，對相關(guān)假設(shè)或理論是否正確進(jìn)行檢驗，強調(diào)基于證據(jù)和邏輯的科學(xué)思維[1]。

在“聲音的產(chǎn)生和傳播”教學(xué)中，對于聲音的產(chǎn)生，根據(jù)定義，聲音是由物體的振動產(chǎn)生的，在實驗中學(xué)生能夠直觀感受這一現(xiàn)象。相比而言，學(xué)生死記硬背該結(jié)論，難以有深入、細(xì)致、真實的體驗，更無法做到靈活運用和掌握。為此，教師在設(shè)計實驗過程時，首先要引導(dǎo)學(xué)生從相關(guān)物理實驗中去觀察、收集相關(guān)證據(jù)，并通過證據(jù)來驗證該結(jié)論的科學(xué)性、嚴(yán)謹(jǐn)性和真實性，從而發(fā)展學(xué)生的論證能力。對比實驗現(xiàn)象：讓學(xué)生親身體驗鋼尺、皮筋、紙張發(fā)出的聲音，然后對比材料，探究發(fā)聲的本質(zhì)是什么。顯然，這些物體之所以能夠發(fā)聲，是因為在外力的作用下發(fā)生振動，由此歸納出“物體在振動時，能夠發(fā)出聲音”這一結(jié)論。接下來，教師提出問題：有沒有不振動就能發(fā)聲的物體或?qū)嵗坑袑W(xué)生想到敲門時，門沒有振動，就發(fā)出咚咚的聲音，有學(xué)生想到用耳機聽音樂，有學(xué)生想到吹口哨。顯然，上述發(fā)聲現(xiàn)象的振動太小，肉眼難以有效感知。然后，教師通過直接演示“用橡膠錘輕敲音叉”，所有學(xué)生都能聽到音叉發(fā)出的聲音，驗證“音叉在振動，但其幅度太小，無法直觀看到振動現(xiàn)象”這一結(jié)論。一些學(xué)生對音叉的振動幅度很小表示懷疑，教師提出問題：利用哪些方法能夠驗證音叉是振動的？學(xué)生在交流后提出：可以將音叉靠近懸掛的泡沫球，觀察到泡沫球被彈開；可以將音叉放在水中，觀察水面有細(xì)密的水波紋；可以用手指輕觸音叉，感受到輕微振動。最后，通過上述物理實驗，揭示聲音是由物體的振動產(chǎn)生的。物體振動時，發(fā)出聲音；不振動時，聲音停止。

2 強調(diào)問題啟思，發(fā)展學(xué)生質(zhì)疑品質(zhì)

學(xué)貴有疑。質(zhì)疑是一種優(yōu)秀品質(zhì)，也是學(xué)習(xí)物理、掌握科學(xué)方法的重要條件。在初中物理實驗教學(xué)中，教師要結(jié)合實驗?zāi)繕?biāo)，帶領(lǐng)學(xué)生參與實驗過程，觀察實驗現(xiàn)象，大膽質(zhì)疑[2]。質(zhì)疑是一種思維能力，建立在已有知識和經(jīng)驗基礎(chǔ)上，通過主動思考，提出不同的想法或見解。可見，質(zhì)疑要敢于打破慣性思維，摒棄固有觀念，強調(diào)創(chuàng)新與變革。在實驗教學(xué)設(shè)計中，教師作為實驗活動組織者，要圍繞實驗內(nèi)容，重視問題啟發(fā)，通過問題來發(fā)散學(xué)生的思維，幫助學(xué)生獲得問題解決能力。

在探究“液體傳聲的證據(jù)”實驗中，該實驗的目標(biāo)是通過在水中敲打鐵塊，讓學(xué)生觀察、聆聽能否產(chǎn)生聲音，從而證明“液體傳聲”這一結(jié)論。在實驗實施前，教師要做好實驗準(zhǔn)備，排除可能存在的干擾因素，提升實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性、真實性和科學(xué)性。教師先進(jìn)行實驗演示，有學(xué)生表示能夠聽到較輕的響聲，也有學(xué)生質(zhì)疑響聲的來源，與手在水下運動有關(guān)。為此，教師組織學(xué)生討論如何規(guī)避手的干擾。有學(xué)生提議，可以借助手機播放音樂來替代鐵塊；有學(xué)生提出補充建議，不能直接將手機放進(jìn)水里，可以借助塑料防水袋包裹手機，確保手機正常運作。教師再次啟發(fā)學(xué)生思考將手機放入水里，還有哪些需要注意的事項。有學(xué)生想到，手機放在水里，需要全部浸入水中；有學(xué)生建議，手機不能觸碰水槽底部，避免水槽對“液體傳聲”帶來干擾。手機在水下，既不露出水面，又不觸碰槽底，選擇何種方式更適宜？有學(xué)生想到，可以利用繩子系住手機防水袋，懸掛于水中；有學(xué)生果斷質(zhì)疑，系防水袋的繩子，有可能成為干擾源，干擾“液體傳聲”；有學(xué)生提出建議，可以在防水袋里充入空氣，使其懸浮水下。在一系列問題的引領(lǐng)下，學(xué)生對“液體傳聲”實驗方案進(jìn)行了全面討論與分析，最終利用保鮮膜包裹手機，并在防水袋中充入適量的空氣，使其懸浮于水中，如圖1所示。

從實驗操作中發(fā)現(xiàn)，手機自身體積較大，包裹后懸浮于水面下，有可能與杯壁發(fā)生觸碰而干擾實驗結(jié)果。為此，教師與學(xué)生共同商討提出改進(jìn)實驗，利用發(fā)光發(fā)聲芯片作為發(fā)聲體，懸浮于水下具有良好的實驗條件。在音樂響起時，學(xué)生都聽到了聲音，只是從水下傳來的聲音比在空氣里的聲音小一些。在上述實驗優(yōu)化過程中，教師圍繞實驗可能存在的干擾源問題，鼓勵學(xué)生大膽質(zhì)疑、積極探索、改進(jìn)實驗方案。不同想法的碰撞能夠發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)新思維，而質(zhì)疑能夠讓學(xué)生的思維更加靈活，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維品質(zhì)的提升。

3 挖掘內(nèi)在聯(lián)系，發(fā)展學(xué)生科學(xué)推理能力

事物的發(fā)展是普遍聯(lián)系的。在科學(xué)思維訓(xùn)練中，教師要重視挖掘事物之間的內(nèi)在聯(lián)系，引領(lǐng)學(xué)生在對比、歸納、演繹等過程中探索科學(xué)規(guī)律，逐步找到解決問題的方法和途徑。科學(xué)推理建立在科學(xué)思維基礎(chǔ)上，在物理學(xué)中，對概念、原理、規(guī)律的解釋往往離不開科學(xué)推理過程[3]。

在探究“真空不能傳播聲音”這一理想實驗時，為驗證該實驗結(jié)論，必須獲得真空實驗狀態(tài)。教師圍繞抽真空這一任務(wù)，組織學(xué)生思考并討論實驗方案。首先，引出猜想：如何設(shè)計并獲得真空容器？有學(xué)生認(rèn)為，將一個密閉容器中的空氣抽盡就可以得到真空容器。有學(xué)生想到，可以先向該容器注滿水，然后再將水抽干，即可得到真空容器。接著，教師提出問題：如何選擇發(fā)聲體？有學(xué)生想到，可以選擇帶小鐵錘的電鈴，電鈴發(fā)聲時，可以看到小鐵錘在振動。但有學(xué)生質(zhì)疑，電鈴振動時，可能干擾實驗中的其他部件，導(dǎo)致實驗結(jié)論不準(zhǔn)確。有學(xué)生提議，可以將發(fā)聲體懸掛起來，不與其他部件接觸。師生交流后決定將密閉玻璃鐘罩進(jìn)行抽真空來驗證“真空條件下不能傳聲”結(jié)論。但在進(jìn)行抽真空后，依然能夠聽到懸掛電鈴的聲音。對該現(xiàn)象進(jìn)行分析，有學(xué)生認(rèn)為密閉玻璃鐘罩內(nèi)可能還有氣體，未達(dá)到真空標(biāo)準(zhǔn)；也有學(xué)生認(rèn)為之所以能聽到聲音，與懸掛電鈴的棉線有關(guān)，棉線與玻璃鐘罩接觸，可能干擾“真空不能傳聲”實驗結(jié)論。針對上述問題，教師與學(xué)生共同討論解決辦法。有學(xué)生借鑒磁懸浮列車原理，提議可以通過磁鐵將發(fā)聲體懸浮于玻璃鐘罩內(nèi)。為此，將銣磁鐵與發(fā)聲芯片綁在一起，重新改進(jìn)實驗裝置，如圖2所示。

為了得到無接觸懸浮狀態(tài)，教師利用磁敏電阻設(shè)計反饋電路來控制電磁鐵的磁力，使其能夠?qū)l(fā)聲芯片和銣磁鐵懸浮起來。同樣，為了形成真空環(huán)境，利用拔罐器，配合硅膠密封，再對罐體進(jìn)行抽真空。在抽真空過程中，打開發(fā)聲體，讓學(xué)生去聆聽，對比不同時刻聲音的大小變化。抽真空時間越長，所聽到的聲音會越小，說明該實驗裝置越來越達(dá)到真空狀態(tài)。在不斷抽真空后，發(fā)聲體依然在發(fā)光發(fā)聲，卻聽不到聲音。由此可見，在“真空不能傳播聲音”改進(jìn)實驗裝置中，隨著拔罐器內(nèi)的空氣越來越少，在趨向于真空條件下，聲音由大慢慢變小，直至聽不到聲音，推理可知聲音的強弱與拔罐器內(nèi)空氣的多少有關(guān)。教師通過該實驗，讓學(xué)生經(jīng)歷了歸納推理與演繹推理的過程，理解并掌握了無法直接通過實驗來驗證結(jié)論時，可以通過理想實驗法來進(jìn)行科學(xué)推理，進(jìn)而提升了科學(xué)推理能力。

4 融入模型建構(gòu)，發(fā)展學(xué)生科學(xué)建模能力

在科學(xué)思維中，建模能力是重要的組成部分。通常教師在解釋科學(xué)概念或抽象理論時，會通過模型建構(gòu)來幫助學(xué)生深刻認(rèn)識科學(xué)理論。建模是一種科學(xué)方法，在初中物理實驗教學(xué)中，教師需要根據(jù)實驗內(nèi)容、學(xué)情實際，組織學(xué)生參與模型建構(gòu)活動，發(fā)展學(xué)生科學(xué)建模能力。

在“聲音是以什么形式在介質(zhì)中傳播”實驗探究中，聲音本身看不到摸不著，無法直觀感知其形式。在教材中，以“水波紋”來比作聲波，雖然能夠讓聲波的形式具有可視性，但也會讓學(xué)生對聲波形式產(chǎn)生錯誤認(rèn)知，比如，一些學(xué)生認(rèn)為聲波是一部分空氣向四周傳播等。為此，教師引入建模理論，利用彈簧疏密相間的波來類比聲波，幫助學(xué)生建立正確的聲波模型。初建模型，根據(jù)教師說話推測聲音是如何傳播到教室的各個角落。形象感知，利用彈簧圈，一手不動，另一手推動彈簧圈，觀察彈簧圈的形狀變化及特點。概括模型，彈簧圈由一邊向另一邊傳導(dǎo)，沿著相同方向形成疏密相間的波。修正模型，由彈簧波推測聲波的傳播形態(tài)，幫助學(xué)生理解空氣中聲波的特點。教師對空氣中聲波模型進(jìn)行解釋，參照彈簧圈的振動形態(tài)，聲波也是一波一波向外傳遞，在空氣中形成疏密相間的波形，其本質(zhì)是以波的形式傳遞能量。

通過形象模擬可知，彈簧圈間距不同，其傳遞的能量也不同。在振源相同條件下，間距最小的彈簧圈，振動傳遞速度最快，間距居中和間距最大的彈簧圈，傳遞速度最慢。由此，學(xué)生在頭腦中可以自主建構(gòu)聲波的振動模型，推斷出聲波在固體中傳播速度最快，其次是液體，在氣體中最慢。建模理念依托于物理模型，教師將抽象的物理問題模型化、直觀化，便于揭示物理的本質(zhì)屬性，并深化學(xué)生對物理概念、規(guī)律的理解和掌握。

5 結(jié)束語

初中物理實驗教學(xué)為發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維創(chuàng)造了條件。教師要全面綜合物理實驗內(nèi)容，精準(zhǔn)聚焦學(xué)生科學(xué)思維，在實驗證據(jù)的收集、實驗現(xiàn)象的歸納和演繹推理中，逐步讓學(xué)生認(rèn)識、把握物理本質(zhì)。科學(xué)思維的培養(yǎng)，需要教師聯(lián)系學(xué)生生活，注重問題啟發(fā)，挖掘內(nèi)在關(guān)聯(lián)，突出發(fā)散思維，滲透科學(xué)建模活動，讓學(xué)生在親身體驗中提升科學(xué)探究精神。

參考文獻(xiàn)：

［1］王優(yōu)媛。指向科學(xué)思維的初中物理實驗教學(xué)實踐[J]。中學(xué)物理，2024，42（08）：38-41。

[2] 曹麗。例談初中物理實驗教學(xué)中科學(xué)思維培養(yǎng)的策略[J]。中學(xué)科技，2022（19）：45-46，49。

[3] 李有苗。初中物理實驗教學(xué)中科學(xué)思維的培養(yǎng)策略分析[J]。知識文庫，2022（06）：121-123。

［責(zé)任編輯：李 璟］