創新實驗探究過程 發展科學推理能力

中圖分類號：G632 文獻標識碼：A文章編號：1008-0333（2025）21-0094-03

科學推理是科學思維的重要表現形式，在高中物理實驗中，其以物理實驗為載體，引領學生參與物理問題探究過程，體驗科學推理過程，促進科學推理能力逐步提升.

明晰科學推理步驟，搭建實驗探究框架

從概念來看，科學推理是基于多變量系統，從問題條件出發，通過一系列推演、評估、論證、反思來得出結論的過程.通過借鑒論證驅動教學步驟，將科學推理過程歸納為發現、推演、評估分析三部分.如圖1所示.

1. 1 問題發現過程

科學推理始于問題，而問題需要觀察來獲得[1].在發現階段，教師著重要求學生能夠結合實驗任務，去觀察相關變量，了解不同變量之間的邏輯關系

圖1科學推理教學框架

比如，在“安培力的方向”實驗探究中，教師通過為學生搭建實驗情境，展示通電導線在磁場中的不同放置方式，引導學生觀察通電導線所受安培力方向的變化.實驗現象為：（1）導線通電后，受磁場力的作用；（2）保持磁場方向不變，改變電流方向，通電導線所受安培力的方向發生變化；（3）改變磁場方向，保持電流方向不變，通電導線所受安培力的方向也發生變化；（4）同時改變通電導線的電流方向和磁場方向，通電導線所受安培力的方向并未發生變化.教師指導學生明確實驗中的主要變量，如電流方向、磁場方向和安培力的方向，引導學生對相關實驗條件進行觀察、記錄，并思考針對上述實驗現象有何發現.學生將實驗中的發現集中起來，為后續的實驗推斷或結論提供數據參考.

1.2 實驗推演過程

所謂推演過程，即圍繞實驗主題做出實驗假設、參與實驗設計、優化實驗方案、記錄實驗變量，從中獲得“確定的”實驗結果比如，在“安培力的方向”實驗探究中，該實驗目標是探究影響安培力方向的主要因素，或者說，哪些變量會導致安培力的方向發生改變.根據實驗情境，不同小組在架構實驗場景時，對實驗器材、實驗思路及實驗變量的觀察先后次序存在差異性.對于每次實驗變量的改變，都需要做好詳細記錄.在實驗中，學生著重聚焦電流、磁場、安培力三個變量的方向，并推測三者在空間上的位置關系，以此來找出判定安培力方向的有效方法

1.3 論證評估分析過程

評估和分析是判斷實驗假設是否與實驗結論相一致或相悖，分析實驗方案及實驗過程中是否存在缺陷或失誤，確保所推斷的結論具有真實性、科學性.在物理實驗教學中，教師要鼓勵學生能夠通過實驗數據來佐證實驗結論，以此培養學生證據意識

比如，在“安培力的方向”實驗探究中，甲組學生通過對影響安培力方向的相關因素進行觀察、分析后認為，安培力的方向只與磁場方向有關，并查閱相關資料，結合實驗數據，來論證自己的觀點；乙組學生在對安培力的方向進行實驗探究后認為，安培力的方向與磁場、電流的方向都有關，并通過查閱資料、分析實驗數據，對甲組的實驗結論提出疑問，甲組未能測得電流方向與安培力方向之間的關系，或許是通過導線的電流太小，使得導體棒在磁場中的受力變化不明顯.通過評估分析過程可知，乙組學生的實驗假設是正確的；甲組學生的實驗假設是錯誤的，實驗方案存在缺陷或實驗操作存在失誤，需要重新優化實驗方案，糾正不當實驗操作方法，重新進行實驗.

2優化實驗教學過程，落實科學推理能力

教師在組織、推進實驗的過程中，要強調學生的主體性，指導學生親歷實驗，發現問題并優化實驗方案，全面、正確地記錄實驗數據，辨析各個物理變量之間的關系，促進學生科學推理能力逐步提升.

2.1 創設問題情境，引出實驗假設

對安培力方向的判定與推理中，教師通過搭建電動機模型演示場景，組織學生觀察、思考電動機工作原理.在電動機演示實驗中，線圈通電后，在磁鐵周圍的磁場中受到力的作用，使輪子旋轉，由此引出“安培力”概念.接著，圍繞電動機工作過程，引導學生思考：安培力的方向與哪些因素有關？如何通過實驗來識別、推斷安培力的方向？結合對已有知識的回顧，磁場對通電導線有作用力，與磁場相關的物理量是磁感應強度，與通電導線相關的物理量是電流大小及方向.最后，從電流、磁場變換中，讓學生觀察電動機的轉向，據此引出猜想：安培力的方向可能與電流、磁場方向有關.顯然，科學推理需要觀察實驗現象，從現象對比中來識別物理量變化，再借助猜想，推測不同物理量之間存在關系.這些物理量間的關系，需要通過具體實驗方案來檢驗或驗證

2.2 設計實驗方案，貫穿科學推理過程

學生小組根據實驗假設，對實驗方案進行設計，通過觀察實驗現象，記錄實驗數據，獲得驗證實驗假設所需的證據.再對比這些證據，對實驗假設與實驗目標進行一致性分析，驗證推斷是否科學、正確

比如，在“安培力的方向”實驗探究中，主要分為六個步驟.

第一步，圍繞實驗假設，設定需要觀察、收集的物理變量，并思考如何獲取相關證據的方法.在本實驗中，學生著重猜想安培力的方向、電流方向、磁場方向等變量.

第二步，對比不同實驗方法，確保所收集的變量數據科學、可靠、準確.組織學生回顧類比法、控制變量法、轉換法等，結合本實驗，設定可操作性的實驗方法，最終確定使用控制變量法.

第三步，收集變量數據，利用列表法，對實驗數據進行統計.本實驗目標是判定安培力的方向與哪些因素有關，實驗數據為“方向”，故采用如表1所示的記錄表.

表1安培力的方向實驗記錄表

第四步，觀察每次實驗現象，記錄各個物理量的方向，并填入表格，嘗試推測影響安培力方向的物理規律.

第五步，引入“左手定則”，通過左手定則，指導學生嘗試運用左手定則來判定安培力的方向，建構物理模型.

第六步，圍繞“左手定則”模型，以逆向方式，推測并判定電流、磁場與安培力三個物理量的方向關系：拇指與四個手指保持垂直，磁感線與掌心垂直，四根手指與電流方向一致，由此得到拇指所指方向即為安培力的方向.

2.3 引入論證與反思，驗證推理結果

并非所有的實驗結果都是正確的，科學推理能力的提升還需要學生對實驗結果進行科學論證[2].當實驗結果無法由實驗證據推導出來時，則需要反思實驗過程，查找原因，對于實驗操作中的錯誤或失誤，需要糾正并重新實驗，完成推理過程.當實驗方案不合理或存在局限性時，需要修改實驗方案，重新進行實驗，以驗證實驗假設.當實驗假設有問題時，則需要重新設定假設，再重新設計實驗方案，進行推理、分析，以逐步達成實驗目標.由此，在本實驗中，對安培力的方向判定，各組學生提出各自觀點，將這些觀點進行展示，教師組織學生討論，鼓勵學生對不同觀點尋找實驗證據.如果證據不足，則要對實驗結論進行反思，并組織學生展開質疑，查找原因.經過實驗論證與反思過程后，對實驗結果能否驗證實驗目的作出判定.

3 教學反思與啟示

物理實驗是嚴謹的，通過實驗教學，訓練學生科學推理能力，增強學生問題意識質疑品質，端正學生科學態度，養成科學思維習慣

3.1將學生置于科學探究活動中，體認科學精神

科學知識與現實世界緊密相連，從實驗教學中，既要讓學生認識概念、了解物理規律，更要引導他們參與科學探究，體認科學精神的內涵，發展科學推理與辨析能力.在“安培力的方向”實驗中，學生是實驗主體，教師應鼓勵學生觀察實驗并發現問題，組織學生記錄實驗數據，親歷實驗推演過程，在動手操作、評估分析中內化科學思維，從細致觀察、猜想、驗證中感受科學方法，體認科學精神.

3.2 借鑒論證驅動方法，剖析知識點內在邏輯關聯

事實上，論證與推理是相互融合的，由論證驅動科學探究，以證據來突顯科學推理過程，讓學生結合物理實驗，厘清實驗條件、實驗假設與實驗目的的關系，借助科學推理來完成實驗探究任務.物理實驗要讓學生動手完成，囿于實驗條件，對實驗結果而言具有不確定性.也就是說，實驗推理過程可能是錯誤的，誘發錯誤結論的原因也是多樣的.教師要做好臨場指導，從學生實驗中的問題入手，啟發學生分析問題，探究原因，從而找出解決問題的方法，讓學生從實驗中發展科學推理與探究能力.另外，教師還要反思實驗教學流程，增強實驗任務與科學推理的關聯，搭建富有科學探究特色的實驗情境，讓學生擁有更多科學推理機會.

3.3 將科學推理作為物理教學的重要目標

教師作為課程設計者，要深刻認識科學推理在物理學科素養中的地位，充分發揮物理實驗在學生科學推理能力養成中的作用，切實解決學生科學推理能力欠缺問題.新課標背景下，物理實驗教學不僅要關注實驗方法、技能的訓練，更要關注物理知識的形成過程，引導學生參與實驗的觀察、驗證與探究，明晰物理的概念和規律如何產生，通過邏輯推理過程，感知科學推理方法的重要性

4結束語

科學推理能力需要不斷訓練，要從問題解決中提升科學思維能力.科學推理應遵循問題發現、問題解決這一規律，教師要重視論證驅動，引發學生主動思考，從實驗現象中抽象出物理量，通過因果關系分析來揭示物理邏輯，提高學生科學推理能力，

參考文獻：

[1]凌慧怡.以物理實驗與科學推理相結合提升學生科學思維的案例探究[J].上海教育，2021（S1） ：66 -67.

[2]陸丁，張利國，馮爽.創新實驗教學發展學生科學思維[J].中學物理，2021，39（22）：55-58.

[責任編輯：李 璟]