核心素養(yǎng)視域下高中物理實驗教學(xué)中的科學(xué)思維培養(yǎng)分析

虞琴

【內(nèi)容摘要】自新課程改革實施以來，核心素養(yǎng)逐漸成為學(xué)科教學(xué)的根本目標，高中物理教學(xué)也不例外。高中物理核心素養(yǎng)由“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”四部分組成，其中“科學(xué)思維”是其他素養(yǎng)發(fā)展的思想支撐，充分體現(xiàn)了物理學(xué)科的特點，對培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)尤為重要。為此，本文立足核心素養(yǎng)，以高中物理實驗教學(xué)為例，分析科學(xué)思維的具體培養(yǎng)策略。

【關(guān)鍵詞】核心素養(yǎng)? 高中物理實驗? 科學(xué)思維? 策略

隨著時代科技與經(jīng)濟的飛速發(fā)展，國際競爭越來越激烈，其中人才所具備的核心素養(yǎng)是競爭的主要指標之一。在此背景下，我國新課程改革提出了對學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，要求學(xué)生掌握適應(yīng)個人終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的品質(zhì)與能力。物理作為一門自然學(xué)科，與生產(chǎn)生活存在很大聯(lián)系，在教育教學(xué)中非常重視對學(xué)生物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)?？茖W(xué)思維是物理核心素養(yǎng)的組成內(nèi)容之一，強化學(xué)生科學(xué)思維發(fā)展提高學(xué)生思維認知，還有助于激發(fā)對科學(xué)研究的動機和創(chuàng)新意識，實現(xiàn)對邏輯思維和抽象思維的發(fā)展，提高思維遷移能力和問題解決能力。而實驗又具有一定探究性和實踐性，是思維培養(yǎng)的有效途徑。可見，探究核心素養(yǎng)視域下高中物理實驗教學(xué)中科學(xué)思維的培養(yǎng)具有很強的可行性。

一、物理實驗教學(xué)與核心素養(yǎng)的培養(yǎng)

物理作為一門自然學(xué)科，離不開實驗探究，很多物理規(guī)律和知識本質(zhì)都是在實驗探究中得到的。從理論知識角度來看，物理學(xué)科中的大部分概念、規(guī)律直接來源于實踐，通過對富有感性材料的理解與實踐，實現(xiàn)物理概念的建立，理解物理規(guī)律，深刻掌握物理觀念。從實驗教學(xué)來看，高中物理實驗包括驗證性實驗、研究性實驗、探究性實驗以及測量性實驗等，學(xué)生可以在不同實驗中通過對物理現(xiàn)象和過程的觀察與分析，構(gòu)建出物理模型，利用相關(guān)證據(jù)獲得正確數(shù)據(jù)，促進科學(xué)論證、科學(xué)推理以及科學(xué)思維的發(fā)展。從實驗探究來看，大多數(shù)高中物理實驗與生活息息相關(guān)，學(xué)生可以根據(jù)自身生活經(jīng)驗進行自主探究。但生活中的物理現(xiàn)象千變?nèi)f化，要想實現(xiàn)生活、物理現(xiàn)象與物理知識探究相結(jié)合，教師必須引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會從各個角度思考問題、提出問題，并作出合理的猜想，通過制定實驗方案、設(shè)計實驗過程、處理實驗數(shù)據(jù)得出合理結(jié)論，驗證最初猜想。這一過程，能夠促進學(xué)生多種學(xué)習(xí)能力的發(fā)展，包括模型構(gòu)建能力、推理論證能力、科學(xué)探究能力等。由此可見，物理實驗教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的有效途徑。

二、科學(xué)思維的具體內(nèi)容分析

筆者通過參考相關(guān)文獻總結(jié)得出，高中生在物理學(xué)習(xí)中需要具備的科學(xué)思維包括邏輯思維、抽象思維、逆向思維、發(fā)散思維、批判思維和創(chuàng)新思維幾方面，這六大思維共同組成了科學(xué)思維的骨架。在高中物理實驗教學(xué)中，要想實現(xiàn)對學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)，必須從六大思維的培養(yǎng)入手，在此基礎(chǔ)上要善于分析怎樣培養(yǎng)科學(xué)思維。

科學(xué)思維培養(yǎng)的最終目的是提高學(xué)生問題解決能力，但實際問題解決與課堂教學(xué)問題設(shè)計存在一定差別，實際問題存在很大的可變性，為了讓學(xué)生能夠從課堂問題有效過渡到實際問題，學(xué)會舉一反三，學(xué)以致用，離不開對學(xué)生思維遷移能力的培養(yǎng)，這些屬于科學(xué)思維的教學(xué)內(nèi)容。教學(xué)實踐中要引導(dǎo)學(xué)生分析問題情境的相似性，掌握本質(zhì)，排除干擾信息，篩選核心信息，增強思維靈活性。

思維是一種內(nèi)化形式，但經(jīng)過一些培養(yǎng)引導(dǎo)后，會外顯為兩種形式，分別為學(xué)生對思維方法的掌握（分析、推理、論證、批判、質(zhì)疑、創(chuàng)新）和思維能力的形成（構(gòu)建物理模型、學(xué)會多角度思考、多維度審視、擁有證據(jù)意識等）。這兩種形式是檢驗學(xué)生科學(xué)思維發(fā)展水平的有效指標，也是獲取問題解決策略的有效途徑，物理實驗教學(xué)中教師要重視對學(xué)生思維外化形式的引導(dǎo)和培養(yǎng)，促進思維遷移。

三、高中物理實驗分類及科學(xué)思維培養(yǎng)分析

1.探究性實驗

探究性實驗是新課程改革下的新型實驗，操作上具有嘗試性，結(jié)果具有不定向性，是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的有效途徑之一。人教版高中物理的探究性實驗主要包括探究彈簧彈力與變形關(guān)系、探究加速度與物體受力和物體質(zhì)量的關(guān)系、探究平拋運動特點、探究向心力大小與半徑、角速度和質(zhì)量的關(guān)系等，不同探究性實驗中培養(yǎng)學(xué)生的思維方向也不同。比如在“探究平拋運動特點”的實驗中，通過實驗猜想，在實驗數(shù)據(jù)處理過程中滲透的“化曲為直”方法，既體現(xiàn)了抽象思維，又體現(xiàn)了創(chuàng)新思維。

2.測量性實驗

測量性實驗主要在獲取數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)中應(yīng)用比較頻繁，并且對數(shù)學(xué)工具的依賴性比較大。高中物理的測量性實驗主要包括測量作直線運動物體的瞬時速度、測量金屬絲的電阻率、測量電源的電動勢和內(nèi)阻等，主要集中于對學(xué)生邏輯抽象思維、發(fā)散思維和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。以“測量作直線運動物體的瞬時速度”實驗為例，借助速度計算公式應(yīng)用平均值法和圖像法進行數(shù)據(jù)處理，具有鮮明的數(shù)學(xué)特征，能夠培養(yǎng)學(xué)生邏輯思維。

3.研究性實驗

研究性實驗又可以稱為啟發(fā)性實驗，實驗中教師是主要的操作者，采取啟發(fā)的方式，誘導(dǎo)學(xué)生闡述自己的觀點，并做出相應(yīng)判斷。高中物理中的研究性實驗包括觀察電容器的充電和放電現(xiàn)象、長度的測量以及測量工具的選用等。以“電容器的充放電現(xiàn)象”實現(xiàn)教學(xué)為例，要求學(xué)生在教師操作結(jié)束后，能夠從不同角度對觀察結(jié)果進行描述，提出質(zhì)疑，促進批判性思維發(fā)展。

4.驗證性實驗

該實驗主要用于驗證某一結(jié)論的正確性，它與探究性實驗相反，是針對已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的知識進行“逆向”分析。此類實驗在設(shè)計和操作選擇階段具有很強的靈活性、邏輯性和創(chuàng)新性，有利于實現(xiàn)對學(xué)生發(fā)散性思維、邏輯思維和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。高中物理實驗中的驗證性實驗包括驗證機械能守恒定律、驗證動量守恒定律等。不同實驗驗證方向不同，實驗設(shè)計過程也不同，對學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)自然也不同。

四、核心素養(yǎng)視域下高中物理實驗教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的策略

1.創(chuàng)設(shè)實驗情境，培養(yǎng)學(xué)生質(zhì)疑精神

實驗教學(xué)離不開情境創(chuàng)設(shè)，在情境中學(xué)生不僅能夠更好地理解知識，還可以實現(xiàn)情感發(fā)展。為此，高中物理教師要注重以實驗的方式為學(xué)生創(chuàng)設(shè)一個貼近實際生活的課堂情境，并設(shè)計一系列問題，引發(fā)學(xué)生認知沖突，激發(fā)探究意識。實驗本身具有很強的實踐性和趣味性，能夠使學(xué)生注意力快速集中。此外，為了讓學(xué)生在實驗探究中處于一種“心求通而未得”的狀態(tài)，所設(shè)計的問題要遵循最近發(fā)展區(qū)原理，符合學(xué)生已有的認知水平，使學(xué)生通過獨立思考和小組討論能夠得到相關(guān)答案，從而促進思維發(fā)展。

比如在“探究加速度與物體受力、物體質(zhì)量的關(guān)系”實驗中，教師可以采用控制變量法為學(xué)生創(chuàng)設(shè)不同的情境，情境一：選擇相同質(zhì)量的物理，給予不同的受力，觀察加速度變化;情境二：選擇不同質(zhì)量的物體，給予相同的受力，觀察加速度變化。讓學(xué)生分組做實驗定性討論。之后有的學(xué)生會提出疑問“不同物體在同一水平面上所受的摩擦力不同，如何消除實驗中摩擦力的影響？”這一問題充分體現(xiàn)了學(xué)生的質(zhì)疑精神，有利于思維發(fā)展。

2.強化學(xué)生體驗，鍛煉科學(xué)探究能力

在理論知識學(xué)習(xí)中，學(xué)生記住了物理概念和規(guī)律，但并不意味著建立了物理觀念，能夠運用所學(xué)知識解釋和解決生活中遇到的現(xiàn)象和問題，擁有了科學(xué)思維。因此，在高中物理實驗教學(xué)中，教師仍然需要鼓勵學(xué)生自主設(shè)計實驗，親身投入到實驗實踐中，鍛煉科學(xué)探究能力。比如在“測量電源的電動勢和內(nèi)阻”實驗中，要引導(dǎo)學(xué)生親自探究。在此之前，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過閉合電路歐姆定律，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)閉合電路歐姆定律的不同表達式，自主設(shè)計和制定實驗方案，可以選擇電壓表和電流表，也可以選擇電流表和電阻箱等，不限制實驗工具的選擇，給予學(xué)生一定的自由性，使其能夠充分發(fā)揮自身想象力和探究能力。此外該實驗中存在著一定安全隱患，以伏安法測電阻為例，如果電路短路，電路中電流過大，會損壞電表和電池，因此在調(diào)節(jié)滑動變阻器時要防止電阻為零的情況發(fā)生。設(shè)計完實驗后，鼓勵學(xué)生進行實驗操作，獲取實驗數(shù)據(jù)，由歐姆定律公式：U=E-Ir，以I為橫坐標，U為縱坐標，做出U-I圖像，利用圖像法求出電池的電動勢和電阻。該實驗過程的體驗，既鍛煉了學(xué)生數(shù)據(jù)處理能力，又培養(yǎng)了分析論證能力和科學(xué)探究能力，有利于形成嚴謹務(wù)實的科學(xué)態(tài)度。

3.滲透實驗方法，培養(yǎng)模型構(gòu)建思維

實驗方法是物理實驗開展的有效手段，本質(zhì)上是處理問題的程式化工具。在物理實驗中，實驗方法具有一定的隱蔽性，會影響實踐中的操作有效性。因此，高中物理教師要注重物理實驗方法的滲透，一方面提高學(xué)生實驗探究能力，另一方面增強實驗教學(xué)的有效性。學(xué)生掌握一定實驗方法有利于促進模型構(gòu)建思維的發(fā)展，增強科學(xué)思維。

以“化曲為直”的方法為例，該方法主要為了驗證牛頓第二定律，將a-m圖像變?yōu)閍-1/m圖像后，二者的關(guān)系也就由隱形的曲線變?yōu)榱酥庇^的直線關(guān)系，學(xué)生再遇到此類問題時，會想到利用“化曲為直”的方法進行解決。再比如“圖像法”，該方法是數(shù)據(jù)處理的常用方法之一，通過選擇適當?shù)淖鴺?，以描點畫圖的方式展現(xiàn)物理量之間的函數(shù)關(guān)系，分析斜率、截距、所包圍的面積，找出物理量之間存在的變化關(guān)系，從而構(gòu)建物理模型。由此可見，實驗方法是物理實驗教學(xué)的靈魂，教師必須幫助學(xué)生掌握實驗方法，學(xué)會從本質(zhì)屬性升華出物理模型。

4.建立開放性實驗，滲透科學(xué)技術(shù)理念

現(xiàn)代化教育中學(xué)科教學(xué)不應(yīng)該再局限于課堂，要善于利用現(xiàn)有條件，構(gòu)建第二課堂，帶領(lǐng)學(xué)生走進社會，感受生活。高中物理實驗教學(xué)也不例外，教師要善于建立開放性實驗，讓學(xué)生根據(jù)所要解決的問題自主選擇實驗儀器，設(shè)計實驗方案，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)和研究物理的興趣與內(nèi)在動機。通過課外實驗，讓學(xué)生充分意識到物理來源于生活，又服務(wù)于生活，從而將自己的生活經(jīng)驗和已有知識相融合，開拓眼界，提高問題解決能力，了解科學(xué)、技術(shù)與社會之間的關(guān)系，逐漸學(xué)會從多個角度思考物理實驗，促進創(chuàng)新思維發(fā)展。

結(jié)語

綜上所述，核心素養(yǎng)視域下的高中物理教學(xué)要注重對學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)的培養(yǎng)，特別是科學(xué)素養(yǎng)。教師首先要充分了解科學(xué)素養(yǎng)的具體教學(xué)內(nèi)容與價值，并以此為基礎(chǔ)，結(jié)合具體實驗教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化教學(xué)策略，提高學(xué)生實驗學(xué)習(xí)能力，促進綜合思維發(fā)展。

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【本文為江蘇省“十三五”教研課題“高中物理實驗教學(xué)中提升學(xué)生‘科學(xué)思維能力的實踐研究”成果，課題編號：2019JK13-ZB80?！?/p>

（作者單位：江蘇省泰興市第二高級中學(xué)）