基于證據(jù)意識(shí)的物理核心素養(yǎng)培育

張興龍 張羽燕 翟磊

摘? ?要

物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培育，需要重視和引導(dǎo)學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)探究，讓學(xué)生親身經(jīng)歷質(zhì)疑、猜想、驗(yàn)證、評(píng)估等全過(guò)程。同時(shí)，探究教學(xué)需要基于對(duì)學(xué)生證據(jù)意識(shí)的培養(yǎng)進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，引起學(xué)生對(duì)現(xiàn)象或數(shù)據(jù)等證據(jù)的關(guān)注。以焦耳定律一課為例，詳細(xì)闡釋如何在科學(xué)探究的整個(gè)環(huán)節(jié)中通過(guò)強(qiáng)化證據(jù)意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，讓學(xué)生體會(huì)到科學(xué)探究的樂(lè)趣，將物理核心素育培養(yǎng)落在實(shí)處。

關(guān)鍵詞

科學(xué)探究? 證據(jù)意識(shí)? 物理核心素養(yǎng)

要將物理核心素養(yǎng)培育落實(shí)在具體的教學(xué)行為中，就是要重視和引導(dǎo)學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)探究。學(xué)生在科學(xué)探究過(guò)程中，必須經(jīng)常面對(duì)質(zhì)疑、猜想、驗(yàn)證、評(píng)估等過(guò)程，無(wú)論是哪個(gè)環(huán)節(jié)都需要以證據(jù)為基礎(chǔ)。證據(jù)意識(shí)就是在探究活動(dòng)中尋求證據(jù)、分析證據(jù)、表達(dá)證據(jù)的一種科學(xué)理性能力。本文以“焦耳定律”一課[1]為例，從不同角度基于證據(jù)意識(shí)的培養(yǎng)，落實(shí)學(xué)生核心素養(yǎng)的培育。

一、以具體現(xiàn)象為證據(jù)，提出猜想與假設(shè)

焦耳定律的本質(zhì)是電流的熱效應(yīng)。雖然學(xué)生對(duì)于家庭電路中電飯煲、電吹風(fēng)機(jī)等家用電器的生活經(jīng)驗(yàn)比較純熟，但困難的地方在于讓學(xué)生在沒(méi)有任何提示的前提下猜想與假設(shè)，教師應(yīng)在適當(dāng)情景的啟發(fā)下引導(dǎo)學(xué)生提出猜想與假設(shè)。

1.生活經(jīng)驗(yàn)遷移，提出猜想

隨著天氣逐漸轉(zhuǎn)涼，部分學(xué)生已經(jīng)開始使用“暖手寶”，在物理課堂中使用暖手寶作為引課資源，結(jié)合前期所學(xué)能量轉(zhuǎn)化的知識(shí)，可以輕松得出：在暖手寶工作過(guò)程中，電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，產(chǎn)生熱量，手可以感受到暖手寶溫度的變化。學(xué)生以生活經(jīng)驗(yàn)和自身習(xí)得為證據(jù)，順理成章了解到電流熱效應(yīng)的本質(zhì)，進(jìn)而也就很容易猜想到下列兩個(gè)問(wèn)題：

（1）產(chǎn)生熱量越多，暖手寶的溫度變化越大。

（2）暖手寶在工作時(shí)，產(chǎn)生熱量的多少與通電的時(shí)間有關(guān)。

2.實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象對(duì)比，誘導(dǎo)假設(shè)

人本主義學(xué)習(xí)理論強(qiáng)調(diào)教師在教學(xué)過(guò)程中情境創(chuàng)設(shè)的重要性。基于該理論，教師給學(xué)生提供一個(gè)清晰明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)潛能，讓學(xué)生在對(duì)比實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的過(guò)程中，主動(dòng)收集證據(jù)信息，對(duì)比提出猜想與假設(shè)。

在“猜想電流通過(guò)導(dǎo)體產(chǎn)生熱量與哪些因素有關(guān)”的猜想環(huán)節(jié)中，實(shí)驗(yàn)中引導(dǎo)觀察電流通過(guò)不同導(dǎo)體（即導(dǎo)線和鉛筆芯）產(chǎn)生熱量的差異現(xiàn)象（如圖1），通過(guò)現(xiàn)象差異進(jìn)行對(duì)比分析、猜想除通電時(shí)間外，電流通過(guò)導(dǎo)體產(chǎn)生熱量多少的其他影響因素。

學(xué)生基于“6V和16V電壓下鉛筆芯變紅程度”及“6V或16V電壓下鉛筆芯和導(dǎo)線溫度的變化情況”兩種不同的現(xiàn)象證據(jù)，可以比較明確地猜想出：

（1）通過(guò)6V和16V下鉛筆芯情況對(duì)比，可以猜想到電流通過(guò)鉛筆芯產(chǎn)生熱量的多少與鉛筆芯兩端電壓、通過(guò)鉛筆芯的電流有關(guān)。

（2）通過(guò)6V或16V電壓下，鉛筆芯與導(dǎo)線情況的對(duì)比，可以猜想到電流通過(guò)導(dǎo)體產(chǎn)生熱量的多少與電阻有關(guān)。

顯然，學(xué)生以生活中獲得的經(jīng)驗(yàn)為證據(jù)入手，可以初步了解電流通過(guò)導(dǎo)體產(chǎn)生熱量的多少用溫度變化反映，且熱量的多少與通電時(shí)間有關(guān)。試想，如果讓學(xué)生脫離生活經(jīng)驗(yàn)去憑空猜想，又怎么能體現(xiàn)物理是自然學(xué)科的學(xué)科本質(zhì)？將暖手寶中發(fā)熱電阻遷移到鉛筆芯，引導(dǎo)學(xué)生以鉛筆芯和導(dǎo)線在不同電壓下的變化情況為現(xiàn)象證據(jù)，提出適當(dāng)猜想，符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，同時(shí)更體現(xiàn)“能運(yùn)用證據(jù)對(duì)研究的問(wèn)題進(jìn)行描述、解釋和預(yù)測(cè)”的物理學(xué)科核心素養(yǎng)中有關(guān)科學(xué)思維的培育。

二、以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為證據(jù)，建模得出結(jié)論

證據(jù)意識(shí)應(yīng)該是條主線，貫穿探究教學(xué)的每一環(huán)節(jié)。從入門學(xué)習(xí)就要樹立學(xué)生重證據(jù)的意識(shí)，這是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新、科學(xué)思維的基礎(chǔ)，也是現(xiàn)代社會(huì)要求公民具有的基本素質(zhì)[2]。

1.依據(jù)證據(jù)沖突，評(píng)估實(shí)驗(yàn)猜想

常規(guī)教學(xué)中，教師往往借助歐姆定律模糊處理電壓對(duì)電流通過(guò)導(dǎo)體產(chǎn)生熱量多少的影響。雖然以已有的物理規(guī)律為證據(jù)進(jìn)行推論，但這并不符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，探究“電流通過(guò)導(dǎo)體產(chǎn)生熱量的多少與電壓的關(guān)系”就顯得非常重要了。

既然純電阻電路不能解釋，我們可以利用非純電阻的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中將兩個(gè)完全相同的電動(dòng)機(jī)串聯(lián)在6V的穩(wěn)壓電源下，將溫度傳感器固定在電動(dòng)機(jī)上（如圖2）。通過(guò)觀察溫度傳感器示數(shù)變化反映電流通過(guò)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生熱量的多少。當(dāng)一個(gè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子不動(dòng)，讓另外一個(gè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電壓表的示數(shù)分別為5.5V和0.5V;歷時(shí)1分鐘，觀察并記錄兩個(gè)電動(dòng)機(jī)溫度變化情況（如表1）所示。依托實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，學(xué)生將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為得出結(jié)論的證據(jù)，自然可以得到：當(dāng)電動(dòng)機(jī)兩端電壓變化時(shí)，電流通過(guò)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生熱量的多少是不變的。即，產(chǎn)生熱量的多少與電動(dòng)機(jī)兩端電壓無(wú)關(guān)。在這個(gè)環(huán)節(jié)中依托事實(shí)證據(jù)的“物”，得到理性思維的“理”，在探究實(shí)驗(yàn)過(guò)程中基于證據(jù)意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。

2.依托實(shí)驗(yàn)證據(jù)，獲取定性結(jié)論

排除了電壓對(duì)電流通過(guò)導(dǎo)體產(chǎn)生熱量多少的影響后，學(xué)生就可以著手進(jìn)行歐姆定律實(shí)驗(yàn)，自我完成實(shí)驗(yàn)探究。在“探究電流通過(guò)導(dǎo)體產(chǎn)生熱量的多少與電阻大小的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生結(jié)合前面已學(xué)實(shí)驗(yàn)，選用裝有溫度傳感器的電阻（如圖3），設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)電路（如圖4）。通過(guò)學(xué)生小組實(shí)驗(yàn)操作，觀察并記錄相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（如表2所示）。鑒于獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，依托證據(jù)意識(shí)，對(duì)比分析當(dāng)電阻變化時(shí)，1分鐘內(nèi)溫度的變化情況，可以很容易得出：當(dāng)I、t相同時(shí)，R越大，Q越大。

在“探究電流通過(guò)導(dǎo)體產(chǎn)生熱量多少與電流的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生設(shè)計(jì)了電路圖（如圖5）。學(xué)生以前面實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)為證據(jù)基礎(chǔ)，可以初步認(rèn)識(shí)到：斷開開關(guān)后，由于定值電阻在實(shí)驗(yàn)后存在余溫，溫度傳感器示數(shù)會(huì)繼續(xù)上升。所以，為了更加便捷地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，應(yīng)更換阻值相同的電阻進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。通過(guò)學(xué)生小組實(shí)驗(yàn)操作，觀察并記錄相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（如表3）。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是學(xué)生經(jīng)歷探究實(shí)驗(yàn)過(guò)程后獲得的結(jié)論依據(jù)，是實(shí)驗(yàn)證據(jù)的一種體現(xiàn)形式。依托表3中的證據(jù)表征，可以很容易得出：當(dāng)R、t相同時(shí)，I越大，Q越大。

3.根據(jù)證據(jù)建模，培養(yǎng)數(shù)據(jù)分析能力

教師要有證據(jù)意識(shí)才能更好地培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)意識(shí)。在傳統(tǒng)教學(xué)中我們往往忽視了表2和表3數(shù)據(jù)的對(duì)比分析。不妨給學(xué)生創(chuàng)設(shè)一個(gè)這樣的情景，引導(dǎo)學(xué)生觀察、對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為證據(jù)，哪個(gè)因素對(duì)電流通過(guò)導(dǎo)體產(chǎn)生熱量的多少影響更加明顯？學(xué)生可以很清晰地觀察到：表2中數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)電阻從5Ω變?yōu)?0Ω時(shí)，溫度傳感器示數(shù)變化從2.2℃變?yōu)?.3℃;表3中數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)電流從0.12A變?yōu)?.22A時(shí)，溫度傳感器示數(shù)變化從2.3℃變?yōu)?.9℃。無(wú)論是電阻還是電流，近似都變化2倍，顯然電流對(duì)產(chǎn)生熱量的影響更加明顯;在學(xué)習(xí)焦耳定律時(shí)，學(xué)生已經(jīng)基本掌握了數(shù)學(xué)的函數(shù)關(guān)系，遷移數(shù)學(xué)的函數(shù)建模方法，完全可以引導(dǎo)學(xué)生深度挖掘?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)背后的規(guī)律，即電流通過(guò)導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量（也就是此時(shí)的溫度變化）與電流和電阻有什么樣的函數(shù)關(guān)系？當(dāng)然，這就需要學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行繼續(xù)完善。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4、表5所示。

物理概念和定律的形成往往借助于數(shù)學(xué)工具和數(shù)學(xué)方法，物理學(xué)中的原理和定律往往是從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中抽象概括出來(lái)的。通過(guò)對(duì)探究實(shí)驗(yàn)中獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，基于數(shù)學(xué)工具尋找、總結(jié)、建立物理量之間的關(guān)系。初中物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理相對(duì)比較簡(jiǎn)單和基礎(chǔ)，在教學(xué)過(guò)程中將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)合數(shù)學(xué)函數(shù)圖像分析，利用學(xué)生現(xiàn)有的數(shù)學(xué)水平和證據(jù)意識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生處理相關(guān)數(shù)據(jù)建立物理規(guī)律，既引導(dǎo)學(xué)生體驗(yàn)數(shù)學(xué)、物理學(xué)之間的相互聯(lián)系，更是在探究活動(dòng)中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)意識(shí)。結(jié)合表4和表5數(shù)據(jù)繪制圖像，如圖6和圖7所示。從1分鐘溫度變化與電阻關(guān)系的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖像可以看出，1分鐘溫度變化與電阻的關(guān)系類似于一次函數(shù)，也就是說(shuō)電流通過(guò)導(dǎo)體產(chǎn)生熱量的多少與電阻成正比。同樣，從1分鐘溫度變化與電流關(guān)系的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖像可以看出，1分鐘溫度變化與電流關(guān)系圖像擬合后為二次函數(shù)，即最終可以得到電流通過(guò)導(dǎo)體產(chǎn)生熱量的多少與電流的平方成正比。顯然，在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)，我們可以粗略地通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究的方式得到焦耳定律。

在物理學(xué)科核心素養(yǎng)的背景下，探究教學(xué)應(yīng)基于學(xué)生證據(jù)意識(shí)的培養(yǎng)設(shè)計(jì)教學(xué)，保證學(xué)生對(duì)現(xiàn)象或數(shù)據(jù)等證據(jù)的關(guān)注，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)挖掘的逐步深入，促進(jìn)學(xué)生證據(jù)意識(shí)的培養(yǎng)、發(fā)展和提升。因此，教師需要在學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)探究的全過(guò)程中考慮、設(shè)計(jì)、實(shí)施有利于發(fā)揮學(xué)生的證據(jù)意識(shí)的教學(xué)環(huán)節(jié)，著眼于對(duì)學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)。通過(guò)生活現(xiàn)象或物理情景引導(dǎo)學(xué)生對(duì)比、尋找現(xiàn)象間的聯(lián)系，提出有效的猜想;在實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程中，依托觀察到的現(xiàn)象和記錄到的數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)律的提煉甚至數(shù)學(xué)關(guān)系的建立。在科學(xué)探究的整個(gè)環(huán)節(jié)中培養(yǎng)、提升、發(fā)揮學(xué)生的證據(jù)意識(shí)。只有基于證據(jù)意識(shí)的探究教學(xué)，才是真正的探究，才能培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，才能讓學(xué)生體會(huì)到科學(xué)探究的樂(lè)趣，才能將物理核心素養(yǎng)培育落在實(shí)處。

參考文獻(xiàn)

[1] 彭前程主編.義務(wù)教育教科書物理九年級(jí)（全一冊(cè)）[M].北京：人民教育出版社，2013：100.

[2] 任世江.關(guān)于深化歷史課程改革的探討[J].歷史教學(xué)（中學(xué)版），2008（09）：9-14.【責(zé)任編輯? 孫曉雯】