基于科學(xué)思維發(fā)展的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計①
——以“自由落體運(yùn)動”教學(xué)為例

(福建省廈門第六中學(xué)，福建 廈門 361000)

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》中提出：高中物理課程注重體現(xiàn)物理學(xué)科的本質(zhì),培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)。科學(xué)思維是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要方面,是物理學(xué)的靈魂,主要包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素,發(fā)展科學(xué)思維能力是物理教學(xué)的核心功能。物理實(shí)驗(yàn)是發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維能力的重要載體,既是創(chuàng)設(shè)物理情境的重要手段,更是科學(xué)探究的重要內(nèi)容。在物理教學(xué)中,設(shè)計有利于激活學(xué)生思維的物理實(shí)驗(yàn),引導(dǎo)學(xué)生提出問題和合理猜想、建立模型和設(shè)計方案、推理論證和歸納總結(jié),在真實(shí)問題探究中發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維。因此,在物理教學(xué)中優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計,有利于學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中養(yǎng)成良好的思維習(xí)慣,提高科學(xué)思維能力,充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)的教育功能。本文以“自由落體運(yùn)動”的教學(xué)為例，展示實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計。

1 課標(biāo)要求分析

“自由落體運(yùn)動”是必修1模塊中“機(jī)械運(yùn)動與物理模型”主題下的內(nèi)容，課標(biāo)的內(nèi)容要求為：“通過實(shí)驗(yàn),認(rèn)識自由落體運(yùn)動的規(guī)律。結(jié)合物理學(xué)史的相關(guān)內(nèi)容,認(rèn)識物理實(shí)驗(yàn)與科學(xué)推理在物理研究中的作用?！盵1]通過實(shí)驗(yàn),即要學(xué)生體驗(yàn)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)過程；認(rèn)識規(guī)律,即要學(xué)生開展與自由落體運(yùn)動聯(lián)系的思維活動,完成模型建構(gòu)、探究物理規(guī)律、實(shí)現(xiàn)遷移應(yīng)用。結(jié)合物理學(xué)史認(rèn)識物理實(shí)驗(yàn)與科學(xué)推理在物理研究中的作用,即要結(jié)合物理學(xué)發(fā)展過程中的關(guān)鍵事件,充分理解實(shí)驗(yàn)探究和科學(xué)思維在物理學(xué)發(fā)展和社會進(jìn)步過程中的巨大作用,在充分體驗(yàn)和感悟中提高學(xué)生的科學(xué)思維能力。[2][3]

2 教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計

2.1 豐富演示實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,增強(qiáng)學(xué)生模型建構(gòu)的體驗(yàn)

在教學(xué)中通過豐富演示實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,以實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境,增強(qiáng)學(xué)生切身體驗(yàn),引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷提出問題、合理猜想、收集證據(jù)、科學(xué)推理與論證,進(jìn)而完成模型建構(gòu)。在學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)及原有的知識體系中,他們對落體運(yùn)動已經(jīng)有了一定認(rèn)知,雖然能意識到導(dǎo)致物體下落快慢不同的原因是阻力,但這種前概念與自由落體運(yùn)動模型還存在一定的認(rèn)知差距。通過創(chuàng)設(shè)以落體運(yùn)動事實(shí)為基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)情境,對影響物體下落快慢因素進(jìn)行探究,符合學(xué)生的認(rèn)知邏輯,激發(fā)了他們的學(xué)習(xí)興趣,增強(qiáng)了他們的切身體驗(yàn),在體驗(yàn)質(zhì)疑、反思領(lǐng)悟中完成自由落體運(yùn)動模型的自主建構(gòu)。這樣的演示實(shí)驗(yàn)設(shè)計拓展了學(xué)生的思考空間,推進(jìn)了思維進(jìn)階(表1)。

表1

2.2 簡化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析,提升學(xué)生的科學(xué)論證與表達(dá)能力

課程標(biāo)準(zhǔn)的要求為：通過實(shí)驗(yàn),認(rèn)識自由落體運(yùn)動的規(guī)律。教材在關(guān)于自由落體運(yùn)動規(guī)律的探究中寫道：“我們依然可用打點(diǎn)計時器或頻閃照相進(jìn)行探究”，顯然定量探究自由落體運(yùn)動規(guī)律是重點(diǎn)。在課堂教學(xué)中利用紙帶和打點(diǎn)計時器，對重錘自由下落的運(yùn)動進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究,數(shù)據(jù)處理過程較為對復(fù)雜、耗時較多。利用Excel軟件的自動計算和作圖功能,在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和處理中,引導(dǎo)學(xué)生利用勻變速直線運(yùn)動規(guī)律,分析數(shù)據(jù),剔除其中誤差較大的數(shù)據(jù)，運(yùn)用圖像來探究自由落體運(yùn)動的規(guī)律,深化他們對物理圖像的理解和應(yīng)用,提升他們運(yùn)用圖像表達(dá)物理規(guī)律的能力和科學(xué)論證能力，具體探究實(shí)驗(yàn)設(shè)計如表2所示。

2.3 對實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行反思,養(yǎng)成質(zhì)疑創(chuàng)新之習(xí)慣

物理教學(xué)中的實(shí)驗(yàn)探究絕不僅僅是為了得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果,總結(jié)物理規(guī)律，實(shí)驗(yàn)探究更重要的功能應(yīng)該通過實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維能力。引導(dǎo)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)過程、實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行必要的反思,在反思中發(fā)現(xiàn)問題、提出問題,進(jìn)而思考解決問題的方法,養(yǎng)成學(xué)生敢質(zhì)疑、善質(zhì)疑、能質(zhì)疑的思維習(xí)慣,在不斷的反思和質(zhì)疑中培養(yǎng)他們的創(chuàng)新思維能力，設(shè)計的實(shí)驗(yàn)反思方案如表3所示。

2.4 重演史上經(jīng)典實(shí)驗(yàn),感悟思想方法之精妙

伽利略對自由落體運(yùn)動的研究思路可以概括為：發(fā)現(xiàn)問題→提出猜想→數(shù)學(xué)推理→實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證→合理外推→得出結(jié)論,創(chuàng)立了把科學(xué)受控實(shí)驗(yàn)與數(shù)學(xué)、邏輯推理結(jié)合起來的科學(xué)研究方法，愛因斯坦對此作了高度評價：“伽利略的發(fā)現(xiàn)以及他所應(yīng)用的科學(xué)的推理方法是人類思想史上最偉大的成就之一，而且標(biāo)志著物理學(xué)的真正開端?！苯滩闹袑ⅰ白杂陕潴w運(yùn)動規(guī)律探索回眸”安排在自由落體運(yùn)動規(guī)律的學(xué)習(xí)之后,這樣的回溯有何意義？很顯然,教材這樣設(shè)計的目的不再是對運(yùn)動規(guī)律的探索,而是要讓學(xué)生置身于伽利略所處的歷史年代,通過重演和經(jīng)歷研究過程中的關(guān)鍵實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生深刻思考并感悟其中科學(xué)思想方法的精妙之處,反思科學(xué)研究方法的價值和意義,學(xué)習(xí)科學(xué)家的求知和探索精神，[2]對自由落體研究歷史回眸的教學(xué)設(shè)計如表4所示。

表3

表4

3 結(jié)語

高中物理實(shí)驗(yàn)不僅僅只是操作或者得到實(shí)驗(yàn)結(jié)論,應(yīng)更多關(guān)注實(shí)驗(yàn)過程中的問題的處理和實(shí)驗(yàn)的設(shè)計、改進(jìn)、分析。在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中也不應(yīng)該片面追求運(yùn)用技術(shù)手段提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性,更重要的是在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)揮科學(xué)思維的力量,感悟科學(xué)思維方法的精妙。通過優(yōu)化物理課堂教學(xué)中的實(shí)驗(yàn)設(shè)計,引領(lǐng)學(xué)生感悟?qū)嶒?yàn)、體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)、反思實(shí)驗(yàn)、評價實(shí)驗(yàn),領(lǐng)會實(shí)驗(yàn)設(shè)計的內(nèi)在意義,感悟?qū)嶒?yàn)探究的思想和方法,讓課堂物理實(shí)驗(yàn)成為物理問題和物理思維的載體,發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維能力,提升學(xué)生的核心素養(yǎng)。[4]