高中物理實驗教學中科學思維能力的培養(yǎng)策略探究

【摘要】科學思維能力是物理核心素養(yǎng)的重要維度。實驗教學是物理教學的重要形式，是培養(yǎng)學生科學思維能力的支撐。在核心素養(yǎng)背景下，教師以實驗教學為抓手，應用多樣策略培養(yǎng)學生的科學思維能力。文章將聯系教師現有經驗，分析在高中物理實驗教學中培養(yǎng)學生科學思維能力的策略。

【關鍵詞】高中物理；實驗教學；科學思維能力；培養(yǎng)策略

作者簡介：謝書琴（1978—） ，女，江蘇省泰興市虹橋鎮(zhèn)第三高級中學虹橋校區(qū)。

《普通高中物理課程標準（2017年版）》（以下簡稱“新課標”）凝練了物理核心素養(yǎng)，指明了物理教學方向?？茖W思維是物理核心素養(yǎng)的四大維度之一。新課標指明了科學思維在物理實驗中的表現，如從眾多的科學現象和事實中，抽象出物理概念，善用邏輯推理和演繹推理設計物理實驗；在實驗操作過程中，應用解決科學問題的一般規(guī)律和方法步驟，解決實驗中的種種問題等［1］。由此可見，物理實驗是學生發(fā)展科學思維能力的支撐。在參與物理實驗的過程中，學生要有模型意識和能力；能進行科學推理，借助定量、定性分析，總結實驗規(guī)律；能利用事實證據進行科學探究，表述個性想法；能大膽創(chuàng)新，多角度地思考，提出問題，使用多樣方法解決問題，如此才能在建構物理認知、儲備實驗經驗的同時，順其自然地發(fā)展科學思維能力，提升物理學習效果。鑒于此，在實施高中物理教學時，教師要以實驗教學為抓手，以科學思維表現為入手點，應用多樣策略引導學生運用科學思維，潛移默化地發(fā)展學生的科學思維能力。

一、創(chuàng)設實驗情境，建構模型

建構模型是科學思維的具體表現，也是學生發(fā)展科學思維能力的依托［2］。新課標提倡教學情境化，要求教師在課堂上創(chuàng)設教學情境，使學生在情境中建構物理認知，發(fā)展核心素養(yǎng)。實驗情境是物理教學情境的重要構成，能夠為學生提供建構物理模型的空間，助推學生發(fā)展科學思維能力。對此，在實施物理實驗教學時，教師應創(chuàng)設實驗情境，培養(yǎng)學生的科學思維能力。

以“探究影響通電導線受力的因素”的教學為例，在學習該內容之前，學生已經知道了磁場的概念。鑒于此，在課堂上，教師利用電子白板展示磁鐵及其周圍的磁場的圖片。結合圖片內容，教師向學生提出問題：“磁鐵的周圍有磁場，那么，我們可以怎樣描述磁場的大小呢？”在問題的作用下，學生積極思考，遷移已有認知，提到“磁感線的疏密”?；诖?，教師繼續(xù)在電子白板上播放視頻，進行引導：“從視頻中可以看出，通電導線周圍存在磁場，能吸引回形針。磁場越強，吸引的回形針的數量越多。電流的磁效應使我們知道，電流的周圍存在磁場?！?/p>

教師為學生創(chuàng)設了情境，呈現了磁場的對象模型。在對象模型的作用下，學生發(fā)揮自主性，遷移已有認知，建構新的認知，深入探究新知。同時，學生在體驗情境的過程中，不斷地與磁場對象模型互動，這有利于學生形成模型建構意識，發(fā)展科學思維能力。

二、關注實驗設計，科學推理

在物理實驗教學中，完整的實驗設計是學生進行科學推理的依據。在實施高中物理實驗教學時，教師要關注實驗設計，以實驗目的、實驗原理、實驗方案為切入點，有策略地引導學生進行科學推理，發(fā)展其科學思維能力。

（一）明確實驗目的，確定科學推理前提

實驗目的是學生借助已有理論進行合理猜想和假設的基礎。明確實驗目的，可以使學生了解自變量和因變量，繼而猜測它們之間的關系，實現科學推理［3］。所以，在實施實驗教學時，教師可以以實驗目的為切入點，讓學生了解要做什么，繼而遷移已有理論，探究問題，積極探尋解決問題的方法，由此實現合理推理。

以“探究影響物體下落快慢的因素”的教學為例，在實施演示實驗時，教師開門見山地展示本次的實驗目的：“探究影響物體下落快慢的因素有哪些?！痹诹私鈱嶒災康暮?，學生開動腦筋，聯系已有認知，提出猜測，如“重的物體下落得快”。提出猜測后，學生產生了強烈的探究興趣。于是，教師把握時機，引導學生進行實驗。在實驗過程中，學生依據教師提出的要求，將一張白紙一分為二，將其中一半平鋪，另外一半團成球。然后，學生從同一高度，將其同時拋下。在這一過程中，學生認真觀察實驗現象，以驗證猜想。之后，教師利用電子白板演示牛頓管實驗，繼續(xù)引導學生進行猜想、觀察和總結，由此實現科學推理。

實踐證明，學生在明確的實驗目的的作用下，可以有針對性地提出猜測，進行實驗，觀察實驗現象，得出實驗結論，建構良好認知。同時，學生也在這一過程中經歷了科學推理過程，發(fā)展了科學思維能力。

（二）選擇實驗原理，確定科學推理策略

實驗原理是實驗目的與實驗方案之間的橋梁，是確定科學推理策略的基礎。對此，在實施實驗教學時，教師要引導學生探究實驗變量，通過改變實驗條件與變量來選擇實驗原理，為確定科學推理策略奠定基礎。

仍以“探究影響物體下落快慢的因素”為例，在實施教學之前，教師聯系生活，將生活中各種常見的物品作為實驗對象。在演示牛頓管實驗時，教師將羽毛和鐵片作為實驗對象。在實驗過程中，為了確保羽毛和鐵片能同時下落，教師將一個磁鐵放在牛頓管上，并保證其他實驗條件不變。學生認真觀看實驗，觀察實驗現象，由此建構認知，同時確定了實驗的變量，了解了控制變量法。最后，教師重點引導學生思考如何優(yōu)化實驗方法。又如，鋼球運動軌跡這一實驗的目的是讓學生直觀地觀察曲線運動的速度方向。教師將沾有紅色印泥的鋼球作為實驗對象，鋼球在白紙上運動時，會留下印記，此印記正是鋼球離開軌道時的速度方向。但是，在實際實驗操作過程中，受到多種因素的影響，鋼球在白紙上留下的印記不明顯。對此，學生發(fā)揮自主性，觀察、分析教師呈現的生活物品，從中做出選擇，將軟尺作為研究對象。

在實驗過程中，學生以實驗目的為指引，一步步地探尋解決問題的方法，找出了實驗原理，確定了實驗方法。這有利于學生設計科學推理策略，推動實驗活動的順利進行，同時有利于學生循序漸進地進行科學推理，發(fā)展科學思維能力。

（三）設計實驗方案，實施科學推理過程

實驗方案是學生進行科學推理的依據［4］。科學推理的過程正是學生發(fā)展科學推理能力的過程。在課堂上，教師要了解學生的學情，確定實驗重難點，引導學生自主設計實驗方案。在設計實驗方案后，教師則要依據科學推理步驟（選擇器材并安裝、實驗操作、得到數據、改變自變量、整理計算數據、得出結論、計算分析實驗誤差），讓學生經歷科學推理過程。

以“驗證動量守恒定律”的教學為例，學生先后了解了加速度、基本的動力學知識，但對運動中的碰撞定量不夠了解。本節(jié)課的教學重難點是理解動量守恒定律，而學生對動量守恒定律的理解停留在理論層面?；诖耍處熞龑W生設計驗證動量守恒定律的實驗。教師先利用蹺蹺板創(chuàng)設生活情境，引出動量守恒定律。接著，教師為學生提供實驗器材，如磨砂紙、彈簧、指示燈等，并提出實驗要求：“選取合適的實驗器材，設計三種驗證動量守恒定律的實驗方案?！痹谔岢鲆蠛?，教師鼓勵學生與小組成員交流。在交流的過程中，學生提出自己的看法，與小組成員進行思維碰撞，逐步達成統(tǒng)一認知，如“本次實驗要測量的物理量是質量和速度，測量速度是實驗的關鍵所在”。接著，學生設計實驗方案，如用計算機系統(tǒng)中的Tracker軟件，選擇蹺蹺板上的兩個小車上的任意一點作為坐標原點，分別對其運動過程中的速度進行追蹤和測量。設計完實驗方案后，學生開始進行實驗，獲取實驗數據，并與小組成員合作，分析、處理數據。在此過程中，不少小組使用天平測量物體質量，發(fā)現實驗誤差在允許的范圍內，由此確定整個系統(tǒng)的動量為零。最后，教師立足學生的實驗情況，引導學生進行總結。

這樣切實地讓學生經歷了科學推理過程。在此過程中，學生不僅設計了實驗方案，進行了實驗操作，分析了實驗數據，總結了實驗，建構了良好的物理認知，還切實地進行了科學論證、質疑與創(chuàng)新及科學推理，這有利于提高學生的科學思維能力。

三、關注實驗方法，科學論證

科學論證是學生發(fā)展科學思維能力的途徑之一?？茖W論證的過程是學生應用科學的方法解決問題的過程，實驗方法正是學生解決問題的方法。因此，在實施高中物理實驗教學時，教師要關注實驗方法，引導學生有方法地操作實驗，使其在完成實驗任務的同時，掌握實驗方法，學會科學論證，發(fā)展科學論證能力，提高科學思維能力。

以“探究加速度與力、質量的關系”的教學為例，分析數據是實驗的重頭戲。為使學生提升實驗數據分析效果，教師引導他們使用傳感器測量加速度和力。在現代信息技術的輔助下，學生輕松地獲取了數據，并利用Excel表格輸入公式，繪制了函數圖像。接著，學生遷移數學經驗，在控制變量的情況下，運用數形結合思想分析函數圖像，確定加速度與其余兩個變量之間存在函數關系。立足學生的分析情況，教師繼續(xù)鼓勵學生與小組成員合作，分析、處理實驗數據。在此次合作的過程中，大部分小組自覺地使用現代信息技術，在計算機上繪制加速度a與質量m的函數圖像，并將其轉化為a與F的函數圖像，由此得出結論：在質量保持不變的情況下，a∝F，以及在物體所受合力一定時，a∝m-1。

由此可見，學生經歷驗證性實驗的探究過程，不僅可以掌握驗證性實驗探究的學習方法，還可以獲取其他實驗方法，如用信息技術分析數據、用數學知識解決物理問題等，由此豐富實驗方法儲備，提高物理實驗水平，從而發(fā)展科學論證能力，提高科學思維能力。

四、進行實驗創(chuàng)新，創(chuàng)新思維

創(chuàng)新是學生發(fā)展科學思維能力的途徑。實驗創(chuàng)新，不但是增強實驗教學效果的方式，還是發(fā)展學生創(chuàng)新思維能力、提高學生科學思維能力的方式［5］。在高中物理實驗教學中，實驗器材、實驗測量方法都是創(chuàng)新切入點。因此，在實施教學時，教師要依據教學需要，立足不同的切入點，有針對性地進行實驗創(chuàng)新，以豐富學生的實驗經驗，發(fā)展學生的科學思維能力。

以“探究兩個互成角度的力的合成規(guī)律”的教學為例，在傳統(tǒng)的實驗教學中，教師一般利用圖1的實驗裝置引導學生動手操作。

這樣的實驗裝置雖然簡單，但操作和畫圖過程都較為復雜。針對此情況，教師創(chuàng)新實驗裝置，如圖2。

在實驗過程中，教師在黑板上固定帶有彈簧的吸盤，同時用吸盤將木質板固定在黑板上。之后，教師找到力臂的合適位置，將彈簧上的兩根細繩跨過兩個滑輪，并在細線下方懸掛鉤碼。在拿掉鉤碼后，用彈簧測力計將一根細繩拉到與另外一根細繩相同的位置，利用平行四邊形定則作圖，如此反復進行測量。這樣的實驗裝置比較簡單，且可輕松、直觀地展現實驗現象。

在創(chuàng)新性的實驗器材的作用下，學生會受到無形的熏陶，增強創(chuàng)新欲望，積極創(chuàng)新，發(fā)展科學思維能力。

總之，在實施高中物理實驗教學時，教師可以以科學思維的具體表現為入手點，聯系教學需要，應用多樣策略實施實驗教學，如創(chuàng)設實驗情境、關注實驗設計、關注實驗方法、進行實驗創(chuàng)新，讓學生建構模型，科學推理，科學論證，創(chuàng)新思維，由此發(fā)展學生的科學思維能力，提升實驗教學效果。

【參考文獻】

［1］孫啟奎.基于核心素養(yǎng)的高中物理教學策略探析［J］.文理導航（中旬），2021（10）：42-43.

［2］何敏.核心素養(yǎng)視角下高中物理實驗教學中科學思維培養(yǎng)的研究［D］.大連：遼寧師范大學，2021.

［3］徐學.高中物理生態(tài)課堂理念下培養(yǎng)科學思維能力的探索：以彈簧連接體仿真實驗培養(yǎng)為例［J］.物理教師，2020，41（06）：20-23，28.

［4］吳翠玲.培養(yǎng)推理能力 發(fā)展科學思維［J］.中學物理教學參考，2020，49（06）：66-67.

［5］劉存賢.高中物理實驗教學中學生科學思維能力的培養(yǎng)初探［J］.新課程（下），2019（10）：203.