培養(yǎng)高中生科學(xué)探究素養(yǎng)的物理教學(xué)設(shè)計

【摘要】本文以人教版物理必修第一冊“實驗：探究小車速度隨時間變化的規(guī)律”教學(xué)設(shè)計為例，探討在課堂教學(xué)中通過利用教學(xué)素材、問題及學(xué)生活動培養(yǎng)高中生科學(xué)探究核心素養(yǎng)的途徑，以期為新課改背景下高中教師進行教學(xué)設(shè)計提供有效的參考。

【關(guān)鍵詞】高中物理 科學(xué)探究 核心素養(yǎng) 教學(xué)設(shè)計

【中圖分類號】G63 【文獻標(biāo)識碼】A

【文章編號】0450-9889（2023）17-0075-04

目前廣西已進行高中新課程改革，教師越來越重視學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，但如何在物理課堂教學(xué)中有效落實物理學(xué)科核心素養(yǎng)仍是一線教師面臨的難題。《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》明確了物理學(xué)科四個方面的核心素養(yǎng)，即物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。其中，科學(xué)探究是指基于觀察和實驗提出物理問題、形成猜想和假設(shè)、設(shè)計實驗與制訂方案、獲取和處理信息、基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋，以及對科學(xué)探究過程和結(jié)果進行交流、評估、反思的能力，主要包括問題、證據(jù)、解釋、交流等要素。本文以人教版物理必修第一冊運動學(xué)的初始課教學(xué)設(shè)計為例，探討如何在高中物理課堂教學(xué)中利用教學(xué)素材、問題及學(xué)生活動培養(yǎng)科學(xué)探究素養(yǎng)。

一、教學(xué)分析

（一）教學(xué)內(nèi)容分析

本章的教學(xué)內(nèi)容是讓學(xué)生以生活實例為背景，站在運動學(xué)的角度探尋勻變速直線運動的規(guī)律，并能解決一些實際問題。本節(jié)課是全章的首節(jié)，勻變速直線運動的速度與時間的關(guān)系是勻變速直線運動重要規(guī)律之一。本節(jié)課以實驗探究的形式充分發(fā)揮學(xué)生主體作用，通過實驗解釋運動特點及規(guī)律，進一步熟練運用第一章學(xué)習(xí)的打點計時器以及通過紙帶求解速度的方法，即在數(shù)學(xué)的極限條件下物體運動的平均速度近似等于瞬時速度。教材沒有在本章開始就直接定義勻變速直線運動，而是設(shè)置了本探究實驗，其目的是讓學(xué)生開展實驗探究，從引導(dǎo)學(xué)生提出研究變速運動物體的速度隨時間變化的規(guī)律這一問題入手，基于觀察和思考明確實驗所需測量的物理量——小車的瞬時速度，利用提供的實驗器材設(shè)計和改進實驗探究方案，完成實驗探究，如實記錄和正確處理實驗數(shù)據(jù)，根據(jù)描點作圖繪制出物體運動的速度—時間圖像，交流、討論得到小車速度隨時間的變化規(guī)律，讓學(xué)生體驗完整的實驗探究過程，體會實驗探究在物理學(xué)科中的作用和魅力，以此培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究素養(yǎng)。

（二）學(xué)情分析

從學(xué)生的前概念來看，學(xué)生在前一階段已經(jīng)學(xué)習(xí)了位移、速度、平均速度、瞬時速度、加速度等描述物體運動狀態(tài)的物理量，也學(xué)習(xí)了打點計時器的使用，具備了開展實驗探究的基礎(chǔ)；從科學(xué)探究素養(yǎng)上看，學(xué)生已接觸過實驗探究，初步熟悉科學(xué)探究的要素，已具備一定的實驗探究基礎(chǔ)；從認(rèn)知發(fā)展水平上看，高一學(xué)生的認(rèn)知正處于由直觀認(rèn)知向邏輯推理過渡的階段，他們已經(jīng)初步具備了分析、歸納的能力。

（三）重點難點分析

本節(jié)的重點是提出探究勻變速直線運動規(guī)律這一問題、設(shè)計探究實驗方案、記錄和處理數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)描點作圖、分析歸納得到小車速度隨時間變化的規(guī)律。在實驗探究中掌握物理實驗基本技能，會使用打點計時器，能與他人合作進行探究實驗；在實驗中經(jīng)歷設(shè)計實驗、處理實驗數(shù)據(jù)及總結(jié)歸納實驗規(guī)律等探究過程，初步掌握開展科學(xué)探究的基本方法，發(fā)展質(zhì)疑精神和創(chuàng)新精神。本節(jié)的難點是通過探究實驗獲取和處理數(shù)據(jù)，分析總結(jié)得出小車速度隨時間變化的定量關(guān)系，提高分析數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)的能力與解決實際問題的能力。

二、教學(xué)設(shè)計思路

由于學(xué)生對通過探究實驗定量研究某種運動規(guī)律還很陌生，因此，教師首先通過創(chuàng)設(shè)情境啟發(fā)學(xué)生提煉探究問題，如利用生活中不同的變速運動創(chuàng)設(shè)情境，使學(xué)生置身于分析處理實際問題的背景之中，通過觀察和分析這類有規(guī)律的變速運動，提出將變速運動物體速度隨時間變化的規(guī)律以及測量物體的瞬時速度作為本課探究的問題；引導(dǎo)學(xué)生通過分析和思考探究問題，結(jié)合前面所學(xué)的打點計時器知識，設(shè)計和改進實驗探究方案；利用打點計時器打出的紙帶進行數(shù)據(jù)處理，求出小車運動的瞬時速度并填入表格。教師可以在學(xué)生無法僅從分析表格數(shù)據(jù)得出結(jié)論的情況下，引導(dǎo)學(xué)生考慮用速度—時間圖像展開研究，并引導(dǎo)學(xué)生思考怎樣做能夠使得到的曲線更符合規(guī)律。接著，教師指導(dǎo)學(xué)生根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪出速度—時間圖像，并進行誤差分析，總結(jié)得出小車速度隨時間的變化規(guī)律。最后，教師通過教材中的“做一做”和“想一想”兩個環(huán)節(jié)，針對實驗探究過程及實驗結(jié)果，引導(dǎo)學(xué)生用不同方式和從不同角度思考物體速度—時間圖像問題，提升學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

三、實施課堂教學(xué)

（一）利用教學(xué)素材進行復(fù)習(xí)引入

教師活動：教師展示實驗器材（如圖1所示）以及瞬時速度公式v_n=x_n+x_n+1／2T。

問題：你能否根據(jù)圖1與公式聯(lián)想起前一章做過的實驗？還記得如何進行數(shù)據(jù)處理嗎？

學(xué)生活動：學(xué)生在問題的引導(dǎo)下聯(lián)想在前一章的學(xué)習(xí)中使用過的實驗器材和物體運動規(guī)律公式，為下一步開展探究實驗做準(zhǔn)備。

【設(shè)計意圖】學(xué)生已基本掌握了前一章學(xué)過的用打點計時器測瞬時速度的方法，也基本掌握了用描點作圖的方法描繪物體速度—時間圖像的方法，但并不熟悉通過探究實驗對某種運動規(guī)律進行定量研究的過程。教師展示實驗儀器以及物理公式，其目的是引導(dǎo)學(xué)生回顧前一章學(xué)習(xí)過的打點計時器的使用、測瞬時速度的方法，為下一步開展探究實驗做準(zhǔn)備。

（二）通過問題和活動設(shè)計引導(dǎo)學(xué)生分析和思考

教師活動：教師展示教學(xué)素材（如圖2所示）。

問題1：圖2中物體的運動是否是勻速直線運動？物體的速度如何變化？

學(xué)生活動1：學(xué)生運用所學(xué)知識分析生活中物體的運動情況。

問題2：生活中大部分物體的運動都是變速運動，但各自運動的加速情況不盡相同。結(jié)合前一章做過的實驗，思考如何研究變速運動的特點。

學(xué)生活動2：分析生活中的現(xiàn)象，引發(fā)思考的同時進一步明確實驗探究的目的。

【設(shè)計意圖】學(xué)生在日常生活中和初中階段的學(xué)習(xí)中對勻速直線運動已有初步的認(rèn)識，但是生活中物體的運動基本都是變速運動，學(xué)生對此缺乏理性認(rèn)知。教師利用生活中不同的變速運動創(chuàng)設(shè)情境使學(xué)生置身于分析處理實際問題的背景之中，通過觀察和分析這類有規(guī)律的變速運動，啟發(fā)學(xué)生提出實驗探究的問題——變速運動物體速度隨時間變化的規(guī)律以及如何測量物體的瞬時速度，培養(yǎng)學(xué)生的建模能力、能基于觀察和實驗提出物理問題的科學(xué)探究能力。

（三）通過問題和學(xué)生活動引導(dǎo)學(xué)生探究

1.設(shè)計實驗方案

教師活動：教師展示實驗器材（如圖3所示）。

問題1：若要研究小車在重物牽引下速度隨時間變化的規(guī)律，你覺得可以怎樣設(shè)計實驗？需要測量什么物理量？可以選用什么實驗器材？

學(xué)生活動1：學(xué)生觀察、思考并結(jié)合所學(xué)知識提煉出實驗探究的目的，與同學(xué)交流、探討，設(shè)計實驗方案。

問題2：大家設(shè)計的方案是否合理？實驗中還應(yīng)注意哪些問題？實驗還有哪些方面需要改進？如何根據(jù)實驗方案設(shè)計記錄實驗數(shù)據(jù)的表格？

學(xué)生活動2：學(xué)生就實驗方案展開討論，以各物理量的測量為導(dǎo)向進行論證。論證過程中，學(xué)生展示并描述實驗方案，其他學(xué)生質(zhì)疑論證。

教師活動：問題1主要讓學(xué)生明確實驗的目的是研究速度隨時間變化的規(guī)律，教師需引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合物體瞬時速度的測量和加速度的定義，合理選擇實驗器材并制訂探究實驗的方案，尤其關(guān)注選用的器材與需要測量的物理量的對應(yīng)關(guān)系；問題2是引導(dǎo)學(xué)生對比和討論實驗方案，使學(xué)生在論證和評價中完善實驗方案，教師需在其中穿插講解實驗儀器的使用要點，如打點計時器紙帶的放置、紙帶穿過限位孔后應(yīng)該展平、關(guān)注小車的起始位置等，使學(xué)生養(yǎng)成正確使用實驗器材的習(xí)慣。

【設(shè)計意圖】學(xué)生根據(jù)實驗?zāi)康暮蛯嶒炂鞑挠^察、思考、交流，同時對比其他小組設(shè)計的方案，分析和思考需要探究的問題，結(jié)合前面所學(xué)的打點計時器知識，設(shè)計和改進實驗探究方案，提升科學(xué)探究素養(yǎng)。

2.開展實驗并記錄數(shù)據(jù)

問題1：如何正確選擇三次實驗中打出的紙帶？紙帶上所有的點是否都能夠進行數(shù)據(jù)處理？如何選擇紙帶上的計數(shù)點？

問題2：對紙帶進行數(shù)據(jù)處理后如何在實驗數(shù)據(jù)表格中記錄瞬時速度？如何確定在數(shù)據(jù)處理過程中紙帶上計數(shù)點的選擇與表格中的時間間隔是否一致？

學(xué)生活動：學(xué)生思考教師提出的問題，掌握處理打點計時器紙帶的數(shù)據(jù)的方法，并能確保處理的數(shù)據(jù)與實驗記錄表格中的時間間隔一致，進而正確記錄數(shù)據(jù)。

教師活動：教師限定學(xué)生進行實驗探究的時間，并在教室中進行巡視。注意不應(yīng)過多干預(yù)學(xué)生的探究實驗，只對主動提出問題或是需要幫助的學(xué)生進行指導(dǎo)，同時記下學(xué)生實驗過程中做得好的方面以及存在的典型問題。

【設(shè)計意圖】問題1主要是引發(fā)學(xué)生思考在對打點計時器紙帶進行數(shù)據(jù)處理時容易出現(xiàn)的典型問題，進而掌握正確處理紙帶數(shù)據(jù)的方法，也為學(xué)生正確解答實驗試題中打點計時器的紙帶問題打牢基礎(chǔ)。問題2是讓學(xué)生明確處理數(shù)據(jù)與實驗記錄的對應(yīng)關(guān)系，提高學(xué)生獲取和處理信息等科學(xué)探究能力。本環(huán)節(jié)引導(dǎo)學(xué)生正確選擇紙帶、計時起點，正確計算各計數(shù)點的瞬時速度，培養(yǎng)學(xué)生實事求是地記錄實驗數(shù)據(jù)的態(tài)度，同時培養(yǎng)學(xué)生在科學(xué)探究中獲取和處理信息的能力。

3.嘗試處理實驗數(shù)據(jù)，重溫描點作圖

教師活動：教師展示上一環(huán)節(jié)得出的實驗數(shù)據(jù)（如表1所示）。

問題1：大家能夠根據(jù)表格中的數(shù)據(jù)，直接得到小車速度隨時間變化的規(guī)律嗎？兩者之間是否存在定量關(guān)系？

學(xué)生活動1：學(xué)生通過觀察表格中的數(shù)據(jù)無法直接得出速度隨時間變化的定量關(guān)系，意識到需要尋找其他方法進行研究。

問題2：你是否還記得初中學(xué)過的函數(shù)圖象？能否從中獲得研究速度隨時間變化規(guī)律的啟發(fā)？描點作圖時如果出現(xiàn)偏離較大的點是否合理？該怎么處理？

教師活動：教師引導(dǎo)學(xué)生回顧前一章學(xué)過的知識和方法，讓學(xué)生掌握正確的描點作圖方法。若表格中的數(shù)據(jù)并不是落在一條直線上，教師可以指導(dǎo)學(xué)生讓盡可能多的點落在直線上，或是讓不在直線上的點均勻地分布在直線的兩側(cè)；如果個別數(shù)據(jù)離直線太遠(yuǎn)，可以考慮實驗測量的誤差并將此點舍去。

學(xué)生活動2：學(xué)生描點作圖，觀察思考。

【設(shè)計意圖】學(xué)生在問題的引導(dǎo)下，結(jié)合前一章所學(xué)的知識，嘗試將實驗數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為物體運動的速度—時間圖像，在探究中掌握重要的數(shù)學(xué)方法——利用函數(shù)圖象來分析物理問題，從而提高科學(xué)探究能力。

4.思考剪貼紙帶法的合理性

問題1：大家是否考慮過借助計算機軟件，作出小車運動的速度—時間圖像？

教師活動：教師通過錄屏的方式向?qū)W生展示運用Excel軟件繪制圖像的方法。

學(xué)生活動1：學(xué)生觀察教師利用軟件將實驗記錄表中的數(shù)據(jù)迅速、準(zhǔn)確地繪制出速度—時間圖像的全過程。

問題2：大家參考課后的探究任務(wù)“想一想”，將實驗得到的紙帶每隔0.10 s剪斷得到短紙條，再把這些短紙條下端對齊，并排貼在一張紙上。以紙條寬度方向為時間坐標(biāo)軸（橫軸）、紙帶長度方向為速度坐標(biāo)軸（縱軸），最后將紙條上端的中心點連起來，得到小車運動的速度—時間圖像，大家覺得這種做法有道理嗎？

教師活動：教師引導(dǎo)學(xué)生分析每段紙帶長度與相等時間間隔內(nèi)的位移是一一對應(yīng)關(guān)系，紙條的長度與這段位移的平均速度成正比。

學(xué)生活動2：學(xué)生運用“剪貼紙帶法”，從不同角度思考速度—時間圖像問題。

【設(shè)計意圖】問題1是利用教材中的“做一做”，讓學(xué)生知道利用計算機軟件進行科學(xué)研究是非常方便和實用的。教師指導(dǎo)學(xué)生根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪出速度—時間圖像，找出運動規(guī)律，并進行誤差分析，還可以進一步論證線性規(guī)律的合理性，如在尋找趨勢線規(guī)律時，把趨勢線選項設(shè)置成二次函數(shù)或其他非線性函數(shù)，根據(jù)圖像判斷出不合理性，從而培養(yǎng)學(xué)生運用信息技術(shù)進行實驗探究的能力。問題2是教材“練習(xí)與應(yīng)用”中的習(xí)題，體現(xiàn)了物理中等效的重要思想，這是對本節(jié)課知識理解更高層次的要求，培養(yǎng)學(xué)生從不同角度思考問題和解決問題的能力。本教學(xué)環(huán)節(jié)在科學(xué)探究中培養(yǎng)學(xué)生交流、評價、反思的能力。

（四）通過探究得出結(jié)論

通過實驗探究活動，學(xué)生分析歸納得出實驗結(jié)論：表格中的數(shù)據(jù)基本分布在一條直線上；通過觀察和思考擬合而成的圖像，得出小車速度與時間的變化規(guī)律，即小車的速度隨時間均勻變化，也就是加速度保持不變。

四、反思與總結(jié)

物理實驗是學(xué)生理解和掌握物理知識的重要手段。本課以學(xué)生實驗探究為主線，在選擇實驗器材、設(shè)計實驗方案、開展課題實驗以及記錄和處理數(shù)據(jù)等教學(xué)環(huán)節(jié)中，通過精心挑選素材、精心設(shè)計問題與學(xué)生活動，一方面提升了學(xué)生實驗設(shè)計、處理信息、做出解釋等科學(xué)探究能力，另一方面讓學(xué)生在探究過程中發(fā)現(xiàn)實驗規(guī)律、自主總結(jié)科學(xué)規(guī)律，發(fā)展了科學(xué)探究核心素養(yǎng)。本課的教學(xué)設(shè)計，有別于以往的“講實驗”代替“做實驗”“教師演示、學(xué)生觀摩”的教學(xué)方式，而是立足于學(xué)生的發(fā)展，讓學(xué)生親歷科學(xué)探究過程，學(xué)會從物理學(xué)科的視角認(rèn)識物理規(guī)律，形成物理觀念，激發(fā)科學(xué)思維，培養(yǎng)科學(xué)探究精神；此外，學(xué)生還在這一過程中相互學(xué)習(xí)，取長補短，提升個人綜合素養(yǎng)。值得注意的是，教師在實驗探究過程中應(yīng)充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，鼓勵學(xué)生大膽質(zhì)疑和改革創(chuàng)新，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，讓學(xué)生在觀察、思考、交流、探索中不斷發(fā)展科學(xué)素養(yǎng)。此外，物理實驗探究形式不是固定的，在具體的課堂實施中學(xué)生的思維是開放式的，教師應(yīng)根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)目的有效引導(dǎo)學(xué)生，避免出現(xiàn)無法完成課堂教學(xué)任務(wù)的情況。與此同時，教師還應(yīng)立足于學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，注重對學(xué)生進行長期訓(xùn)練，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強學(xué)生的科學(xué)探究意識，讓學(xué)生在實踐中掌握物理知識、在探究中理解物理規(guī)律。

參考文獻

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注：本文系首都師范大學(xué)教師教育學(xué)院承擔(dān)的領(lǐng)航者計劃·廣西壯族自治區(qū)“未來名師”項目（桂教辦〔2021〕905號）的階段性成果。

作者簡介：顧慧明（1980— ），廣西賓陽人，大學(xué)本科，教育碩士，高級教師，主要研究方向為高中物理教學(xué)研究。

（責(zé)編 劉小瑗）