科學(xué)探究能力培養(yǎng)視域下高中物理實驗教學(xué)路徑探析

摘 要：新課程標準強調(diào)要注重培養(yǎng)學(xué)生的探究能力，鼓勵學(xué)生開展科學(xué)探究活動，發(fā)揮物理實驗在教學(xué)中的作用.基于此，文章以“力的分解”為例，針對高中物理實驗教學(xué)路徑展開探究，旨在提升學(xué)生的科學(xué)探究能力.

關(guān)鍵詞：科學(xué)探究；高中物理；實驗教學(xué)

中圖分類號：G632

文獻標識碼：A

文章編號：1008-0333（2024）30-0098-03

收稿日期：2024-07-25

作者簡介：阮灼清（1991.10—），女，福建省寧德人，本科，中學(xué)二級教師，從事高中物理教學(xué)研究.

科學(xué)探究能力是指個體在面對科學(xué)問題時，能夠運用科學(xué)方法，包括觀察、提問、假設(shè)、實驗、數(shù)據(jù)收集與分析、解釋和結(jié)論推斷等一系列過程，系統(tǒng)地探索未知、解決問題的能力.實驗是物理教學(xué)的重要手段，更是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié).科學(xué)探究能力和實驗教學(xué)相互作用、相互促進.學(xué)生通過實驗教學(xué)逐漸提升科學(xué)探究能力，這種能力又能支撐學(xué)生更加科學(xué)、嚴謹?shù)剡M行實驗學(xué)習，進而使實驗教學(xué)效果得到提升

1 實驗探究教學(xué)的原則

實驗探究教學(xué)強調(diào)以問題為核心，引導(dǎo)學(xué)生主動探索未知，通過觀察、假設(shè)、實驗、論證等過程，自主構(gòu)建知識體系；強調(diào)融入趣味元素，激發(fā)學(xué)生好奇心和求知欲，利用生活實例、游戲化學(xué)習等方式，使學(xué)習過程更加生動有趣；突出學(xué)生在學(xué)習過程中的主體地位，鼓勵學(xué)生積極參與、主動思考，培養(yǎng)其獨立自主的學(xué)習能力；關(guān)注學(xué)生綜合能力的提升，不僅限于知識學(xué)習，更重視思維能力、實踐技能及情感態(tài)度的全面發(fā)展，為終身學(xué)習奠基.具體教學(xué)過程中，教師應(yīng)遵循以上原則，采用創(chuàng)新性的教學(xué)策略開展教學(xué)，以此提升教學(xué)質(zhì)量，促進學(xué)生科學(xué)探究能力的提升.

2 科學(xué)探究能力培養(yǎng)視域下高中物理實驗教學(xué)路徑2.1 創(chuàng)設(shè)問題情境，促使學(xué)生提出探究性問題

問題往往來源于學(xué)生的日常生活與學(xué)習，教師利用學(xué)生所熟悉的生活與物理知識創(chuàng)設(shè)一定情境，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)物理問題，激發(fā)求知欲望，進而提出具有研究價值的物理問題^［1］.具體而言，教師可以圍繞以下幾個方面創(chuàng)設(shè)情境：第一，生活是學(xué)習的源泉.教師應(yīng)敏銳捕捉日常生活中的物理現(xiàn)象，巧妙地搭建起學(xué)生已知與未知之間的橋梁，鼓勵學(xué)生質(zhì)疑現(xiàn)象背后的原理，激發(fā)他們探究物理世界的興趣和欲望.第二，物理學(xué)的發(fā)展歷程是一條璀璨的智慧長河，科學(xué)家們的探索故事充滿了啟發(fā)性.教師可從物理學(xué)史出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生從歷史的鏡鑒中汲取靈感，提出可探究性問題.

以魯科版高中物理必修第一冊第4章第2節(jié)《力的分解》為例，胡克在研究彈簧特性時，發(fā)現(xiàn)了胡克定律，在這一過程中，他實際上是在探究力與形變之間的關(guān)系，而這正是力分解思想的早期體現(xiàn).教師可以描述胡克如何通過實驗測量不同方向的力對彈簧伸長的影響，盡管當時尚未形成現(xiàn)代意義上的“力的分解”概念，但胡克的研究方法無疑為后來的力學(xué)理論奠定了基礎(chǔ).通過這個故事，引導(dǎo)學(xué)生提出問題：如果一個物體同時受到兩個不同方向的力，我們怎樣通過實驗來直觀展現(xiàn)這兩個力各自產(chǎn)生的效果以及它們合力的效果？

2.2 提供信息引導(dǎo)，讓學(xué)生提出科學(xué)的猜想與假設(shè)

在科學(xué)探究過程中，學(xué)生提出猜想與假設(shè)是理論與實踐結(jié)合的關(guān)鍵一步.然而，學(xué)生提出的初步猜想往往缺乏科學(xué)性，顯得較為隨意.為幫助學(xué)生構(gòu)建更加科學(xué)、合理的猜想與假設(shè)，教師需扮演引導(dǎo)者的角色，運用多種策略，引導(dǎo)學(xué)生從理論知識、生活經(jīng)驗和直觀的實驗現(xiàn)象中汲取養(yǎng)分，逐步提煉出具有科學(xué)依據(jù)的猜想^［2］.第一，教師應(yīng)鼓勵學(xué)生回顧已學(xué)的物理理論，引導(dǎo)他們基于堅實的理論基礎(chǔ)進行猜想.例如，在“力的分解”教學(xué)中，先復(fù)習向量的概念、矢量加法原理，隨后啟發(fā)學(xué)生思考：如果一個力可以看作是兩個或多個力的合成，那么逆向思考，一個已知的合力是否也能合理地分解為幾個分力？這樣的引導(dǎo)促使學(xué)生基于已有的理論框架，提出更加科學(xué)的猜想.第二，生活是物理知識最好的試驗場.教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生將課堂知識與日常生活經(jīng)驗相結(jié)合，從中提煉出與研究問題相關(guān)的現(xiàn)象或規(guī)律.例如，通過討論提水時手感受到的力與繩子傾斜角度的關(guān)系，學(xué)生可能聯(lián)想到力的分解在日常生活中的體現(xiàn)，從而基于這些經(jīng)驗提出關(guān)于力分解方向和大小的假設(shè).

2.3 明確實驗?zāi)繕?，利用不同實驗方案設(shè)計實驗

實驗探究的核心在于有目的、有方向地探索未知，清晰明確的實驗?zāi)繕苏侵敢@一探索旅程的北極星，其不僅界定了探究的范圍與深度，也為學(xué)生提供了明確的學(xué)習路徑和任務(wù)^［3］.因此，在開展“力的分解”相關(guān)驗教學(xué)時，明確實驗?zāi)繕孙@得尤為重要.教師應(yīng)首先向?qū)W生清晰闡明本次實驗旨在達成的具體目標，比如理解力的分解原理，掌握通過實驗測量和驗證分力的方法.在此基礎(chǔ)上，鼓勵學(xué)生依據(jù)個人的猜想與假設(shè)，明確各自的探究方向，比如，探究不同角度下力的分解規(guī)律或研究不同介質(zhì)對力分解效果的影響等.接下來，教師需指導(dǎo)學(xué)生分析實現(xiàn)這些目標所必需測量的關(guān)鍵物理量，如合力的大小、方向以及各分力的大小、方向等，并提供多種實驗器材供學(xué)生選擇，如彈簧秤、力傳感器、滑輪組、量角器等，鼓勵學(xué)生根據(jù)實驗?zāi)繕恕⒃砗蜅l件設(shè)計出多途徑、多角度的實驗方法.具體實驗示例如下.

方案一：經(jīng)典懸掛法

目標定位：直觀理解力的分解與合成.

所需器材：彈簧秤、細繩、固定支架、鉤碼.

實驗設(shè)計：學(xué)生使用兩根細繩通過滑輪連接同一鉤碼，形成一定角度懸掛，用彈簧秤分別測量兩根繩子的拉力，記錄數(shù)據(jù)并分析，驗證力的分解遵循平行四邊形定則.

方案二：動態(tài)平衡法

目標定位：通過不斷動態(tài)調(diào)整探究力分解的實時效果.

所需器材：力傳感器、滑塊、斜面、力的合成與分解實驗裝置.

實驗設(shè)計：在斜面上放置滑塊，使用力傳感器測量沿斜面向上拉動滑塊的力，同時調(diào)整斜面角度或施力方向，觀察并記錄不同條件下力的分量變化，探究斜面角度對力分解效果的影響.

2.4 豐富實驗形式，提高實驗操作和數(shù)據(jù)收集能力

實驗教學(xué)是物理學(xué)科不可或缺的一部分，對于培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和科學(xué)素養(yǎng)具有不可替代的作用.為了確保實驗教學(xué)的高效與全面，教師應(yīng)積極采用多種實驗形式，使學(xué)生提升實驗操作能力的同時，提升數(shù)據(jù)收集能力.以上述經(jīng)典懸掛法為例，教師可以組織學(xué)生進行分組合作實驗.教師要將學(xué)生分成小組，每組配備彈簧秤、細繩、鉤碼及固定支架等基本實驗器材.小組內(nèi)部成員分工合作，一人負責調(diào)節(jié)繩子的角度并固定，另一人對彈簧秤進行讀數(shù)并記錄.通過輪流擔任不同角色，每位學(xué)生都能親自操作，實踐懸掛、測量與記錄等關(guān)鍵步驟.此外，鑒于課堂時間寶貴，適時采用演示實驗也是一種高效的教學(xué)方式.教師可以為學(xué)生進行詳細的操作演示，通過慢動作展示如何精確調(diào)整繩子角度、如何準確讀取彈簧秤數(shù)值以及如何正確記錄數(shù)據(jù)，有效示范實驗操作的規(guī)范流程.

2.5 善用數(shù)據(jù)分析，自主完成數(shù)據(jù)分析論證工作

在物理實驗教學(xué)中，數(shù)據(jù)分析是連接實驗操作與理論結(jié)論的橋梁，是科學(xué)探究不可或缺的一環(huán).為了確保學(xué)生能夠從實驗數(shù)據(jù)中提煉出準確且有價值的結(jié)論，教師必須引導(dǎo)學(xué)生掌握有效的數(shù)據(jù)分析方法，如比較法、表格法和圖像法，以此幫助學(xué)生自主完成從數(shù)據(jù)整理到論證工作的全過程^［4］.首先，教師需指導(dǎo)學(xué)生對實驗中采集的所有數(shù)據(jù)進行整理與歸類，確保每項數(shù)據(jù)與物理量名稱對應(yīng).這一過程不僅強化了學(xué)生對物理量概念的理解，也為后續(xù)數(shù)據(jù)分析奠定了堅實的基礎(chǔ).其次，利用比較法，直觀驗證實驗結(jié)論.例如，在“力的平行四邊形定則”驗證實驗中，學(xué)生通過繪制力的圖示，計算出理論合力值，再與實驗測量所得的合力值進行對比.最后，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生注意在誤差允許范圍內(nèi)，分析實驗與理論的誤差，直觀展示力的合成規(guī)則與平行四邊形定則的吻合度，從而自主完成對實驗結(jié)論的初步論證.

2.6 結(jié)合實驗結(jié)果，引導(dǎo)學(xué)生進行評估反思

實驗科學(xué)的精髓在于不斷地探索、驗證與修正，而實驗結(jié)果的偏差正是通往精準認知的必經(jīng)之路，也是深入挖掘?qū)嶒炦^程潛在問題的契機.因此，教師應(yīng)結(jié)合實驗結(jié)果，系統(tǒng)引導(dǎo)學(xué)生從方法、器材選擇及操作執(zhí)行三個維度進行評估反思，培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維與問題解決能力.首先，針對實驗方法的評估反思是基礎(chǔ).教師應(yīng)鼓勵學(xué)生將實驗結(jié)果置于理論框架下，對比預(yù)期目標與實際結(jié)論的差異，思考實驗設(shè)計是否合理，測量原理是否適用當前情境.引導(dǎo)學(xué)生探討是否存在更精確或更適合的實驗方案，比如，是否有未被考慮到的變量干擾或控制變量的策略是否得當.通過這樣的反思，學(xué)生逐步學(xué)會如何科學(xué)地質(zhì)疑和改進實驗方法，為獲取更可靠的數(shù)據(jù)打下基礎(chǔ).其次，實驗器材的合理性直接影響數(shù)據(jù)的準確性.在分析結(jié)果偏差時，教師需引導(dǎo)學(xué)生回顧使用器材的精度、靈敏度，討論可能因器材限制導(dǎo)致的誤差來源，如量程不夠大、分辨率不足或校準不當?shù)?最后，實驗結(jié)果的偏差往往與操作細節(jié)息息相關(guān)^［5］.因此，教師應(yīng)組織學(xué)生回顧實驗操作流程，分析可能的失誤或非標準化操作，包括但不限于讀數(shù)誤差、反應(yīng)時間控制不當?shù)?通過視頻回放、同伴互評等方式，學(xué)生可以直觀地看到操作中的不足，進而提升操作的準確性.

3 結(jié)束語

綜上所述，文章以“力的分解”實驗為載體，提出了六大策略，不僅關(guān)注學(xué)生科學(xué)思維的激發(fā)與引導(dǎo)，也強調(diào)了信息技術(shù)的融合應(yīng)用、實驗設(shè)計的靈活性、數(shù)據(jù)分析能力的培養(yǎng)、反思性學(xué)習的促進以及合作交流的重要性，形成了一個較為系統(tǒng)且全面的教學(xué)框架.

參考文獻：

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［責任編輯：李 璟］