依托物理實(shí)驗(yàn)促進(jìn)高中學(xué)生科學(xué)探究能力發(fā)展的策略

摘 要：文章以物理實(shí)驗(yàn)為抓手，針對高中生科學(xué)探究能力發(fā)展的策略展開探究，在充分把握物理實(shí)驗(yàn)與科學(xué)探究能力內(nèi)在邏輯的基礎(chǔ)上，提出了利用物理實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力的策略，旨在為高中物理教師提供一定的參考.

關(guān)鍵詞：物理實(shí)驗(yàn)；高中；科學(xué)探究能力

中圖分類號：G632 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-0333（2025）03-0096-03

收稿日期：2024-10-25

作者簡介：胡開發(fā)，本科，一級教師，從事高中物理教學(xué)研究.[FQ）]

物理作為自然科學(xué)的基礎(chǔ)學(xué)科，其獨(dú)特的實(shí)驗(yàn)性質(zhì)為學(xué)生提供了直觀感知科學(xué)原理、鍛煉科學(xué)探究能力的絕佳平臺.然而，當(dāng)前高中物理教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)往往流于形式，未能充分激發(fā)學(xué)生的探究興趣與潛能.只有探索有效的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，才能彌補(bǔ)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的弊端，進(jìn)而發(fā)展學(xué)生的科學(xué)探究能力.這也是教育改革中亟待解決的問題.

1 物理實(shí)驗(yàn)與科學(xué)探究能力的內(nèi)在邏輯

物理實(shí)驗(yàn)與科學(xué)探究能力相互依存、互為促進(jìn)，共同構(gòu)成了科學(xué)教育中不可或缺的一環(huán).科學(xué)探究能力是指個體在科學(xué)領(lǐng)域中發(fā)現(xiàn)問題、設(shè)計實(shí)驗(yàn)、收集與分析數(shù)據(jù)、得出結(jié)論并進(jìn)行有效交流的能力集合，是科學(xué)素養(yǎng)的核心組成部分.物理實(shí)驗(yàn)，則是科學(xué)探究過程的實(shí)踐載體，是理論與實(shí)踐相結(jié)合的橋梁，為學(xué)生提供了驗(yàn)證理論、探索未知的直接途徑^[1].首先，物理實(shí)驗(yàn)是科學(xué)探究的起點(diǎn).通過觀察物理現(xiàn)象，學(xué)生會產(chǎn)生疑問，進(jìn)而形成探究的初步動機(jī)，這是科學(xué)探究的第一步.其次，物理實(shí)驗(yàn)為科學(xué)假設(shè)的提出與驗(yàn)證提供了平臺.科學(xué)探究的精髓在于假設(shè)—檢驗(yàn)循環(huán)，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中嘗試不同的假設(shè)，設(shè)計實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證這些假設(shè)，這一過程不僅考驗(yàn)了他們的邏輯思維能力，也鍛煉了實(shí)驗(yàn)設(shè)計與操作技能.最后，物理實(shí)驗(yàn)是科學(xué)數(shù)據(jù)收集與分析的直接來源.在實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生需要使用各種儀器設(shè)備收集精確數(shù)據(jù)，運(yùn)用數(shù)學(xué)工具進(jìn)行處理與分析.

2 依托物理實(shí)驗(yàn)促進(jìn)高中生科學(xué)探究能力發(fā)展的策略2.1 設(shè)計引導(dǎo)性實(shí)驗(yàn)，激發(fā)探索欲望

在科學(xué)探索的初始階段，激發(fā)學(xué)生的內(nèi)在探索欲望是首要任務(wù).這不僅能夠喚醒他們對未知世界的好奇心，還能為后續(xù)深入學(xué)習(xí)和主動探究奠定動力基礎(chǔ).因此，教師要在正式實(shí)驗(yàn)開始前設(shè)計引導(dǎo)性實(shí)驗(yàn)，使抽象的理論知識變得具體可感，直觀、生動地向?qū)W生展示物理現(xiàn)象，引發(fā)學(xué)生的思考與興趣^[2].教師在此過程中的角色尤為關(guān)鍵，他們不僅是知識的傳遞者，更是引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題的引路人.

以魯教版高中物理必修第二冊第1章《功和機(jī)械能》為例，教師可以設(shè)計演示“斜面小車實(shí)驗(yàn)”，直觀展示不同傾角斜面物體下滑的加速度變化，以此作為引導(dǎo)性實(shí)驗(yàn)的開端.在演示過程中，教師需要層層引導(dǎo)，比如利用“如果改變斜面的傾斜角度，小車下滑的速度會怎樣變化？為什么會有這樣的變化？”此類問題，喚醒學(xué)生的思考力，促使他們開始嘗試用所學(xué)的物理原理去解釋觀察到的現(xiàn)象.接下來，為了進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的探索欲望，教師可以利用“發(fā)散求異”鼓勵學(xué)生思考更多變體實(shí)驗(yàn)的可能性.如利用“如果我們給小車增加阻力，比如使用不同材質(zhì)的表面作為斜面，這將如何影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果？”等開放性問題，引導(dǎo)學(xué)生跳出常規(guī)、勇于質(zhì)疑，不斷深化探索欲望.

2.2 聯(lián)結(jié)生活實(shí)際，增強(qiáng)學(xué)習(xí)意義

設(shè)計引導(dǎo)性實(shí)驗(yàn)是為了在實(shí)踐層面激發(fā)學(xué)生的探究欲望；而將物理實(shí)驗(yàn)與日常生活實(shí)際緊密相連，是通過架起理論知識與現(xiàn)實(shí)世界的橋梁，從理論層面進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的科學(xué)探究欲望.物理學(xué)科知識與日常生活密切相關(guān).當(dāng)學(xué)生看到物理知識能夠解決實(shí)際生活問題的這種實(shí)用性時，其學(xué)習(xí)動機(jī)和探究興趣會顯著增強(qiáng)，進(jìn)而更加主動地探索科學(xué)的奧秘.因此，教師要注重物理知識和生活的聯(lián)結(jié).

以魯教版高中物理必修第二冊第1章《功和機(jī)械能》為例，教師可以巧妙地將“勢能與動能轉(zhuǎn)換”的概念與學(xué)生熟悉的場景相結(jié)合.例如，在講解“彈性勢能”時，教師可以引導(dǎo)學(xué)生思考生活中蹦床游戲的物理原理，利用“當(dāng)你在蹦床上跳躍時，你的身體動能是如何變化的？”這樣的問題直接關(guān)聯(lián)學(xué)生的日常生活體驗(yàn)，促使學(xué)生在腦海中構(gòu)建物理模型，理解在每次彈跳時人體的重力勢能與動能的轉(zhuǎn)換關(guān)系.進(jìn)一步地，教師可以組織學(xué)生發(fā)散思維，自主思考和自由落體定律相關(guān)的生活現(xiàn)象，如生活中的雨滴下落、水果成熟后的自然掉落等.通過思考和分析，學(xué)生能夠深切感受到物理規(guī)律在現(xiàn)實(shí)生活中的普遍適用性，加深對“功和機(jī)械能”概念的理解.

2.3 實(shí)施探究式學(xué)習(xí)，培養(yǎng)問題解決能力

探究式學(xué)習(xí)的核心在于，引導(dǎo)學(xué)生主動參與問題發(fā)現(xiàn)、假設(shè)提出與驗(yàn)證的過程，能夠使學(xué)生學(xué)會思考.這種學(xué)習(xí)方式超越了傳統(tǒng)灌輸式的教學(xué)模式，驅(qū)動學(xué)生從現(xiàn)象出發(fā)，經(jīng)過邏輯推理、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最終得出結(jié)論^[3].這一過程不僅能夠加深學(xué)生對科學(xué)原理的理解，還能有效培養(yǎng)他們的批判性思維、問題解決能力和創(chuàng)新意識，為學(xué)生發(fā)展科學(xué)探究能力筑牢基礎(chǔ).因此，教師在經(jīng)過理論和實(shí)踐的雙重引導(dǎo)后，應(yīng)該實(shí)施探究式學(xué)習(xí)，讓學(xué)生快速進(jìn)入到科學(xué)探究中.

以魯教版高中物理必修第二冊第1章《功和機(jī)械能》為例，在學(xué)生提出對引導(dǎo)性實(shí)驗(yàn)的疑問后，教師應(yīng)該鼓勵學(xué)生提出初步假設(shè)，比如：“當(dāng)滑塊在粗糙水平面上減速至停止時，其動能的減少量等于因摩擦產(chǎn)生的熱能增加量”為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計提供明確的目標(biāo).接下來的關(guān)鍵步驟是指導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案來驗(yàn)證這一假設(shè)，還要引導(dǎo)學(xué)生思考實(shí)驗(yàn)設(shè)計的細(xì)節(jié)，比如使用光電門和計時器來測量滑塊的速度，量化動能變化，并確保每次實(shí)驗(yàn)滑塊的質(zhì)量不變，水平面的粗糙程度相同，釋放滑塊的位置固定，以減少無關(guān)變量的干擾.還要利用熱量計（如銅質(zhì)圓筒與溫度傳感器組合）來量化因摩擦產(chǎn)生的熱能.實(shí)驗(yàn)中，可以在滑塊下放置一片薄金屬片，金屬片與滑塊接觸面涂有導(dǎo)熱良好的材料，確保摩擦產(chǎn)生的熱量有效傳遞到金屬片上.通過監(jiān)測金屬片溫度上升情況，結(jié)合金屬片的比熱容和質(zhì)量，計算熱能的增加量，并確保金屬片的尺寸足夠大以吸收足夠多的熱量，但又不能太大以至于影響滑塊的正常運(yùn)動.

2.4 融合信息技術(shù)，拓展實(shí)驗(yàn)邊界

在信息時代背景下，融合信息技術(shù)于物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，是拓寬科學(xué)探究視野、提升高中生探究能力的必然趨勢.通過虛擬實(shí)驗(yàn)室和仿真軟件等現(xiàn)代技術(shù)手段，學(xué)生得以在安全、可控的虛擬環(huán)境中模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)，這不僅彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)條件的局限，還為學(xué)生探索那些現(xiàn)實(shí)中難以實(shí)現(xiàn)或風(fēng)險較高的實(shí)驗(yàn)提供了可能.更重要的是，這一過程能夠鍛煉學(xué)生的信息技術(shù)應(yīng)用能力，使他們能夠在更廣闊的科學(xué)領(lǐng)域中自由馳騁，深化對物理原理的理解與應(yīng)用^[4].因此，教師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，應(yīng)該充分利用信息技術(shù)開展教學(xué).

以魯教版高中物理必修第二冊第1章《功和機(jī)械能》為例，教師可以巧妙地利用物理仿真軟件，如PhET Interactive Simulations中的“The Ramp and Friction”模擬實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生在模擬環(huán)境中調(diào)整斜面的傾斜角度、物體質(zhì)量及表面粗糙程度，觀察并記錄不同條件下物體滑動的距離與速度變化，以及能量的轉(zhuǎn)化情況.學(xué)生利用虛擬實(shí)驗(yàn)可以反復(fù)操作，不受物理材料和安全限制，深入探究不同參數(shù)如何影響能量守恒，這不僅增強(qiáng)了他們對物理現(xiàn)象的直覺理解，還促進(jìn)了對復(fù)雜概念的深入思考.此外，教師可以進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生利用電子表格（如Excel）對收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，通過圖表直觀展現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化的規(guī)律，培養(yǎng)學(xué)生數(shù)據(jù)處理和分析技能，進(jìn)一步加強(qiáng)信息技術(shù)與物理實(shí)驗(yàn)的深度融合.

2.5 強(qiáng)化團(tuán)隊(duì)合作，促進(jìn)交流共享

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，團(tuán)隊(duì)合作不僅是知識交流的平臺，更是激發(fā)創(chuàng)新思維的催化劑.強(qiáng)化團(tuán)隊(duì)合作，能夠促使學(xué)生在多元視角中整合資源、解決問題.通過小組協(xié)作完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)生能在互助中深化對科學(xué)原理的理解，形成科學(xué)思維.以魯教版高中物理選擇性必修第一冊第2章《機(jī)械振動》為例，教師可以設(shè)計一項(xiàng)關(guān)于“共振現(xiàn)象”的團(tuán)隊(duì)探究實(shí)驗(yàn)，將學(xué)生分成若干小組，每個小組負(fù)責(zé)探究不同類型的共振現(xiàn)象，如擺鐘的共振、弦樂器的共鳴等.在開展實(shí)驗(yàn)前，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生了解共振的基本概念和條件，然后布置任務(wù)，要求各小組設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案，包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⑺璨牧?、?shí)驗(yàn)步驟及預(yù)期結(jié)果.在小組合作過程中，教師應(yīng)鼓勵學(xué)生充分發(fā)揮各自的長處，比如擅長理論分析的學(xué)生可以負(fù)責(zé)理論推導(dǎo)，動手能力強(qiáng)的同學(xué)則可以主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)操作.小組成員間在遇到困難時，通過集思廣益共同尋找解決方案.為了確保團(tuán)隊(duì)合作的高效，教師可以設(shè)置中間匯報環(huán)節(jié)，要求各小組展示階段性成果，其他小組則作為聽眾提問或提出建議，形成一種積極互動的學(xué)術(shù)氛圍.通過這樣的交流，學(xué)生能夠在思想的交鋒中獲得靈感，糾偏改錯，逐漸形成科學(xué)探究能力.

2.6 反思總結(jié)實(shí)踐，深化理解應(yīng)用

科學(xué)探究的過程不應(yīng)止步于實(shí)驗(yàn)操作本身，而應(yīng)延伸至對實(shí)驗(yàn)全過程的深刻反思與總結(jié)，這是形成完整學(xué)習(xí)閉環(huán)、深化理解并提升應(yīng)用能力的關(guān)鍵^[5].因此，在每項(xiàng)物理實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，教師應(yīng)組織學(xué)生進(jìn)行系統(tǒng)的反思總結(jié)，梳理實(shí)驗(yàn)過程中的觀察、思考與發(fā)現(xiàn)，從而將實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為持久的知識結(jié)構(gòu)，不斷提升科學(xué)探究能力.教師可以以小組的形式組織反思會議，即每個小組輪流介紹其實(shí)驗(yàn)設(shè)計的初衷、過程中的亮點(diǎn)與不足，討論實(shí)驗(yàn)設(shè)計是否有效達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，哪些操作可以優(yōu)化以提高精度或效率；討論數(shù)據(jù)背后反映出的物理原理，對比預(yù)測結(jié)果與實(shí)際結(jié)果的差異，探討可能的原因，如誤差來源、實(shí)驗(yàn)條件控制不當(dāng)?shù)?隨后，要求學(xué)生撰寫詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)報告，報告應(yīng)涵蓋實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒃?、方法、結(jié)果、分析討論及結(jié)論等部分，特別強(qiáng)調(diào)對實(shí)驗(yàn)中遇到問題的反思和解決策略的總結(jié).在此基礎(chǔ)上，安排班級內(nèi)部分享會，讓每個小組展示其報告的精華內(nèi)容，通過同伴間的相互評價和討論，進(jìn)一步豐富彼此的視角，深化對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的整體把握.

3 結(jié)束語

物理實(shí)驗(yàn)對培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力具有重要價值.文章提出設(shè)計引導(dǎo)性實(shí)驗(yàn)、實(shí)施探究式學(xué)習(xí)、融合信息技術(shù)、強(qiáng)化團(tuán)隊(duì)合作、反思總結(jié)實(shí)踐及聯(lián)結(jié)生活實(shí)際等策略，不僅能夠激發(fā)學(xué)生的好奇心與求知欲，還能幫助學(xué)生在實(shí)踐中不斷提升科學(xué)思維、發(fā)展科學(xué)探究能力.依托物理實(shí)驗(yàn)促進(jìn)高中生科學(xué)探究能力的發(fā)展是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，教師在教學(xué)實(shí)踐中，應(yīng)持續(xù)探索和實(shí)踐，不斷完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計和實(shí)施方法.只有這樣，才能不斷完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)，進(jìn)而為學(xué)生提升科學(xué)探究能力提供穩(wěn)定的平臺.

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［責(zé)任編輯：李 璟］