基于真實(shí)問題情境 培養(yǎng)科學(xué)探究素養(yǎng)

摘" "要：分析2024年全國(guó)甲卷、廣東卷和河北卷中電學(xué)實(shí)驗(yàn)在情境與問題、操作與證據(jù)、原理與解釋、交流與討論四方面的考查情況。提出培養(yǎng)學(xué)生基于情境提出問題能力、強(qiáng)化制訂方案收集證據(jù)能力、提高基于證據(jù)解釋論證能力、發(fā)展表達(dá)交流優(yōu)化方案能力等方面的教學(xué)建議。

關(guān)鍵詞：2024年高考；電學(xué)實(shí)驗(yàn)；科學(xué)探究；教學(xué)建議

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A " " 文章編號(hào)：1003-6148（2025）1-0050-4

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡(jiǎn)稱“課程標(biāo)準(zhǔn)”）提出了科學(xué)探究素養(yǎng)?？茖W(xué)探究素養(yǎng)指基于觀察和實(shí)驗(yàn)提出物理問題、形成猜想和假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)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(duì)科學(xué)探究過程和結(jié)果進(jìn)行交流、評(píng)價(jià)和反思的能力［1］。

《基于高考評(píng)價(jià)體系的物理科考試內(nèi)容改革實(shí)施路徑》指出，實(shí)驗(yàn)探究能力屬于實(shí)踐操作能力群［2］?！吨袊?guó)高考評(píng)價(jià)體系》明確“實(shí)踐操作”包括認(rèn)知操作和行動(dòng)操作兩個(gè)方面。要求學(xué)生面對(duì)新情境合理地組織、調(diào)動(dòng)相關(guān)知識(shí)和能力，實(shí)施實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)，綜合運(yùn)用各種技術(shù)方法創(chuàng)造性地解決現(xiàn)實(shí)情境問題［3］。

實(shí)驗(yàn)題是考查學(xué)生問題、證據(jù)、解釋和交流等科學(xué)探究要素發(fā)展程度的關(guān)鍵載體。實(shí)驗(yàn)題能評(píng)價(jià)學(xué)生面對(duì)真實(shí)情境，合理組織和調(diào)用相關(guān)知識(shí)與能力進(jìn)行研究和操作來解決實(shí)際問題的能力。電學(xué)實(shí)驗(yàn)綜合性較強(qiáng)，可承擔(dān)區(qū)分學(xué)生科學(xué)探究和科學(xué)思維水平的作用。

2024年高考卷中的電學(xué)實(shí)驗(yàn)很好地體現(xiàn)出基于真實(shí)問題情境培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，引導(dǎo)教學(xué)發(fā)展學(xué)生科學(xué)探究素養(yǎng)的作用。

1" " 高考電學(xué)實(shí)驗(yàn)題分析

2024年全國(guó)甲卷、廣東卷和河北卷電學(xué)實(shí)驗(yàn)題充分體現(xiàn)了基于真實(shí)情境命題，考查學(xué)生科學(xué)探究素養(yǎng)的要求；引導(dǎo)中學(xué)教學(xué)著力培養(yǎng)學(xué)生的問題、證據(jù)、解釋、交流能力（表1）。

1.1" " 引入真實(shí)情境，培養(yǎng)問題意識(shí)

基于情境觀察提出問題，形成猜想與假設(shè)是問題意識(shí)的主要內(nèi)容。提出一個(gè)有價(jià)值的問題，比解決問題更有意義。創(chuàng)新源于基于實(shí)際需要提出問題，然后解決問題。在高考中，不太可能讓學(xué)生自行提出一個(gè)問題，然后設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究并解決問題。問題往往在試題中已經(jīng)明確，但是“為什么研究這個(gè)問題”“這個(gè)問題與生產(chǎn)生活實(shí)踐需求有何聯(lián)系”等問題能激發(fā)學(xué)生思考。通過真實(shí)情境引導(dǎo)學(xué)生觀察生產(chǎn)生活實(shí)際需求，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)需求提出問題的能力。同時(shí)，豐富的情境素材蘊(yùn)含著解決問題的提示，恰當(dāng)?shù)那榫吵尸F(xiàn)方式可以引起學(xué)生形成猜想和作出假設(shè)。此外，真實(shí)情境能夠?qū)⑺鶎W(xué)知識(shí)與生產(chǎn)實(shí)踐聯(lián)系起來，激發(fā)學(xué)生探究未知世界的強(qiáng)烈動(dòng)機(jī)。所以，引入真實(shí)、新穎的生產(chǎn)生活實(shí)踐情境，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生提出問題的能力和根據(jù)情境進(jìn)行猜想、假設(shè)的能力有重要作用。

全國(guó)甲卷第10題創(chuàng)設(shè)電阻型氧氣傳感器定標(biāo)情境，測(cè)量不同氧氣含量下傳感器兩端的電壓，建立電壓與氧氣含量之間的數(shù)量關(guān)系。廣東卷第12題創(chuàng)設(shè)太陽能電池板自動(dòng)跟蹤調(diào)整情境，太陽能電池板根據(jù)太陽光照射方向變化，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤并調(diào)整其方向。河北卷第13題創(chuàng)設(shè)光強(qiáng)報(bào)警器情境，測(cè)試光敏電阻值與光強(qiáng)的關(guān)系，設(shè)計(jì)光強(qiáng)報(bào)警器工作原理圖。以上情境均是基于生產(chǎn)實(shí)踐需要解決的問題，能激發(fā)學(xué)生的探究熱情。學(xué)生閱讀情境后可能提出很多有價(jià)值的問題。何為定標(biāo)？怎樣進(jìn)行定標(biāo)？太陽能電池板怎樣自動(dòng)檢測(cè)并調(diào)節(jié)方向？如何設(shè)計(jì)光強(qiáng)報(bào)警電路？通過什么形式發(fā)出報(bào)警信號(hào)？豐富而真實(shí)的情境、關(guān)鍵部件的實(shí)物圖、原理圖、圖像等關(guān)鍵信息都能幫助學(xué)生提出問題，大膽假設(shè)，形成合理猜想。

1.2" " 重視實(shí)驗(yàn)操作，發(fā)展證據(jù)意識(shí)

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與制訂方案、獲取和處理信息，是實(shí)驗(yàn)操作的主要內(nèi)容，也是實(shí)驗(yàn)的基本能力，是獲取證據(jù)的重要前提。在高考中，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案往往不由考生單獨(dú)完成，而是遵循命題者思路完善實(shí)驗(yàn)方案的關(guān)鍵步驟，要求學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹l件和要求選取實(shí)驗(yàn)器材，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)電路并連線，補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵步驟，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表格并收集數(shù)據(jù)等。

全國(guó)甲卷電學(xué)實(shí)驗(yàn)給傳感器定標(biāo)，分成三個(gè)關(guān)鍵步驟。步驟一，設(shè)計(jì)測(cè)量電路并實(shí)物連線，測(cè)量傳感器電壓；步驟二，實(shí)驗(yàn)操作并讀數(shù)，測(cè)量不同氧氣含量下傳感器的電壓；步驟三，畫出氧氣含量與電壓關(guān)系圖像，尋找氧氣含量與電壓的數(shù)量關(guān)系。

廣東卷電學(xué)實(shí)驗(yàn)題根據(jù)太陽光照射方向自動(dòng)調(diào)整太陽能板方向，分成三個(gè)關(guān)鍵步驟。步驟一，根據(jù)原理圖進(jìn)行實(shí)物圖連線；步驟二，光敏電阻阻值與光照強(qiáng)度關(guān)系測(cè)試；步驟三，光源跟蹤測(cè)試。

河北卷電學(xué)實(shí)驗(yàn)題是制作簡(jiǎn)易光強(qiáng)報(bào)警器，分成四個(gè)關(guān)鍵步驟。步驟一，運(yùn)用多用電表歐姆擋判斷二極管的正負(fù)極；步驟二，設(shè)計(jì)控制電路并實(shí)物圖連線；步驟三，尋找光敏電阻光強(qiáng)與阻值的關(guān)系；步驟四，調(diào)試自動(dòng)報(bào)警電路使其正常工作。

1.3" " 考查實(shí)驗(yàn)原理，培育解釋能力

基于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)建構(gòu)模型進(jìn)行推理論證獲得結(jié)論，解決基于情境提出的問題，是解釋的主要內(nèi)容。解釋有兩方面的運(yùn)用。一是運(yùn)用物理原理解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)論。即根據(jù)物理原理和現(xiàn)象數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)推理和論證，獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)論并準(zhǔn)確表述結(jié)論。二是根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)進(jìn)行推理論證獲得重要的物理原理。即根據(jù)現(xiàn)象數(shù)據(jù)，建構(gòu)模型，進(jìn)行科學(xué)推理和論證，獲得物理原理，并準(zhǔn)確表述物理原理。無論哪一方面，實(shí)驗(yàn)原理都是實(shí)驗(yàn)題的核心和考查的重點(diǎn)。兩個(gè)方面都可以培育學(xué)生基于證據(jù)進(jìn)行解釋的能力。

全國(guó)甲卷電學(xué)實(shí)驗(yàn)題是對(duì)氧氣傳感器定標(biāo)。通過分壓電路控制傳感器電流不變，收集不同氧氣含量下的傳感器電壓，根據(jù)氧氣含量—電壓圖像描出兩者之間關(guān)系曲線，并應(yīng)用該圖像推斷待測(cè)氧氣含量。廣東卷電學(xué)實(shí)驗(yàn)題是根據(jù)太陽光照射方向調(diào)整太陽能板方向。首先，通過兩個(gè)光敏電阻RG1、RG2串聯(lián)，依據(jù)串聯(lián)電路電流相等，分得電壓越高電阻越大，可知RG1gt;RG2，結(jié)合RG1表面的光照強(qiáng)度比RG2小，所以光照強(qiáng)度越小電阻越大?？刂茊卧ㄟ^比較兩光敏電阻RG1 和RG2的電壓，感知半透明隔板兩側(cè)光照強(qiáng)度強(qiáng)弱，發(fā)現(xiàn)左右電壓表U1與U2不相等時(shí)，控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，直至U1=U2，即左右兩側(cè)光照強(qiáng)度相等，光線垂直照射太陽能電池板，實(shí)現(xiàn)方向自動(dòng)跟蹤。河北卷電學(xué)實(shí)驗(yàn)題是設(shè)計(jì)光強(qiáng)報(bào)警裝置。比較光敏電阻伏安特性曲線，發(fā)現(xiàn)RIIIlt;RIIlt;RI，結(jié)合光照強(qiáng)度推斷光敏電阻阻值隨光強(qiáng)的增大而減小。根據(jù)報(bào)警電路光敏電阻與滑動(dòng)變阻器串聯(lián)，二極管與三極管串聯(lián)，題目提供了“當(dāng)三極管be間電壓達(dá)到一定程度后才能導(dǎo)通”的信息，為使與三極管串聯(lián)的二極管發(fā)光，可以增大與be并聯(lián)的滑動(dòng)變阻器阻值，提高be間電壓，使三極管導(dǎo)通、二極管發(fā)光。

1.4" " 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案，體現(xiàn)交流素養(yǎng)

對(duì)科學(xué)探究過程和結(jié)果進(jìn)行交流、評(píng)估、反思，是交流素養(yǎng)的主要內(nèi)容，是科學(xué)探究素養(yǎng)的重要組成部分。當(dāng)實(shí)驗(yàn)過程結(jié)束以后，回顧實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)與操作過程，評(píng)估實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，反思有沒有產(chǎn)生誤差的地方，提出進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)驗(yàn)探究過程的措施，將評(píng)估與反思內(nèi)容與同伴交流分享。在高考中，可能以誤差分析、提出減少誤差的方法或者分析換用其他方法（器材）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)可行性等形式出現(xiàn)，意在拓寬學(xué)生的思維，讓學(xué)生提出改良優(yōu)化方案。

2024年全國(guó)甲卷、廣東卷和河北卷三道電學(xué)實(shí)驗(yàn)題雖沒有考查學(xué)生的交流、評(píng)估和反思素養(yǎng)，但這三個(gè)情境可以設(shè)計(jì)很好的考查交流素養(yǎng)的問題。如全國(guó)甲卷可增加以下問題：若電壓表為非理想表，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有沒有影響，請(qǐng)分析并加以說明。廣東卷可增加以下問題：半透明板的作用是什么？不安裝半透明板能否完成實(shí)驗(yàn)？對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有什么影響？河北卷可增加以下問題：除調(diào)節(jié)增大R1外，還有什么辦法可使光強(qiáng)達(dá)到報(bào)警值時(shí)二極管發(fā)光？

2" " 教學(xué)建議

課程標(biāo)準(zhǔn)提出，高中物理課程中應(yīng)注重科學(xué)探究，尤其應(yīng)注重物理實(shí)驗(yàn)，這在培養(yǎng)學(xué)生的探究能力方面具有重要的作用［1］。

2.1" " 培養(yǎng)學(xué)生基于情境提出問題的能力

課程標(biāo)準(zhǔn)要求發(fā)掘?qū)嶒?yàn)在培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)和提出問題能力方面的潛在價(jià)值?？梢詮挠^察現(xiàn)象和體驗(yàn)過程兩方面培養(yǎng)學(xué)生提出問題的能力。

通過觀察現(xiàn)象培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)和提出問題的能力。一是引導(dǎo)學(xué)生觀察生產(chǎn)生活實(shí)踐情境，思考情境中人們的實(shí)際需求，激發(fā)學(xué)生為解決實(shí)際需求而提出問題。事實(shí)上，人類的發(fā)明創(chuàng)造都是人們?cè)谏a(chǎn)生活實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)需求，然后提出問題進(jìn)行研究而實(shí)現(xiàn)的。二是讓學(xué)生觀察演示實(shí)驗(yàn)情境，在觀察中產(chǎn)生認(rèn)知沖突，為解決認(rèn)知沖突而提出問題。當(dāng)輸入的信息與大腦原有認(rèn)知產(chǎn)生矛盾時(shí)，學(xué)生就有弄個(gè)水落石出的強(qiáng)烈訴求。演示實(shí)驗(yàn)不僅僅激發(fā)興趣，在啟發(fā)學(xué)生思考和提出問題上，有同樣重要的作用。

通過體驗(yàn)過程培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)和提出問題的能力。紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行。學(xué)生只有親身體驗(yàn)才能深刻認(rèn)識(shí)理想與現(xiàn)實(shí)的差距，才能準(zhǔn)確體會(huì)操作的精準(zhǔn)與現(xiàn)象的微妙變化，才能設(shè)身處地地反思實(shí)驗(yàn)原理、過程、結(jié)果和產(chǎn)生的誤差等。創(chuàng)設(shè)任務(wù)情境，讓學(xué)生在體驗(yàn)中完成任務(wù)，往往學(xué)生能提出很多教師意想不到的問題，教師應(yīng)該抓住機(jī)會(huì)及時(shí)引導(dǎo)，與學(xué)生共同打磨這些問題，形成有價(jià)值、可探究的問題。創(chuàng)設(shè)任務(wù)情境，讓學(xué)生在完成任務(wù)過程中受啟發(fā)，運(yùn)用科學(xué)思維提煉有價(jià)值的問題是提高問題意識(shí)的重要方法。

2.2" " 強(qiáng)化學(xué)生制訂方案收集證據(jù)的能力

制訂實(shí)驗(yàn)方案。當(dāng)前仍然存在按照教師或者教材既定實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行“按方抓藥”式實(shí)驗(yàn)課，學(xué)生僅僅熟悉實(shí)驗(yàn)步驟和熟練操作器材，對(duì)“為什么要這樣做”“還可以怎么做”等問題沒有深入思考，不利于培養(yǎng)學(xué)生依據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康闹朴唽?shí)驗(yàn)方案的能力。第一，讓學(xué)生體會(huì)一個(gè)探究任務(wù)往往可以分解成幾個(gè)小問題加以解決，每個(gè)小問題涉及實(shí)驗(yàn)的不同方面，有不同的解決方法。如使用什么裝置完成實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)原理是什么，借助哪些器材收集數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)方案是否產(chǎn)生誤差，有沒有辦法消除誤差等。引導(dǎo)學(xué)生逐一思考以上問題，根據(jù)客觀條件給出答案。第二，考慮實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)器材和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)收集等實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的協(xié)調(diào)匹配，使幾個(gè)小問題有機(jī)組合起來，從而整體構(gòu)思探究計(jì)劃。第三，要借助身邊的學(xué)習(xí)資源優(yōu)化完善實(shí)驗(yàn)方案。如可以尋求教師的幫助將探究任務(wù)進(jìn)行分解，通過閱讀器材說明書了解其使用方法，與同伴分享方案，在討論中完善方案等。第四，在日常教學(xué)中舍得花時(shí)間給學(xué)生制訂方案。教師可以準(zhǔn)備多種方案對(duì)應(yīng)的器材，讓學(xué)生在豐富的器材前提下自由選擇合理搭配，讓學(xué)生在體驗(yàn)中優(yōu)化方案，總結(jié)制訂方案的得與失。第五，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后讓學(xué)生反思實(shí)驗(yàn)方案的便捷性、有效性，為下次制訂方案提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

實(shí)驗(yàn)操作收集證據(jù)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案實(shí)施探究活動(dòng)，熟悉常見物理儀器的使用方法，熟練、準(zhǔn)確地操作實(shí)驗(yàn)儀器，明確儀器的讀數(shù)原理和規(guī)則，注意讀數(shù)的準(zhǔn)確性。學(xué)習(xí)使用常見的工具收集數(shù)據(jù)，從便于觀察實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間關(guān)系的角度設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)記錄方式，如設(shè)計(jì)表格收集數(shù)據(jù)，為處理數(shù)據(jù)做好準(zhǔn)備。

2.3" " 提高學(xué)生基于證據(jù)解釋論證的能力

建構(gòu)分析數(shù)據(jù)的基本模型。以實(shí)驗(yàn)原理為模型建立數(shù)據(jù)之間的定量關(guān)系。大膽猜想數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，嘗試用圖像等直觀方式探索物理量之間的關(guān)系。通過數(shù)學(xué)變換盡量整理出物理量之間的線性圖像，便于觀察和運(yùn)用圖像獲得結(jié)論。

提高學(xué)生的解釋能力可分成推理和論證兩個(gè)方面。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)發(fā)展學(xué)生的科學(xué)論證素養(yǎng)。培養(yǎng)學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康慕忉寣?shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，尋找現(xiàn)象數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)論之間的邏輯聯(lián)系進(jìn)行論證，證明實(shí)驗(yàn)結(jié)論的正確性。探究性實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)發(fā)展學(xué)生的科學(xué)推理素養(yǎng)。嘗試用列表格、作圖像、函數(shù)擬合等多種方式整理數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)之間蘊(yùn)含的物理規(guī)律，根據(jù)事實(shí)和現(xiàn)象運(yùn)用邏輯推理確立物理量之間的關(guān)系，獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

提高解釋論證能力除了關(guān)注與實(shí)驗(yàn)假設(shè)相符的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和事實(shí)外，還要觀察收集與實(shí)驗(yàn)假設(shè)相矛盾的現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，嘗試解釋現(xiàn)象、數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)論相矛盾的原因。

2.4" " 發(fā)展學(xué)生表達(dá)交流優(yōu)化方案的能力

提供學(xué)生表達(dá)的機(jī)會(huì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)論的表達(dá)教師不應(yīng)越俎代庖，完成實(shí)驗(yàn)操作得到論證后，教師應(yīng)給學(xué)生提供表達(dá)的時(shí)間和機(jī)會(huì)。讓學(xué)生把實(shí)驗(yàn)結(jié)論用自己的語言準(zhǔn)確、簡(jiǎn)練地表達(dá)出來，可以運(yùn)用文字、表格、圖像、公式、插圖等豐富的表達(dá)形式。當(dāng)然，學(xué)生的表達(dá)應(yīng)當(dāng)準(zhǔn)確、精煉、富有邏輯和學(xué)科特色。

提供學(xué)生交流的平臺(tái)。獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)論后，教師應(yīng)組織學(xué)生進(jìn)行必要的討論，內(nèi)容包括實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)裝置與器材的選用、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)的收集、實(shí)驗(yàn)結(jié)論的獲得、實(shí)驗(yàn)誤差及原因等。學(xué)生與同伴交流的過程，就是對(duì)比優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案、修正推理論證、想方設(shè)法減少實(shí)驗(yàn)誤差的過程。學(xué)生親身經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)探究過程后思維是活躍的，只要有充分的時(shí)間和平臺(tái)，學(xué)生可能提出很多優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案的措施與做法，為下一次設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案奠定基礎(chǔ)。

綜上所述，實(shí)驗(yàn)是理論與操作相結(jié)合的教學(xué)活動(dòng)，一定要讓學(xué)生經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)探究的關(guān)鍵步驟和必要過程，如提出問題、制訂方案、探究過程、收集數(shù)據(jù)、推理論證、表述結(jié)論、誤差分析等過程，著力從問題、證據(jù)、解釋、交流四個(gè)方面培養(yǎng)科學(xué)探究素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

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