指向問題解決的初中物理科學(xué)探究途徑探析

［摘 要］科學(xué)探究是物理核心素養(yǎng)的重要維度之一。初中物理強(qiáng)調(diào)科學(xué)探究作為物理核心素養(yǎng)的重要性，旨在引導(dǎo)學(xué)生形成“提問有依據(jù)、猜想有證據(jù)、設(shè)計有方法、改進(jìn)有辦法”的科學(xué)探究途徑，以提升學(xué)生的物理核心素養(yǎng)。初中物理教師應(yīng)創(chuàng)設(shè)真實情境引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究，讓學(xué)生直面困境和解決問題，以提升其解決實際問題的能力和科學(xué)探究素養(yǎng)。

［關(guān)鍵詞］問題解決；科學(xué)探究；浮力

［中圖分類號］" " G633.7" " " " " " " " ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］" " A" " " " " " " " ［文章編號］" " 1674-6058（2025）02-0039-04

物理學(xué)是自然科學(xué)領(lǐng)域研究物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)、相互作用和運(yùn)動規(guī)律的一門基礎(chǔ)學(xué)科。義務(wù)教育物理課程是一門以實驗為基礎(chǔ)的自然科學(xué)課程，具有基礎(chǔ)性、實踐性等特點[1]?！读x務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱《課標(biāo)》）明確指出，物理課程要培養(yǎng)的核心素養(yǎng)，主要包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任［2］。這凸顯了物理學(xué)科的育人目標(biāo)。那么，如何落實新課標(biāo)精神，讓新課標(biāo)理念真正在一線教學(xué)中落地呢？本文以“浮力”教學(xué)為例，闡述如何通過創(chuàng)設(shè)真實情境，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究，從而培養(yǎng)學(xué)生的解決問題能力和科學(xué)探究素養(yǎng)。

一、科學(xué)探究的內(nèi)涵

《課標(biāo)》提出：“科學(xué)探究是指基于觀察和實驗提出物理問題、形成猜想與假設(shè)、設(shè)計實驗與制訂方案、獲取與處理信息、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(jìn)行交流、評估、反思的能力?！盵3]科學(xué)探究主要包括問題、證據(jù)、解釋、交流等要素（如圖1）［4］。

科學(xué)探究既是物理課程的重要內(nèi)容，又是學(xué)習(xí)物理的重要途徑。它能夠?qū)⑽镔|(zhì)、運(yùn)動和相互作用、能量、實驗探究、跨學(xué)科實踐等一級主題內(nèi)容有機(jī)地聯(lián)系起來，為物理觀念的形成、科學(xué)思維的培養(yǎng)、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的養(yǎng)成提供實踐基礎(chǔ)。因此，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究，讓學(xué)生在探究過程中培養(yǎng)核心素養(yǎng)顯得尤為重要。

二、科學(xué)探究的途徑

（一）創(chuàng)設(shè)真實情境，引發(fā)思考，培養(yǎng)“提問有依據(jù)”的問題意識

科學(xué)教育的目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生靈活運(yùn)用所學(xué)科學(xué)知識解決新問題的能力。為實現(xiàn)這一目標(biāo)，教師需要將學(xué)科教學(xué)生活化，圍繞真實情境來提出問題。學(xué)科教學(xué)的核心在于發(fā)展學(xué)生的思維，而思維總是與問題密切相關(guān)。問題是思維的起點，是點燃學(xué)生思維火花的火種。只有當(dāng)學(xué)生置身于真實情境，面對實際問題，陷入思考困境時，他們才會對新知識產(chǎn)生強(qiáng)烈的求知欲，才會為了走出困境而積極思考、探索求解。

[案例1]在“浮力”這節(jié)課的引入環(huán)節(jié)，教師在講臺上放兩個燒杯，燒杯中分別盛放水和酒精（事先不告訴學(xué)生這兩種液體的成分）。每個燒杯中各放入一支蠟燭，但一支蠟燭漂在液面上，另一支卻下沉至杯底。學(xué)生的前概念是蠟燭在水中應(yīng)該是漂浮的，因此對蠟燭下沉的現(xiàn)象感到困惑。為了解決這一認(rèn)知沖突，學(xué)生開始尋找原因。一名學(xué)生提出猜想：可能是因為兩支蠟燭的長度不同。那么，如何驗證這個猜想是否正確呢？學(xué)生自己想到了解決辦法：把兩支蠟燭從液體中拿出來擦干凈，然后互換位置再放入燒杯中。結(jié)果，原本漂在液面上的蠟燭沉底了，這證明蠟燭的下沉與長度無關(guān)。接著，另一名學(xué)生提出猜想：可能是因為燒杯中盛放不同種類的液體，導(dǎo)致蠟燭受到的浮力不同。并舉例：人可以漂浮在死海上悠閑地看報紙，但在游泳池里卻做不到，這就是因為液體的密度不同所導(dǎo)致的。

在案例1中，學(xué)生面對教師設(shè)計的真實情境，產(chǎn)生了認(rèn)知沖突。這一沖突不僅激發(fā)了學(xué)生對浮力的深入思考，還為后續(xù)提出“浮力大小可能與液體的密度有關(guān)”的猜想埋下伏筆。

（二）結(jié)合生活經(jīng)歷，作出合理猜想，培養(yǎng)“猜想有證據(jù)”的證據(jù)意識

《課標(biāo)》將12個探究類學(xué)生必做實驗分為兩類（見表1）。

在進(jìn)行這些實驗時，需要研究某個物理量與哪些因素有關(guān)，以及如何尋找這些變量。如果教師不加以引導(dǎo)，任由學(xué)生漫無目的地猜測，那么這不僅對學(xué)生的邏輯推理能力提升沒有好處，還會給后續(xù)的探究活動增加難度。因此，教師需要喚醒學(xué)生的前概念或利用他們已有的生活經(jīng)驗，或者在課堂上重現(xiàn)相關(guān)生活情境，讓學(xué)生參與能夠切身體驗的活動。這樣，學(xué)生的猜想與假設(shè)才能有更明確的方向。有依據(jù)的猜想是培養(yǎng)邏輯推理能力的起點。

在“探究浮力大小與哪些因素有關(guān)”實驗的猜想與假設(shè)環(huán)節(jié)，學(xué)生的發(fā)散性思維最為活躍。當(dāng)學(xué)生提出猜想與假設(shè)時，教師要求學(xué)生說出猜想的依據(jù)，或者分享切身的生活體驗來支撐他們的猜想與假設(shè)。

[案例2]在探究浮力大小與哪些因素有關(guān)時，學(xué)生會根據(jù)書上的插圖“人可以浮在死海上”猜想浮力的大小與液體密度有關(guān)，認(rèn)為液體的密度越大，浮力越大。他們還會根據(jù)木塊浮在水面上而石塊沉底的現(xiàn)象，猜想浮力的大小可能與物體的密度有關(guān)（物體的密度越小，浮力越大）。此外，學(xué)生通過比較按壓排球和乒乓球入水所需的力氣，猜想浮力的大小可能與物體的體積有關(guān)（物體的體積越大，浮力越大）。在測量沉入水中的物體受到的浮力的活動中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)物體浸入水中的體積越大，彈簧測力計的示數(shù)越小，從而得出“浸入液體的體積越大，浮力越大”的結(jié)論。除此之外，學(xué)生可能還會猜想浮力的大小與物體的形狀、液體的溫度、物體與液體的接觸面積等因素有關(guān)。

以上收集到的影響浮力大小的因素，都是學(xué)生結(jié)合自身生活經(jīng)歷做出的有依據(jù)的猜想。猜想與假設(shè)是科學(xué)探究的要素之一，其基本環(huán)節(jié)包括：認(rèn)清問題事實、分析問題本質(zhì)、對問題進(jìn)行預(yù)測并推測可能的結(jié)論。讓學(xué)生的猜想有證據(jù)，意味著要引導(dǎo)學(xué)生在證據(jù)的支撐下進(jìn)行猜想與假設(shè)，并在獲取證據(jù)和分析證據(jù)的過程中培養(yǎng)他們的科學(xué)思維能力、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)習(xí)態(tài)度以及解決問題的能力。指向科學(xué)論證的猜想與假設(shè)，是基于學(xué)生已有知識和經(jīng)驗的喚醒，使他們能夠做出合理的推測和論證，這是培養(yǎng)學(xué)生批判性思維的有效教學(xué)實踐。在案例2中，學(xué)生的前概念對學(xué)生理解浮力大小形成了嚴(yán)重的障礙。如果教師不加以引導(dǎo)和糾正，而是直接按照預(yù)設(shè)的實驗安排進(jìn)行，那么學(xué)生的原有認(rèn)知將會持續(xù)影響他們對浮力的正確理解。

（三）科學(xué)設(shè)計實驗，培養(yǎng)“設(shè)計有方法”的解釋意識

在設(shè)計實驗與制訂方案環(huán)節(jié)，教師需要加以引導(dǎo)，使學(xué)生思維升級，順利完成探究任務(wù)。這就要求教師充分了解學(xué)生的認(rèn)知水平，不能僅僅從自己的角度出發(fā)給出探究方案，而應(yīng)該更多地從學(xué)生的角度去思考探究問題，設(shè)計好探究方案。這樣，學(xué)生才能經(jīng)歷一次更接近科學(xué)家的實際探究過程，從而把真實的科學(xué)探究進(jìn)行到底。

[案例3]在“探究浮力大小與哪些因素有關(guān)”實驗中，學(xué)生猜想出浮力大小可能與以下因素有關(guān)：液體的密度、物體的密度、物體的體積、物體浸入液體中的體積、物體浸入液體中的深度、液體的溫度、物體的形狀、物體與液體的接觸面積[5]。教師需要預(yù)設(shè)學(xué)生的這些猜想，并針對這些猜想設(shè)計對比實驗，準(zhǔn)備好所需的實驗器材。通過對比實驗，引導(dǎo)學(xué)生排除不相干的物理量，進(jìn)而對相關(guān)因素進(jìn)行整合，進(jìn)行有效的探究。

在案例3中，問題的解決需要教師提前準(zhǔn)備充足的物品，以便學(xué)生能選擇合適的物品進(jìn)行實驗。比如，教師可以準(zhǔn)備好體積相同但質(zhì)量不同的鐵塊和鋁塊，或者提供空的飲料瓶（通過增減沙子來調(diào)整質(zhì)量）、橡皮泥等物品，讓學(xué)生自行設(shè)計實驗，逐一檢驗影響浮力大小的真實因素。

在實驗中，學(xué)生每次只能改變一個要檢驗的物理量，而保持其他物理量不變。這對學(xué)生控制變量的能力要求較高。

面對眾多影響浮力大小的因素，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生先進(jìn)行初步的檢驗：

針對“液體的密度”這一因素，學(xué)生提出實驗方案：將同一個物塊懸掛在彈簧測力計上，分別浸沒在水和酒精中，觀察浮力變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，浮力不同。教師點評：在控制其他變量不變的情況下，僅僅改變液體的密度，浮力就發(fā)生了變化。這說明浮力的大小與液體的密度有關(guān)。

針對“物體的密度”這一因素，學(xué)生選用體積相同但密度不同的鐵塊和鋁塊進(jìn)行實驗。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雖然鐵塊和鋁塊的密度不同，但當(dāng)它們?nèi)拷胍后w時，所受浮力相等。因此，可排除“物體的密度”這一因素。

針對“物體的體積”這一因素，學(xué)生發(fā)現(xiàn)同一個物體浸入液體中的體積不同，浮力不同。這說明真正決定浮力大小的是物體浸入液體中的體積，而不是物體本身的體積。因此，可排除“物體的體積”這一因素，確定“物體浸入液體中的體積”的影響。

針對“物體浸入液體中的深度”這一因素，學(xué)生發(fā)現(xiàn)，如果慢慢將飲料瓶浸入液體中，浮力似乎越來越大。這是否意味著浸入液體的深度對浮力有影響呢？然而，此時存在一個問題：物體浸入液體的體積和深度同時在變化，難以確定是哪個因素導(dǎo)致了浮力的變化。為了準(zhǔn)確探究深度對浮力的影響，需要設(shè)計一個實驗只改變物體浸入液體的深度，而不改變物體浸入液體的體積。一個可行的方案是先將物體全部浸入液體中，再改變物體浸入液體的深度。結(jié)果發(fā)現(xiàn)浮力大小與物體浸入液體中的深度無關(guān)。

學(xué)生設(shè)計出了另一個方案，這個方案能夠只改變物體浸入液體中的深度而不改變物體浸入液體中的體積。具體來說，可以將一個長方體先豎著浸入液體中一半，再橫著浸入液體中一半，這樣兩次浸入液體中的體積都是該長方體體積的一半，但兩次浸入液體中的深度不同。通過比較兩次的浮力是否相等，可以判斷浮力是否與物體浸入液體中的深度有關(guān)。若兩次浮力相等，則說明浮力與物體浸入液體中的深度無關(guān)；若兩次浮力不等，則說明浮力與物體浸入液體中的深度有關(guān)。

針對“液體的溫度”這一因素，由于溫度會影響液體的密度，這與我們之前探討的“液體的密度”存在重復(fù)，因此“液體的溫度”這一因素可以不做討論。

針對“物體的形狀”和“物體與液體的接觸面積”這兩個因素，學(xué)生通過實驗發(fā)現(xiàn)，一塊橡皮泥捏成球狀和扁平狀后都會浸沒在水中，浮力保持不變。因此，可排除這兩個因素對浮力的影響。

經(jīng)檢驗，可得出以下結(jié)論：浮力的大小與液體的密度和物體浸入液體中的體積有關(guān)。為了統(tǒng)一描述，可將“物體浸入液體中的體積”轉(zhuǎn)化為描述液體的物理量，即“被物體排開的液體的體積”。綜上所述，液體對浸入其中的物體所產(chǎn)生的浮力大小與液體的密度、被物體排開的液體的體積有關(guān)。

通過以上的實驗設(shè)計、數(shù)據(jù)分析、理論解釋等思考過程，學(xué)生不僅能夠運(yùn)用所學(xué)物理知識解決復(fù)雜的實際問題，而且有效提升了自身的解決問題能力和科學(xué)探究素養(yǎng)。

（四）經(jīng)歷真實困境，培養(yǎng)“改進(jìn)有辦法”的交流意識

在遇到真實困境時，學(xué)生不應(yīng)選擇退縮不前而應(yīng)燃起斗志勇往直前。而這就需要學(xué)生能有克服困難的勇氣并具備解決問題的能力。對此，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷真實困境，直面真實問題，并運(yùn)用已有的知識解決新問題。

在“探究浮力大小與哪些因素有關(guān)”這個實驗中，學(xué)生的真實困境是如何甄別他們認(rèn)為的影響浮力大小的各種因素。為此，學(xué)生應(yīng)與教師合作，共同準(zhǔn)備好必要的實驗器材。在遵循控制變量的原則下，設(shè)計一系列對比實驗，以區(qū)分哪些是真正影響浮力的因素，哪些則是非影響因素。學(xué)生設(shè)計的長方體實驗裝置（或模型）在理論上分析得非常到位。如果能將這個設(shè)計付諸實踐，學(xué)生肯定會獲得極大的成就感和滿足感。

[案例4]3D打印出一個長方體（如圖2甲），長為8 cm，高為5 cm，寬為4 cm。A面和B面的中央裝有體積很小的螺釘，這些螺釘可用于掛細(xì)繩，以便懸掛彈簧測力計。C面開有一個帶有小圓孔的蓋子，通過此蓋子可向長方體內(nèi)加入不同質(zhì)量的細(xì)沙，從而改變長方體的平均密度和質(zhì)量。

針對“物體浸入液體中的深度”這一因素，我們在此長方體上標(biāo)記了各個面的中線，如圖2乙所示。實驗時，將A面掛在彈簧測力計上，使長方體的一半體積浸入水中，浸入深度是高度的一半[b2]；隨后，將B面掛在彈簧測力計上，同樣使長方體的一半體積浸入水中，但浸入深度是長度的一半[a2]。兩次實驗中，浮力相等，因此可排除“物體浸入液體中的深度”這一因素的影響。

案例4中，將理論設(shè)計成果成功轉(zhuǎn)化為實際的實驗操作，這對教學(xué)起到了顯著的促進(jìn)作用，不僅極大地提升了學(xué)生的思維能力和科學(xué)探究素養(yǎng)，還增強(qiáng)了他們的實驗設(shè)計能力。通過這次實驗器材和實驗方法的改進(jìn)，學(xué)生解決真實問題的能力得到了顯著提高。

科學(xué)探究是物理核心素養(yǎng)的重要組成部分。在初中物理教學(xué)中，教師應(yīng)注重創(chuàng)設(shè)真實情境，激發(fā)學(xué)生提出問題的欲望，培養(yǎng)學(xué)生的問題意識；通過增加學(xué)生的實驗體驗，為他們進(jìn)行猜想提供豐富的經(jīng)驗和依據(jù)，并培養(yǎng)他們的證據(jù)意識。同時，教師應(yīng)設(shè)置真實的問題情境，引導(dǎo)學(xué)生解決問題，培養(yǎng)學(xué)生的解決問題能力與解釋意識。此外，教師還應(yīng)提供展示和評估的平臺，讓學(xué)生認(rèn)識到交流評價的意義和重要性，培養(yǎng)學(xué)生的交流意識。在科學(xué)探究過程中，教師要讓學(xué)生體驗科學(xué)探究的樂趣，感悟科學(xué)探究的方法，學(xué)會如何進(jìn)行科學(xué)探究，并逐步提升科學(xué)探究素養(yǎng)。

［" "參" "考" "文" "獻(xiàn)" "］

[1][2][3]" 中華人民共和國教育部.義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)：2022年版[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2022.

[4]" 孫龍周.指向?qū)W生科學(xué)思維的初中物理教學(xué)[J].物理教師，2023，44（5）：45-47，50.

[5]" 鄭青岳.初中科學(xué)深度備課：讓新課程的理念落地[M].上海：上海教育出版社，2023.

（責(zé)任編輯" " 黃春香）