提升高中生物理證據(jù)意識的教學(xué)實踐

1引言

物理學(xué)科核心素養(yǎng)要素“科學(xué)探究”的“證據(jù)”，是科學(xué)探究過程中材料、數(shù)據(jù)和原有認知的總稱.“證據(jù)”是構(gòu)成“科學(xué)探究”的核心要素之一，貫穿物理實驗教學(xué)所有環(huán)節(jié).物理實驗教學(xué)中，教師要注重培養(yǎng)學(xué)生證據(jù)意識，以落實核心素養(yǎng)目標.以人教版“向心力”教學(xué)為例，構(gòu)建以“證據(jù)”為核心的教學(xué)課堂，突破“向心力表達式”教學(xué)難點，進一步強化學(xué)生的證據(jù)意識.

2創(chuàng)設(shè)熟悉情境，提出科學(xué)問題

情境有多種表述方式，物理學(xué)科教學(xué)情境是為了解決特定主題，通過提供感性材料引起學(xué)生注意、明確學(xué)習(xí)方向和激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，運用數(shù)據(jù)、圖片、圖表、文字、活動和實驗等一種或多種方式的呈現(xiàn)總體.教學(xué)情境設(shè)置需貼近生活，既要具備“熱度”，也要富有“深度”.教師若能充分挖掘情境價值服務(wù)實驗教學(xué)，就能助力學(xué)生進行知識構(gòu)建、提高課堂效率，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力.向心力教學(xué)以家用電器洗衣機的脫水缸脫水原理創(chuàng)設(shè)情境，能為學(xué)生提供感性材料，有利于學(xué)生構(gòu)建向心力概念，探究向心力方向.

首先，教師運用PPT呈現(xiàn)洗衣機圖片，從學(xué)生熟悉的生活家用電器入手，迅速引起學(xué)生興趣，

問題1洗衣機脫水桶轉(zhuǎn)動快慢影響衣物脫水的效果嗎？猜測的依據(jù)是什么？如何找尋證據(jù)驗證你的猜想？

然后，教師鼓勵學(xué)生運用網(wǎng)絡(luò)或根據(jù)生活經(jīng)驗尋找證據(jù)驗證猜想，培養(yǎng)學(xué)生證據(jù)意識.

有學(xué)生查詢洗衣機脫水工作原理，驗證猜想結(jié)論.也有學(xué)生模擬洗衣機脫水原理，設(shè)計實驗進行驗證.有學(xué)生去除底部并在瓶身打滿小孔的廢棄礦泉水瓶，在其中放入浸水的帕子充當需脫水的衣物，用手控制瓶身轉(zhuǎn)動的快慢.觀察瓶子轉(zhuǎn)動與溢水快慢的關(guān)系，尋求證據(jù).學(xué)生動手的過程中，提升了證據(jù)意識.

問題2衣物隨脫水桶一起做圓周運動時，衣物上水滴受到哪些力的作用？

問題3 物體做勻速圓周運動需要哪些條件？

3提出猜想假設(shè)

猜想是通過觀察、分析和歸納等對未知現(xiàn)象的規(guī)律或原因做推測性或假定性說明.猜想假設(shè)是培養(yǎng)學(xué)生證據(jù)意識的關(guān)鍵環(huán)節(jié).學(xué)生要敢于依據(jù)實驗、觀察，提出猜想假設(shè)，激發(fā)學(xué)習(xí)物理的內(nèi)生動力.探究“影響向心力大小的因素”時，教師需要引導(dǎo)學(xué)生猜想假設(shè)，驗證，進而找出影響向心力大小的因素，為構(gòu)建向心力表達式奠定基礎(chǔ).

問題4 物體做勻速圓周運動時，哪些因素能改變向心力大小？

學(xué)生甲 與所處的位置有關(guān).

學(xué)生乙 與線的長短有關(guān).

鼓勵學(xué)生對圖1實驗器材進行改進或利用向心力演示儀，對猜想設(shè)進行驗證，知道改變向心力大小的因素以及向心力大小與這些因素的定性關(guān)系.

問題5向心力大小與半徑、角速度和線速度之間有怎樣的定量關(guān)系呢？

4設(shè)計實驗方案

實驗方案設(shè)計是運用已學(xué)原理和知識，對實驗?zāi)康?、原理和實驗步驟進行設(shè)計，確保實驗有序?qū)嵤?探究過程中，要發(fā)揮學(xué)生的“主體”作用，設(shè)計合理的實驗方案，能保證實驗正常進行，培養(yǎng)學(xué)生規(guī)劃能力，同時形成尊重科學(xué)、尊重實驗和尊重證據(jù)的科學(xué)態(tài)度.實驗方案設(shè)計要根據(jù)猜想假設(shè)確定需要測量的物理數(shù)據(jù)或信息，選擇適合的實驗方法，形成實驗指導(dǎo)原理，選擇或制作實驗器材，設(shè)計實驗步驟.鼓勵學(xué)生討論，反復(fù)修正實驗方案，最終形成可行方案，指導(dǎo)實驗進行，也是培養(yǎng)學(xué)生證據(jù)意識的一種途徑.向心力表達式的構(gòu)建需要探究向心力大小與各物理量之間的定量關(guān)系，從而設(shè)計實驗方案.

實驗?zāi)康?探究向心力大小與半徑、角速度、質(zhì)量的關(guān)系.

問題6 在實驗中，需要測量哪些物理量呢？如何測量？

問題7 需要準備哪些實驗器材？

學(xué)生根據(jù)分組，進行研討、制定實驗方案.對制定的實驗方案進行可行性分析，然后修正，形成有依據(jù)、可操作的實驗方案.

學(xué)生通過實驗?zāi)軌虬l(fā)現(xiàn)，向心力演示器只能測出向心力與各因素之間半定量的關(guān)系，不能準確測量向心力與各因素之間的定量關(guān)系.為實現(xiàn)探究向心力與各因素之間定量關(guān)系的目標，教師應(yīng)鼓勵學(xué)生對實驗儀器進行改裝，然后實施實驗.

方案設(shè)計階段，教師需及時引導(dǎo)學(xué)生，進行綜合評價，有效提升學(xué)生的科學(xué)探究能力.將“證據(jù)”意識貫穿實驗方案設(shè)計過程，讓學(xué)生對已有知識進行綜合運用，培養(yǎng)學(xué)生證據(jù)意識，提升學(xué)生的科學(xué)探究能力，促進學(xué)生核心素養(yǎng)的提高.

5 實驗數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析是根據(jù)實驗采集的數(shù)據(jù)運用邏輯、數(shù)學(xué)等方法對文字、表格以及坐標圖像等方式進行分析、整合，概括數(shù)據(jù)間的規(guī)律，最終發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律的方法.數(shù)據(jù)分析中，結(jié)論的得出，要建立在證據(jù)的基礎(chǔ)上.

學(xué)生處理實驗采集的數(shù)據(jù)，得出結(jié)論，是一個充滿艱難險阻的過程.

問題8通過數(shù)據(jù)處理，向心力大小跟半徑滿足怎樣的關(guān)系？如何得到這種關(guān)系？

各組代表交流發(fā)言（各組獲得結(jié)論的方法可能不一樣，有的小組能夠獲得支撐結(jié)論的一條證據(jù)，有的小組能夠獲得多條證據(jù)）

演示處理 以甲組記錄“向心力大小與半徑的關(guān)系”實驗數(shù)據(jù)為例.

通過觀測發(fā)現(xiàn)，向心力大小隨半徑大小均勻增加；設(shè)置橫軸為半徑 （r） 、縱軸為向心力 （F_n） ，將數(shù)據(jù)導(dǎo)人坐標系，形成散點圖，觀察坐標點分布特點，通過觀測，發(fā)現(xiàn)坐標點基本分布在同一直線上；運用Excel進行擬合發(fā)現(xiàn)， F_n-r 圖像是一條傾斜的直線.

學(xué)生通過對實驗數(shù)據(jù)進行處理、交流、解釋的結(jié)論作為總結(jié)“向心力大小跟半徑的關(guān)系”的證據(jù)：根據(jù)以上三個證據(jù)，得出：做勻速圓周運動的物體，向心力大小跟運動半徑成正比，記作 F_n∝r ：

問題9通過探究\"向心力大小跟半徑的關(guān)系”的過程，你能用類似的方法尋找?guī)讉€證據(jù)支持你已總結(jié)的關(guān)于“探究向心力大小跟質(zhì)量的關(guān)系”結(jié)論嗎？請完善證據(jù)，交流意見.

學(xué)生在探尋“探究向心力大小跟質(zhì)量的關(guān)系”結(jié)論的證據(jù)時，增強了證據(jù)意識，培養(yǎng)了學(xué)生嚴謹?shù)目茖W(xué)探究態(tài)度.

各組代表進行交流發(fā)言、總結(jié).有的小組在原來的證據(jù)基礎(chǔ)上，又取得新的證據(jù)；有的小組分享方法；也有的小組分享心得.

學(xué)生展示實驗數(shù)據(jù)，交流獲取證據(jù)的過程，總結(jié)向心力大小與質(zhì)量的關(guān)系.

通過初步觀測，向心力大小與質(zhì)量大小呈正比關(guān)系；設(shè)置橫軸為質(zhì)量 η（m） 、縱軸為向心力 （F_n） ，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入坐標系，形成散點圖分布圖，觀察發(fā)現(xiàn)坐標點基本分布在同一直線上；將數(shù)據(jù)運用Exce1對散點圖進行擬合，生成 F_n-m 圖像，發(fā)現(xiàn)是一條傾斜的直線.

“向心力大小與質(zhì)量的關(guān)系”的結(jié)論：基于數(shù)據(jù)和圖像形成的證據(jù)，做勻速圓周運動的物體，向心力大小跟物體質(zhì)量成正比，記作： F_n∝m

問題10運用處理向心力大小與半徑、質(zhì)量關(guān)系的方法，能否得到向心力大小與角速度的關(guān)系？（突破向心力大小與角速度的關(guān)系，是本節(jié)內(nèi)容數(shù)據(jù)處理的難點）

學(xué)生根據(jù)記錄的實驗數(shù)據(jù)，進行處理發(fā)現(xiàn)，向心力大小隨角速度增大而增大，且增加的幅度越來越大；建立坐標系，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入坐標系，形成散點圖，坐標點沒有分布在同一直線上；用光滑曲線進行擬合，F(xiàn)_n-ω 圖像不是一條傾斜的直線.

結(jié)論：通過掌握證據(jù)，只能得出向心力隨角速度增大而增大.

學(xué)生交流獲取證據(jù)的方法以及遇到的問題，根據(jù)已有的方法不能得出實驗結(jié)論.

教師對比進行干預(yù)，作出綜合評價，引導(dǎo)學(xué)生觀察.

6向心力表達式的構(gòu)建

從一個或幾個已知判斷得出另一個新判斷的思維過程就是推理.基于證據(jù)進行綜合分析推理，能增強學(xué)生的科學(xué)推理能力，是促進學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)養(yǎng)成的重要途徑.向心力表達式的構(gòu)建是在明確向心力大小與半徑、角速度、質(zhì)量之間關(guān)系的基礎(chǔ)上，類比牛頓第二定律表達式的構(gòu)建思想，進行類比推理，讓學(xué)生易于理解，便于應(yīng)用，

討論回顧 回顧加速度與物體受到的作用力、加速度與物體質(zhì)量的關(guān)系時總結(jié)出牛頓第二定律表達式的思想和方法.

學(xué)生回顧相關(guān)知識后交流發(fā)言：通過處理加速度與物體受力關(guān)系實驗數(shù)據(jù)，得： a∝F ；通過處理加速度與物體質(zhì)量的關(guān)系的實驗數(shù)據(jù)，得：

對以上實驗結(jié)論進行整合，則： ;整理得：F=Kma ，查閱資料，根據(jù)國際單位制，知 K=1 ，因此 F=Kma 表示為 F=ma ，該式為牛頓第二定律的表達式.

問題11在探究向心力大小與半徑、角速度、質(zhì)量的關(guān)系實驗中，通過對實驗數(shù)據(jù)進行處理，已經(jīng)知道向心力與各要素之間的關(guān)系，通過構(gòu)建牛頓第二定律的方法，你有什么發(fā)現(xiàn)？

學(xué)生交流通過處理向心力大小與半徑、角速度、質(zhì)量的實驗數(shù)據(jù)，已經(jīng)知道： F_n∝r，F(xiàn)_n∝ω² ，

FOc m.

通過類比牛頓第二定律表達式的邏輯推理方式，對影響向心力大小的三個因素數(shù)據(jù)處理結(jié)論進行整合得： F_n∝mω²r ，變形為等式： F_n=Kmω²r ，由國際單位制知 K=1 ，因此做勻速圓周運動的物體，向心力表達式為： F_n=mω²r ：

通過類比構(gòu)建牛頓第二定律的方法對向心力與各物理量關(guān)系進行邏輯推理，進而突破教學(xué)難點，培養(yǎng)學(xué)生邏輯分析和邏輯推理能力，通過證據(jù)構(gòu)建向心力表達式，使學(xué)生獲得成功喜悅，促進學(xué)生對證據(jù)意識的重視，發(fā)展學(xué)生科學(xué)探究能力，落實核心素養(yǎng)目標.

7結(jié)語

在教學(xué)實踐中培養(yǎng)學(xué)生證據(jù)意識，提升學(xué)生科學(xué)探究能力，升華學(xué)生對物理知識的理解和運用，促進學(xué)生形成核心素養(yǎng)，是發(fā)展關(guān)鍵能力的有效途徑.證據(jù)意識貫穿于物理教學(xué)的各個環(huán)節(jié).教師在教學(xué)設(shè)計的過程中，要立足于學(xué)生實際，以“以學(xué)生為中心”為出發(fā)點，突出學(xué)生“主體”地位，引導(dǎo)學(xué)生基于證據(jù)進行理性推理.同時，教師發(fā)揮“主導(dǎo)”作用，及時給予學(xué)生多元化的評價，對學(xué)生進行肯定和指導(dǎo)，激發(fā)學(xué)生對學(xué)習(xí)的內(nèi)生動力.

參考文獻：

[1]湯在武.例析物理教學(xué)中的歸納策略和探究策略[J].中學(xué)物理，2012，30（10）：55-56.

[2」張士偉，周連鵬.基于高考評價體系的高考物理試題情境化分析[J].物理之友，2024（02）：77-81.

[3]何倩梅.高考評價體系下高中物理試題情境分析—以近兩年高考試題為例[J].中學(xué)教學(xué)參考，2024（05）：38一40+63

[4]教育部考試中心.中國高考評價體系說明[M].北京：人民教育出版社，2019.

[5]施良方.課程理論：課程的基礎(chǔ)、原理與問題[M.北京：教育科學(xué)出版社，2020.

[6]杜倩.高中物理實驗設(shè)計教學(xué)策略研究[D].曲阜：曲阜師范大學(xué)，2012.

[7」孫梅.淺議物理實驗中數(shù)據(jù)分析法的應(yīng)用[J].物理教師，2017，38（06）：50-52.

[8]李鴻彬.推理論證的邏輯性違悖與缺失例析[J].物理教師，2017，38（10）：25-27.

[9]江險峰.基于科學(xué)論證素養(yǎng)提升的高中物理教學(xué)設(shè)計一以“靜摩擦力”教學(xué)為例[J].物理教師，2024，45（02）：27—31.