基于“科學探究”素養的物理課堂實驗教學設計

夏泳

(杭州市余杭中學 浙江 杭州 311121)

浙江省物理教研員、中學物理特級教師梁旭老師曾指出：“物理課堂教學中，教師要達成心中有學生，腦中有結構，手中有方法3個要求．”結合自身的課堂教學實踐，筆者深刻地體會到這3個要求是分層級的，其中“手中有方法”是課堂教學的基礎性要求，“腦中有結構”是課堂教學的系統性要求，“心中有學生”是課堂教學的本質性要求．

在物理課堂實驗教學中，“心中有學生”同樣應放在最本質的位置，不能將課堂實驗作為教師的一項展示、表演活動，錯誤地認為學生只要看了實驗，或做了實驗，就能明白其中的物理原理，就獲得核心素養了．

如何才能在課堂實驗中落實好“心中有學生”這個教學的本質要求，筆者基于物理學科核心素養，在實驗的教學設計上做了初步的實踐和反思，獲得了一些啟示．筆者認為，物理課堂實驗教學設計應基于物理學科核心素養中“科學探究”的幾個關鍵要素來設計，筆者將其歸納為“現象，證據，思辨”三部分．

具體來說：現象是指教師創設直觀、穩定的物理實驗情境，誘發學生提出問題，形成猜想或假設；證據是指學生為驗證自己的猜想或假設，去設計新實驗、改造原實驗，通過已學的手段或老師幫助下的手段，獲取和處理信息，形成有力的證據；思辨是指學生通過獨立思考或合作交流對獲取的證據進行分析論證，證實、完善或推翻自己原有的猜想、假設，形成結論，甚至誘發新的探究．

課堂實驗中，如果能沿著現象、證據、思辨這條線索，設計好符合實驗知識序、學生認知序的教學腳本，就能讓學生在課堂實驗的探究中進入深度思考，無形中獲取物理學科的核心素養，達成學為中心的教學要求．

下面，筆者以“牛頓第一定律”中的幾個課堂實驗為例，具體闡述如何開展基于“科學探究”素養的物理課堂實驗教學設計．

1 伽利略的理想斜面實驗

1.1 現象誘發問題

教師用繩子拉桌面上的小物塊，一拉，物塊移動，停止拉，物塊馬上也停下，反復幾次．

師：物塊的運動是否需要力來維持？說說你的理由？

(學生猜想：有的認為需要，理由是基于對實驗的觀察；有的認為不需要，理由是因為桌面摩擦力對物塊的影響，物塊才停下來，如果沒有摩擦力，物塊不會停下來．)

教師肯定學生們的各種猜想和解釋，并介紹亞里士多德在2 500年前，也是基于觀察提出了運動需要力來維持的觀點．

1.2 尋找各類證據

(1)經驗和理論證據

師：認為物體的運動不需要力來維持(因為摩擦力影響了它的運動)的同學，請你們尋找一些證據，來證明自己的觀點．

學生提出的證據：1)科幻電影中，宇航員一旦有一個速度離開空間站，就會一直沿速度方向運動下去．2)如果減小摩擦力，比如冰壺或滑冰運動，冰壺和滑冰運動員只要有一個較小的初速度就能滑得很遠．3)月球沒有力推它，但一直在繞著地球轉……

師補充：400多年前，科學家伽利略也提出了自己的證據，他認為，在不考慮其他因素的影響下，小球滾下斜面是加速，滾上斜面是減速，所以在水平面上，小球既不加速，也不減速，可以一直按原有的速度運動下去．

(2)實驗證據

師：和亞里士多德的證據一樣，我們提出的這些證據都只是我們對日常生活的觀察和分析得到的，并不是真正的實驗證據．我們能設計一個實驗方案，找到更有力的證據嗎？

學生設計的實驗方案：設計一個很長很長的摩擦力可忽略不計的軌道(比如氣墊導軌)，給滑塊一個很小的初速度，滑塊可以在軌道上一直運動下去．

師追問：軌道要多長才夠長？氣墊導軌真的沒有摩擦力或阻力嗎？現實實驗條件中，能實現嗎？

生：軌道要無限長，氣墊導軌也還是存在對滑塊的阻力的，現實條件下，這個實驗是做不到的．

師追問：無限長和無阻力，在現實條件下確實是做不到的，那我們能否用嚴密的邏輯對自己的實驗做一定的推理呢？

生：設計一個10～20 m的大型直軌道，讓一個小球以相同的初速度從軌道一端出發，多次實驗，逐漸減小摩擦力，可以發現小球越滾越遠．可以推理出，摩擦力無限小時，小球能沿著軌道一直運動下去，不停下來．

師追問：這個推理依據對比的思想，非?？茖W，但還有兩個問題要解決．一是小球每次相同的初速度如何獲得？二是10～20 m的直軌道夠不夠長？同時，這么大的軌道在教室里實驗也很不方便．有解決方法嗎？

生：相同的初速度可以通過彈射器，用相同的壓縮距離來彈射獲得，或者讓小球從斜面的同一高度滾下來獲得．(軌道的長度問題不一定想得到解決方案．)

師補充：大家的實驗方案都充滿了智慧，讓我們來看看400多年前，伽利略用了什么方法來設計這個實驗的．

教師拿出伽利略的雙斜面實驗儀器，一邊演示一邊講解．

師：伽利略也采用了讓小球從斜面的同一高度下滑的方法來獲得相同的初速度．但在解決直軌道的問題上，伽利略巧妙地設計了一個對接的雙斜面軌道結構，如圖1和圖2所示，當小球從左側軌道的一端某一高度滾下時，通過對比實驗，可以推理得到，在完全沒有阻力的情況下，小球能到達右側斜面的相同高度處．在此基礎上，如果減小右側斜面的傾角，小球還是能到達右側斜面的相同高度處，但向前運動的距離比之前遠了，依次類推，如果繼續減小右側斜面的傾角，小球會運動得更遠，那么可以推理得，如果將右側斜面傾角減為零(即水平)，小球會不斷向右運動下去．

圖1 伽利略雙斜面實驗示意圖

圖2 伽利略雙斜面實驗實物圖

1.3 思辨形成結論

師：伽利略的實驗你們怎么評價？是否合理？是否可信？

生：伽利略的實驗有一部分是實際條件下能做出來的，還有一部分是推理的．從邏輯上來說，推理部分符合初中學的能量守恒的觀點，也符合邏輯關系，雖然不能真正看到完全無阻力的情況下，小球一直滾下去的情景，但對結論的推理可信度很高．

師補充：伽利略的這種研究方法我們可以歸納為“實驗研究+科學推理”，我們可以在以后的科學研究中應用這樣的方法．

師：基于以上討論，你現在的結論是什么？

生：物體的運動不需要力來維持．

1.4 案例小結

在現象、證據、思辨的實驗教學設計中，教師的每一個問題都要基于學生的認知訴求，不能跳躍，要給學生認知鏈的生成創造空間和連接點，同時，還可以將物理學家的研究思路融入其中，讓學生經歷或重演大師們的實驗研究過程．證據的尋找是整個實驗教學設計的關鍵，在這個案例中，證據可分為理論經驗證據和實驗證據兩類，都要讓學生充分地去經歷，不能省略．

2 慣性的應用系列實驗——以“如何從羽毛球筒內取出羽毛球”為例

2.1 現象誘發問題

教師拿出一筒羽毛球，打開兩端的蓋子，筒里面只放了一個羽毛球，如圖3所示．教師假裝用手伸進筒里去拿羽毛球，但球在筒的中間，教師的手又太大，拿不到羽毛球．

圖3 羽毛球筒

師：請問大家，有什么辦法可以將羽毛球從球筒的中間拿出來，但不要損壞這個球筒？并簡單說說你采用這個方法的理由.

學生提出很多方法：(1)用力甩一下球筒，理由是靠“甩力”、離心力．(2)豎直拿球筒，上下震動，或者水平拿球筒，左右震動，理由是羽毛球的慣性．(3)一手握住球筒，另一只手用力多次拍打球筒的其中一個蓋口，理由是羽毛球的慣性或者打羽毛球時的經驗．(4)沿筒的方向快速移動筒，突然停止，反復幾次，理由是羽毛球的慣性．

2.2 尋找事實證據

(1)表象的證據

師：大家的方法都不錯，但究竟可不可行，你們的理由是否正確，我們要如何驗證呢？

生：拿羽毛球筒和羽毛球試一下就知道了．

教師同意學生的想法，讓學生用各自的方法動手實驗．結果，有的學生成功了，有的學生多次嘗試，都失敗了．

(2)本質的證據

師：有的同學成功，有的同學失敗，但你們知道自己成功或失敗的真正原因嗎？你們之前的理由是否科學，能驗證嗎？

生：還是沒有找到真正的原因．

師：既然如此，你能設計一個實驗方案，來發現方法背后的原理嗎？

學生思考，提出方案：將羽毛球筒做成透明的，這樣，就能觀察到羽毛球在里面的運動情況了．

教師肯定學生的方案，拿出透明的羽毛球筒，如圖4所示，再次讓學生們實驗、觀察．

圖4 透明的羽毛球筒

2.3 思辨形成結論

師生討論，分析得出幾種方法的可行性和原理：

(1)用力甩一下球筒，這個方法可行，屬于離心現象，學生還沒學過，但生活中有離心運動的經驗，能大致理解，不再多加解釋，等以后學了圓周運動再來具體分析．

(2)豎直拿球筒，上下震動，或者水平拿球筒，左右震動，這個方法不可行，因為羽毛球在上下或左右震動的過程中，雖然由于慣性，相對球筒有運動趨勢或有微小的運動，但因為往復的頻率太快，這種相對運動趨勢或運動被抵消，羽毛球幾乎在原位置不動．

(3)一手握住球筒，另一只手用力多次拍打球筒的其中一個蓋口，這個方法也可行，因為在拍打球筒蓋口的時候，球筒產生一個沿拍打方向的速度，而羽毛球由于慣性，仍保持不動，所以球就相對于筒向拍打的那個蓋口方向運動了一段距離，這樣多次拍打后，球就從拍打的蓋口出來了．

(4)沿筒的方向快速移動筒，突然停止，反復幾次，這個方法也可行，因為移動筒時，羽毛球跟著筒一起運動，筒突然停下時，羽毛球由于慣性要保持原有的速度運動，因此還會繼續相對于筒向筒口運動一段距離，反復幾次后，羽毛球就可以出來了．

師：通過研究，我們在解決這個問題時，主要利用了什么？

生：羽毛球的慣性．

師補充：不錯，我們利用了多種運動形式，讓羽毛球的慣性發揮作用．

2.4 案例小結

這是一個基于問題解決的實驗教學設計，尋找的證據分為表象證據和本質證據，這也是很多學生在實驗研究中特別容易忽視的問題，學生往往在找到表象證據后，就認為問題已經解決，得出了粗淺的結論，其實這離問題的本質還有一段距離，需要進一步尋找證據，才能真正認清原理，這也是教師在實驗教學設計中要特別關注的．

綜合上述兩個案例，筆者認為，基于“現象、證據、思辨”的物理課堂實驗教學設計總是站在學生的角度去思考和設計的，有利于培養學生深度思考、主動參與、敢于創新的科學品質，也值得教師在教學實踐中去進一步探索和嘗試．