基于證據(jù)意識的物理核心素養(yǎng)培育

張興龍 張羽燕 翟磊

摘? ?要

物理學科核心素養(yǎng)的培育，需要重視和引導(dǎo)學生自主實驗探究，讓學生親身經(jīng)歷質(zhì)疑、猜想、驗證、評估等全過程。同時，探究教學需要基于對學生證據(jù)意識的培養(yǎng)進行教學設(shè)計，引起學生對現(xiàn)象或數(shù)據(jù)等證據(jù)的關(guān)注。以焦耳定律一課為例，詳細闡釋如何在科學探究的整個環(huán)節(jié)中通過強化證據(jù)意識，培養(yǎng)學生的科學思維，讓學生體會到科學探究的樂趣，將物理核心素育培養(yǎng)落在實處。

關(guān)鍵詞

科學探究? 證據(jù)意識? 物理核心素養(yǎng)

要將物理核心素養(yǎng)培育落實在具體的教學行為中，就是要重視和引導(dǎo)學生自主實驗探究。學生在科學探究過程中，必須經(jīng)常面對質(zhì)疑、猜想、驗證、評估等過程，無論是哪個環(huán)節(jié)都需要以證據(jù)為基礎(chǔ)。證據(jù)意識就是在探究活動中尋求證據(jù)、分析證據(jù)、表達證據(jù)的一種科學理性能力。本文以“焦耳定律”一課[1]為例，從不同角度基于證據(jù)意識的培養(yǎng)，落實學生核心素養(yǎng)的培育。

一、以具體現(xiàn)象為證據(jù)，提出猜想與假設(shè)

焦耳定律的本質(zhì)是電流的熱效應(yīng)。雖然學生對于家庭電路中電飯煲、電吹風機等家用電器的生活經(jīng)驗比較純熟，但困難的地方在于讓學生在沒有任何提示的前提下猜想與假設(shè)，教師應(yīng)在適當情景的啟發(fā)下引導(dǎo)學生提出猜想與假設(shè)。

1.生活經(jīng)驗遷移，提出猜想

隨著天氣逐漸轉(zhuǎn)涼，部分學生已經(jīng)開始使用“暖手寶”，在物理課堂中使用暖手寶作為引課資源，結(jié)合前期所學能量轉(zhuǎn)化的知識，可以輕松得出：在暖手寶工作過程中，電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，產(chǎn)生熱量，手可以感受到暖手寶溫度的變化。學生以生活經(jīng)驗和自身習得為證據(jù)，順理成章了解到電流熱效應(yīng)的本質(zhì)，進而也就很容易猜想到下列兩個問題：

（1）產(chǎn)生熱量越多，暖手寶的溫度變化越大。

（2）暖手寶在工作時，產(chǎn)生熱量的多少與通電的時間有關(guān)。

2.實驗現(xiàn)象對比，誘導(dǎo)假設(shè)

人本主義學習理論強調(diào)教師在教學過程中情境創(chuàng)設(shè)的重要性。基于該理論，教師給學生提供一個清晰明顯的實驗現(xiàn)象，可以激發(fā)學生的學習潛能，讓學生在對比實驗現(xiàn)象的過程中，主動收集證據(jù)信息，對比提出猜想與假設(shè)。

在“猜想電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生熱量與哪些因素有關(guān)”的猜想環(huán)節(jié)中，實驗中引導(dǎo)觀察電流通過不同導(dǎo)體（即導(dǎo)線和鉛筆芯）產(chǎn)生熱量的差異現(xiàn)象（如圖1），通過現(xiàn)象差異進行對比分析、猜想除通電時間外，電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生熱量多少的其他影響因素。

學生基于“6V和16V電壓下鉛筆芯變紅程度”及“6V或16V電壓下鉛筆芯和導(dǎo)線溫度的變化情況”兩種不同的現(xiàn)象證據(jù)，可以比較明確地猜想出：

（1）通過6V和16V下鉛筆芯情況對比，可以猜想到電流通過鉛筆芯產(chǎn)生熱量的多少與鉛筆芯兩端電壓、通過鉛筆芯的電流有關(guān)。

（2）通過6V或16V電壓下，鉛筆芯與導(dǎo)線情況的對比，可以猜想到電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生熱量的多少與電阻有關(guān)。

顯然，學生以生活中獲得的經(jīng)驗為證據(jù)入手，可以初步了解電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生熱量的多少用溫度變化反映，且熱量的多少與通電時間有關(guān)。試想，如果讓學生脫離生活經(jīng)驗去憑空猜想，又怎么能體現(xiàn)物理是自然學科的學科本質(zhì)？將暖手寶中發(fā)熱電阻遷移到鉛筆芯，引導(dǎo)學生以鉛筆芯和導(dǎo)線在不同電壓下的變化情況為現(xiàn)象證據(jù)，提出適當猜想，符合學生的認知規(guī)律，同時更體現(xiàn)“能運用證據(jù)對研究的問題進行描述、解釋和預(yù)測”的物理學科核心素養(yǎng)中有關(guān)科學思維的培育。

二、以實驗數(shù)據(jù)為證據(jù)，建模得出結(jié)論

證據(jù)意識應(yīng)該是條主線，貫穿探究教學的每一環(huán)節(jié)。從入門學習就要樹立學生重證據(jù)的意識，這是培養(yǎng)學生創(chuàng)新、科學思維的基礎(chǔ)，也是現(xiàn)代社會要求公民具有的基本素質(zhì)[2]。

1.依據(jù)證據(jù)沖突，評估實驗猜想

常規(guī)教學中，教師往往借助歐姆定律模糊處理電壓對電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生熱量多少的影響。雖然以已有的物理規(guī)律為證據(jù)進行推論，但這并不符合學生的認知規(guī)律，探究“電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生熱量的多少與電壓的關(guān)系”就顯得非常重要了。

既然純電阻電路不能解釋，我們可以利用非純電阻的電動機進行實驗。實驗中將兩個完全相同的電動機串聯(lián)在6V的穩(wěn)壓電源下，將溫度傳感器固定在電動機上（如圖2）。通過觀察溫度傳感器示數(shù)變化反映電流通過電動機產(chǎn)生熱量的多少。當一個電動機轉(zhuǎn)子不動，讓另外一個電動機轉(zhuǎn)動時，電壓表的示數(shù)分別為5.5V和0.5V;歷時1分鐘，觀察并記錄兩個電動機溫度變化情況（如表1）所示。依托實驗數(shù)據(jù)，學生將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為得出結(jié)論的證據(jù)，自然可以得到：當電動機兩端電壓變化時，電流通過電動機產(chǎn)生熱量的多少是不變的。即，產(chǎn)生熱量的多少與電動機兩端電壓無關(guān)。在這個環(huán)節(jié)中依托事實證據(jù)的“物”，得到理性思維的“理”，在探究實驗過程中基于證據(jù)意識，培養(yǎng)學生的科學思維。

2.依托實驗證據(jù)，獲取定性結(jié)論

排除了電壓對電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生熱量多少的影響后，學生就可以著手進行歐姆定律實驗，自我完成實驗探究。在“探究電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生熱量的多少與電阻大小的關(guān)系”實驗中，學生結(jié)合前面已學實驗，選用裝有溫度傳感器的電阻（如圖3），設(shè)計實驗電路（如圖4）。通過學生小組實驗操作，觀察并記錄相應(yīng)的實驗數(shù)據(jù)（如表2所示）。鑒于獲得的實驗數(shù)據(jù)，依托證據(jù)意識，對比分析當電阻變化時，1分鐘內(nèi)溫度的變化情況，可以很容易得出：當I、t相同時，R越大，Q越大。

在“探究電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生熱量多少與電流的關(guān)系”的實驗中，學生設(shè)計了電路圖（如圖5）。學生以前面實驗經(jīng)驗為證據(jù)基礎(chǔ)，可以初步認識到：斷開開關(guān)后，由于定值電阻在實驗后存在余溫，溫度傳感器示數(shù)會繼續(xù)上升。所以，為了更加便捷地進行實驗，應(yīng)更換阻值相同的電阻進行實驗。通過學生小組實驗操作，觀察并記錄相應(yīng)的實驗數(shù)據(jù)（如表3）。實驗數(shù)據(jù)是學生經(jīng)歷探究實驗過程后獲得的結(jié)論依據(jù)，是實驗證據(jù)的一種體現(xiàn)形式。依托表3中的證據(jù)表征，可以很容易得出：當R、t相同時，I越大，Q越大。

3.根據(jù)證據(jù)建模，培養(yǎng)數(shù)據(jù)分析能力

教師要有證據(jù)意識才能更好地培養(yǎng)學生的證據(jù)意識。在傳統(tǒng)教學中我們往往忽視了表2和表3數(shù)據(jù)的對比分析。不妨給學生創(chuàng)設(shè)一個這樣的情景，引導(dǎo)學生觀察、對比實驗數(shù)據(jù)，以實驗數(shù)據(jù)為證據(jù)，哪個因素對電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生熱量的多少影響更加明顯？學生可以很清晰地觀察到：表2中數(shù)據(jù)顯示，當電阻從5Ω變?yōu)?0Ω時，溫度傳感器示數(shù)變化從2.2℃變?yōu)?.3℃;表3中數(shù)據(jù)顯示，當電流從0.12A變?yōu)?.22A時，溫度傳感器示數(shù)變化從2.3℃變?yōu)?.9℃。無論是電阻還是電流，近似都變化2倍，顯然電流對產(chǎn)生熱量的影響更加明顯;在學習焦耳定律時，學生已經(jīng)基本掌握了數(shù)學的函數(shù)關(guān)系，遷移數(shù)學的函數(shù)建模方法，完全可以引導(dǎo)學生深度挖掘?qū)嶒灁?shù)據(jù)背后的規(guī)律，即電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量（也就是此時的溫度變化）與電流和電阻有什么樣的函數(shù)關(guān)系？當然，這就需要學生對實驗數(shù)據(jù)進行繼續(xù)完善。實驗數(shù)據(jù)如表4、表5所示。

物理概念和定律的形成往往借助于數(shù)學工具和數(shù)學方法，物理學中的原理和定律往往是從實驗數(shù)據(jù)中抽象概括出來的。通過對探究實驗中獲取的數(shù)據(jù)進行處理，基于數(shù)學工具尋找、總結(jié)、建立物理量之間的關(guān)系。初中物理實驗數(shù)據(jù)的處理相對比較簡單和基礎(chǔ)，在教學過程中將實驗數(shù)據(jù)處理結(jié)合數(shù)學函數(shù)圖像分析，利用學生現(xiàn)有的數(shù)學水平和證據(jù)意識，引導(dǎo)學生處理相關(guān)數(shù)據(jù)建立物理規(guī)律，既引導(dǎo)學生體驗數(shù)學、物理學之間的相互聯(lián)系，更是在探究活動中培養(yǎng)學生的科學思維和科學意識。結(jié)合表4和表5數(shù)據(jù)繪制圖像，如圖6和圖7所示。從1分鐘溫度變化與電阻關(guān)系的實驗數(shù)據(jù)圖像可以看出，1分鐘溫度變化與電阻的關(guān)系類似于一次函數(shù)，也就是說電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生熱量的多少與電阻成正比。同樣，從1分鐘溫度變化與電流關(guān)系的實驗數(shù)據(jù)圖像可以看出，1分鐘溫度變化與電流關(guān)系圖像擬合后為二次函數(shù)，即最終可以得到電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生熱量的多少與電流的平方成正比。顯然，在實驗誤差允許的范圍內(nèi)，我們可以粗略地通過實驗探究的方式得到焦耳定律。

在物理學科核心素養(yǎng)的背景下，探究教學應(yīng)基于學生證據(jù)意識的培養(yǎng)設(shè)計教學，保證學生對現(xiàn)象或數(shù)據(jù)等證據(jù)的關(guān)注，通過對數(shù)據(jù)挖掘的逐步深入，促進學生證據(jù)意識的培養(yǎng)、發(fā)展和提升。因此，教師需要在學生自主實驗探究的全過程中考慮、設(shè)計、實施有利于發(fā)揮學生的證據(jù)意識的教學環(huán)節(jié)，著眼于對學生科學思維的培養(yǎng)。通過生活現(xiàn)象或物理情景引導(dǎo)學生對比、尋找現(xiàn)象間的聯(lián)系，提出有效的猜想;在實驗探究過程中，依托觀察到的現(xiàn)象和記錄到的數(shù)據(jù)進行規(guī)律的提煉甚至數(shù)學關(guān)系的建立。在科學探究的整個環(huán)節(jié)中培養(yǎng)、提升、發(fā)揮學生的證據(jù)意識。只有基于證據(jù)意識的探究教學，才是真正的探究，才能培養(yǎng)學生的科學思維，才能讓學生體會到科學探究的樂趣，才能將物理核心素養(yǎng)培育落在實處。

參考文獻

[1] 彭前程主編.義務(wù)教育教科書物理九年級（全一冊）[M].北京：人民教育出版社，2013：100.

[2] 任世江.關(guān)于深化歷史課程改革的探討[J].歷史教學（中學版），2008（09）：9-14.【責任編輯? 孫曉雯】