淺談初中物理實驗教學中科學探究能力的培養
——從深圳市2020年中考物理實驗題說起

賀桐杰 楊 明 王 健

(1. 廣東省深圳外國語學校，廣東 深圳 518028；2. 廣東省深圳市南山區第二外國語學校，廣東 深圳 518054)

科學探究能力是指基于觀察和實驗提出物理問題、形成猜想和假設、設計實驗與制定方案、獲取和處理信息、基于證據得出結論并作出解釋，以及對學科探究過程和結果進行交流、評估、反思的能力。[1]2020年深圳市中考第32(2)題是一道開放式探究題，通過實驗器材的選擇和實驗設計來考查學生的科學探究能力，切合物理課程改革理念。

1 試題分析及答題中常見問題

1.1 試題呈現

有兩塊邊長均為4cm的無色透明的正方體玻璃，一塊是普通玻璃(密度為2.5×103kg/m3)，另一塊是有機玻璃(密度為1.18×103kg/m3)。請你選用所需題材，設計一種方案；在不損壞玻璃的原則下區分他們。實驗器材：托盤天平、海綿、細線、大燒杯、刻度尺、濃鹽水(密度為1.3×103kg/m3)。請將所選器材、操作方法和現象及結論填入下表(方案不能與示例相同)。

實驗器材操作方法現象結論示例托盤天平將兩塊玻璃分別放在調節好的天平的兩個托盤上天平一端下降下降的一端放的是普通玻璃你的方案

1.2 試題分析

試題從器材選擇到實驗操作、實驗現象、得出結論等多角度考查學生的實驗探究能力，區分兩塊密度不同、體積相同的玻璃的基本思路是通過比較兩者的質量或所受重力，物理原理是m=ρV或G=mg=ρVg。在此基礎上，實驗設計方案可以多樣化，試題解答示例就是通過比較兩塊玻璃的質量來進行區分的。試題涉及的原理簡單，但實驗設計思路卻很廣，給了學生自由發揮的空間，考查了學生的創新思維和科學探究能力，表1列出了8種實驗方案。這8種方案中雖然操作方法與實驗現象不相同，但其設計思路是相通的，即比較兩塊玻璃的質量或所受重力，學生在解答中出現的典型錯誤可以歸納為以下幾類：

表1

(1)對實驗原理或實驗器材的用途理解不清，導致實驗器材選擇與組合的錯誤。如選了濃鹽水，沒選燒杯；或認為濃鹽水不屬于實驗器材，在選擇器材時不選用。

(2)對科學方法(轉換法、控制變量法)的掌握不到位，設計實驗時不夠嚴謹。如采用溢水法時，沒有強調剛開始兩只杯子要裝滿濃鹽水；利用判斷液面高度高低的方法觀察物體浸入液體的深度時，沒有強調剛開始時兩只杯中所裝濃鹽水的高度相同。

(3)對實驗現象和實驗結論認識不清，不會準確描述實驗現象與結論。如現象和結論都寫“重的是普通玻璃，輕的是有機玻璃”，沒有描述出實驗現象；再如“高低”“凹陷”“漂”“沉”等用詞不準確。在實驗結論的描述中，沒有說明普通玻璃、有機玻璃分別是哪一塊，仍用現象加以說明。

上述問題反映了學生科學探究能力的不足，筆者針對本次考試中學生出現的問題，提出改進建議，以培養學生的科學探究能力。

2 科學探究能力的培養策略

2.1 巧設問題串，助力學生思維過渡

教師有時為了能讓學生更快地掌握考點內容，會采用“灌輸式”的演示實驗，忽視了實驗設計過程，學生在實驗中跟著教師走，形成知其然而不知其所以然的現象。從培養學生科學探究能力的角度來講，實驗教學需要循序漸進，本著“是什么”(對于實驗中的研究對象進行提問)——“為什么”(對于實驗現象、原理進行提問)——“怎樣做”(對于實驗操作方法、實驗具體步驟進行提問，以及對實驗故障的解決進行提問)——“還能怎樣”(對實驗進行改進及創新)的邏輯線索進行問題設計，[2]逐步理清實驗的來龍去脈，培養學生嚴謹的科學態度及探究能力。如在“探究阻力對物體運動的影響”實驗中，就要用一系列的問題串引起所需要的器材、實驗原理及方法(圖1)。

圖1

2.2 顯化科學方法，培養學生的科學思維能力

學生設計實驗時不嚴謹，關鍵問題就是沒有掌握實驗中的科學方法。如在采用溢水法時沒有控制變量，即控制兩只杯中裝的鹽水體積相同。在平常的實驗教學中，很多教師容易忽略了對實驗中科學方法的挖掘，如在探究“影響壓力作用效果的因素”的實驗中，為了探究壓力的作用效果和某一個因素的關系，必須控制其他因素相同，不然實驗得出來的結論就缺乏可靠性。在探究“壓力的作用效果”時，海綿的凹陷程度越大，壓力的作用效果就越明顯，利用轉換法把不好判斷的“壓力的作用效果”轉換成“海綿的凹陷程度”。再如在牛頓第一定律的教學中，把“阻力對運動的影響”轉換成“木塊滑行距離的長短”。在教學中，教師要引導學生思考：為什么要觀察小車的滑行距離長短？為什么要觀察海綿的凹陷程度？讓學生通過思考領會其深層次的原因，學生只有掌握了其中的科學方法，他們才可能舉一反三。凸顯科學方法的作用，提升科學方法的地位，引導學生掌握系統的科學方法，切實培養其科學探究能力，這是課堂教學需要深入開展的工作。[3]

2.3 注重從實驗現象到實驗結論的總結歸納

實驗現象是在實驗過程中人的感官可以直接感受到的東西，如運動狀態的變化、物體形態變化、顏色、氣味等；實驗結論是對實驗現象和實驗結果進行概括、分析、推導得出的本質屬性或規律。學生在答題中，容易把實驗結論和現象混淆，或者實驗現象描述不夠準確。教師在實驗教學中要注意讓學生用自己的語言描述實驗現象，而不是直接告訴他們，并且在歸納實驗結論的時候要注意把現象和結論統一起來，通過現象可以歸納出普遍的結論。如在“探究影響滑動摩擦力的因素”的實驗中，得出結論的時候要分步得出，由哪兩個步驟得到摩擦力的大小和接觸面的粗糙程度有關，由哪兩個步驟得到滑動摩擦力的大小和壓力的大小有關。最后總結出結論：滑動摩擦力的大小與壓力和粗糙程度有關。通過分析現象得出結論，培養了學生嚴謹的科學思維，得到的結論有理有據，這是科學探究能力的重要部分。

2.4 重視教材實驗，遷移拓展與創新

2020年深圳市中考開放式探究題可以從教材上找到原型，在教材的“探究壓力的作用效果”實驗中用的就是海綿，重的物體使海綿凹陷程度大，輕的物體使海綿凹陷程度小。如果教師在這個實驗后拓展延伸，提出問題：利用海綿我們還能做什么？讓學生充分聯想每個器材的作用，加深學生對教材實驗的認識，在學習中產生正遷移。如在“探究滑動摩擦力的影響因素”的教學中，教師可以在完成教材上的實驗后，提問：“這樣做實驗有沒有缺點？”“用彈簧測力計來拉動物體，很難保證物體做勻速運動，怎么改進呢？”通過設問的方式鼓勵學生大膽進行實驗改進和創新，理解每一步實驗的目的，發現實驗中存在的問題并想辦法解決，培養他們的科學探究能力。

2.5 變驗證性實驗為開放式探究性實驗

實驗教學方式不同，對學生提出的實驗探究能力要求也不同。如果從實驗原理、器材到實驗步驟及表格設計都是由教材或教師來確定，這種實驗教學方式不利于培養學生的探究能力。開放式探究性實驗從問題到實驗設計、再到得出結論，都由學生自主完成，能較好地培養學生各方面的能力。

在教學實踐中，教師可嘗試把一些實驗設計成開放式探究性實驗。比如，可以把“探究影響浮力大小因素”實驗設計為開放式探究性實驗。在“探究浮力的大小和浸入液體體積的關系”時，采用驗證性實驗方式，把問題和實驗器材、步驟等告知學生，讓其進行實驗，熟悉實驗方法；在“探究浮力的大小和深度的關系”時，讓學生自主進行實驗設計，層層推進。前者為學生提供了可供參考的方案，后者則讓學生在前者的基礎之上，通過自主、深化等方式提升實驗探究能力。

3 結語

初中物理實驗教學要始終將學生科學探究能力的培養貫穿于教學過程中，積極推進物理實驗教學改革。在教學實踐中，教師要通過巧設問題串、變驗證性實驗為開放式探究性實驗，通過從現象到結論的歸納、科學方法的顯化，對教材實驗進行改進，提升學生的科學探究能力，幫助學生更加深入地理解物理概念和規律，培養學生的物理學科核心素養。