基于科學思維的高中物理實驗教學研究

王程

高中物理學科的核心素養主要包括物理觀念和應用、科學探究和交流、科學思維和創新、科學態度和責任，而科學思維是物理核心素養中非常重要的一項內容。科學思維主要指的是人們在進行科學活動探究過程中對客觀事物真理性的生理、心理認知的過程。實驗教學是高中物理課程教學過程中的重要組成部分，對培養學生的科學思維具有重要的作用。本文通過以“電容器的電容”為例，合理設計實驗過程，以便讓學生能夠更好地理解和掌握“電容器的電容”這節內容，幫助學生科學思維能力得到提升。

一、利用生活資源創設實驗情境，培養學生建模新區

為了能夠讓學生形成良好的科學思維，教師可合理地將教學內容與學生的實際生活經驗緊密結合起來，合理設計相關的假說性、推理性和證明性的實踐活動。例如，在進行“電容器的電容”內容教學時，老師可全面了解學生的認知，積極開展物理實驗探究，讓學生的建模欲望能夠被充分激發出來，從而促使學生形成良好的科學思維。首先，讓學生認真思考實際生活中與平行板電容器相關的物品，構建問題化情境，這樣借助生活資源來引出電容器的概念，再開展充電、放電的實驗過程，充分激發學生的建模欲望;其次，創設良好的實驗情境。我們可以通過將感應起電機的兩個電極分別與平行板電容器的兩極板相連接，再引導學生在實驗中轉動感應起電機，讓兩極板帶電。這樣因一個極板上的細線帶電必須全部保持水平的狀態，充分說明極板帶電，進一步展示常用的電容器和表示電容器的符號。學生在良好的課堂氛圍中便能夠直觀地感受到電容器的構造、分類、符號，認識到兩個彼此絕緣又相隔很近的導體共同組成一個電容器。

模型構建能力是把生活中的問題用物理知識概括出來。學生學習物理的過程是學習物理模型的構建，同時也是解決物理問題的過程。高中物理實驗教學要關注學生問題解決能力的培養。在教學設計和教學實施過程中重視情境的創設讓學生多動手實驗，不僅可以滿足學生操作的愿望，更重要的是可以讓學生不斷體會和嘗到“發現”和“克服困難、解決問題、獲得成功”的喜悅，從而提高興趣，增強信心，提高了學生的問題解決能力。

物理模型是對物理原形的高度抽象化和概括化，是物理學研究的重要思想方法。問題解決能力的提升能使學生思維能力有更好的發展，使學生已經具有的直觀思維向抽象思維轉化，還能夠根據已有知識進行推理和論證，使思維能力有了很大的進步;而且具有獨立性、深刻性和批判性，使學生更加樂于探究，提升學生核心素養。

二、利用小組探究實驗，引導學生大膽推理

部分老師在開展實驗教學的時候主要是由教師來進行演示，學生只是被動地觀看實驗，而學生在觀看的過程中卻無法深入感知物理實驗知識，從而制約學生的科學思維形成。因此，通過在物理實驗教學過程中讓學生采取小組的形式來進行合作探究，讓學生真正成為課堂學習的主人，這樣學生在主動進行物理知識探究的過程中不但能夠很快速地掌握推理論證的方法，而且還能夠有效增強學生的科學思維品質。

提高學生創新能力也是發展學生科學思維的重要方面。物理實驗教學在培養創新能力上有天然的優勢。實驗教學培養學生創新能力從調動興趣入手，從實驗內容、方法開始，讓學生愿意參與到實驗中去，觀察實驗現象，實驗原理的理解、數據處理過程都能培養學生的創新意識和創新能力。探究性實驗能使學生由感性的認識提高到理性的認識，由形象的思維提高到抽象的思維，使學生思維得到訓練，能培養學生嚴謹務實的科學態度。

在“電容器的電容”這個實驗教學中，我們可先將學生合理地分為幾個小組，再讓各個小組的學生主動去探究認識電容器的方法，而往往學生的創造力是無窮的。比如，有的小組的學生通過自主探究，發現認識電容器的方法可先找一個高壓電容器充電后，再將電容器的兩極短接，這樣在短接放電的瞬間便可以擊穿空氣發出巨大的聲響;有的小組學生在進行合作探究的時候，將一個塑料材質的紙簍內外分別貼上一層錫箔紙，將其做成為一個簡陋的電容器，讓感應起電機使之帶電，再移去起電機，將紅黑兩根引線短接，這時便會聽到“啪”的一聲脆響;還有的小組學生在合作的時候選擇適用兩個金屬餐盤，并在兩個金屬餐盤的中間墊上一層紙，從而讓其組合成為簡單的電容器。這時再在餐盤上放置感應起電機的一根引線，通過搖動起電機讓其充電。這個小組的學生再將起電機移開，而這時學生的手在接觸到餐盤的時候會產生電擊感。但是，當先放置一個餐盤之后再搖動起電機，當手在接觸到餐盤的時候并不會產生電擊感。然而，這時再將紙和另外一個餐盤放在一起的時候則會出現電擊感;還有一個小組的學生在進行實驗探究的時候將感應起電機的一個菜頓瓶拆下來，再認真地觀察菜頓瓶的構造;還有一個小組的學生在合作探究時通過現場拆解紙質的電容器，并使用油浸紙和錫箔紙現場制作紙質的電容器。

上面各個小組合作探究的過程主要就是通過放電、電擊感等現場來認識電容器存儲電荷的本質。這樣學生能夠更加直觀清晰地認識到電容器的構造，并將電容器抽象成為兩個彼此絕緣且又相距很近的導體。但是，學生在合作探究時常常會忽略電容器的本質特征，所以需要教師結合教學內容科學的引導學生構建重要的物理模型。

三、鼓勵學生進行創新實驗，培養學生創新思維能力

現在的中國是一個創新大國，并且在不斷地發展中，要想獲得更加豐碩的成果，就需要擁有一大批具有創新思維的人才為之付出努力，而青少年就是最大的來源之一。學生作為一個獨立的、簡單的人，擁有巨大的可開發性，培養創新型人才是當前高中物理課程教學中非常重要的一個目標，而為了完成這個目標則應該引導學生學會質疑，促使學生在不斷創新的過程中形成良好的思維品質。因此，教師可在物理課堂的教學過程中引導學生積極創新物理實驗，讓學生能夠在質疑和創新活動中進行更加深入地科學探究，從而有效增強學生的科學思維能力。

例如，在“電容器的電容”這節課的教學過程中，當學生在探究影響電容器電容的因素的時候，我們可以讓學生在實驗過程中進行一些拓展學習，這可以有助于學生形成良好的科學思維能力。為了在這個實驗中培養學生的科學思維能力，教師則可以先讓學生將測量電壓的儀器換為靜電計，并給學生提出相關問題：“靜電計指針偏角大小可不可以推知電容器兩極間電勢差的大小？為什么靜電計指針偏角可以反映電勢差呢？”學生通過創新實驗來進行分析的時候，便能夠明白靜電計中間的金屬球、金屬桿和金屬指針等組成部分，而外部則是一個與底座絕緣的金屬圓筒，圓筒底部的接線柱便應用于接地或者是與其他導體相連接;絕緣套筒直接將金屬桿和金屬圓筒隔開，這時的靜電計則組合成為了特殊的電容器。同時，外部的金屬圓筒與內部金屬球、金屬桿、金屬指針共同組合的導體能夠作為電容器的兩極，而金屬指針則能夠繞水平軸自由轉動，從而促使學生在創新實驗過程時形成良好的物理思維。

在學生開展“靜電計的接入影響電容器電荷量嗎？”這個實驗的時候，如圖1，我們可將電容器的電壓設置為U1，靜電計的電壓為U2，這兩者在相互連接之后所形成的等效電容器的電壓設置成為U，而這樣將電容器和靜電計相聯則好像是將兩個電容器并聯起來，而電勢差卻呈現出相同的情況，這便是靜電計之所以能夠測量電容器電壓的重要原因，所以得出公式U=U1=U2。同時，在設未接靜電計之前，如果將電容器的帶電量設置為Q，而這時再接入靜電計的時候則會導致部分的電荷Q2會被轉移到靜電計上，而電容器的帶電量減少設置為Q1，所以電容器和靜電計則組合成為獨立的系統。通過這個實驗創新的過程可以將電容器和靜電計并聯之后的等效電容推導出來，即C=C1+C2。學生通常在創新性的物理實驗中能夠形成良好的科學思維，有效增強學生的物理核心素養。

教師要鼓勵和引導學生質疑所學知識，加強問題分析，從中找出原因，從而培養其創新能力。若學生提出和教學內容無關的問題，要引導學生回歸課本內容，并表揚其主動提出問題的行為;反之，若教師批評此類行為，而且沒有告知其問題偏差在哪里，將會逐漸影響學生主動發問的興趣，降低學生學習的積極性。教師要改變傳統的教育質量評價觀，鼓勵學生創造性地學習，讓學生不固定在圈子里，鼓勵學生的創造性行為，引導、幫助、鼓勵學生主動獨立地發現問題、處理問題和解決問題。

實驗教學目標在于全面培養學生核心素養，是將研究課題給學生，讓學生自己設計實驗方案進而完成實驗。探究性實驗能充分調動學生的主動性，培養學生創造性思維，增強學生問題解決的能力。設計性實驗在實施過程中要用到力學、運動學、光學、甚至化學的相關知識以及很多基本實驗原理，對學生知識能力要求較高，設計出來的實驗方案還要進行綜合評估和考慮。一些實驗要經過多次探討、多次修改甚至多次失敗才能找到最佳的方案。這個過程是學生知識和能力的大遷移，能極大地培養學生的各種實驗能力，全面提升學生核心素養。

探究性實驗教學中，學生要經歷如何提出問題、如何進行假設、如何設計實驗、如何精確觀察和測量、如何深入地思考并通過分析、綜合和推理得出事物的本質和規律。在這個過程中，讓學生體驗到探究的樂趣和艱辛。需要注意的是，教師的身份是引路者，不能輕易幫助學生去解決他們自己通過發揮主觀能動性能解決的問題教師可以通過啟發和引導，幫助學生提供所需的參考資料和器材等，對學生的方案和結果進行研究和評價，對學生取得的階段性成果予以肯定。

總之，物理實驗教學是高中物理課堂教學的重要組成部分，也是培養學生科學思維能力的一種非常重要的方法。因此，為了能夠有效鍛煉學生的科學思維，教師應該組織學生積極開展物理實驗活動，引導學生積極進行物理建模、物理知識推理、論證和質疑，這樣才能夠有效提升高中學生核心素養的形成和發展。