基于科學思維培養(yǎng)的高中物理實驗教學研究

翟長海

［基金項目］本文系2023年度河南省基礎(chǔ)教育教學研究項目立項課題“核心素養(yǎng)視角下高中生科學思維培養(yǎng)策略研究”（課題立項編號：JCJYC2306170203）研究成果。

［摘 要］在新課程、新課標、新教材全面實施的背景下，傳統(tǒng)的實驗教學模式已經(jīng)無法適應(yīng)高中物理實驗教學的要求。為了有效發(fā)揮高中物理實驗教學的育人功能，著力提升學生的科學思維水平，有效培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng)，教師需要對高中物理實驗教學進行創(chuàng)新。文章分析了物理實驗教學在學生科學思維培養(yǎng)中的重要作用、基于科學思維培養(yǎng)的物理實驗教學應(yīng)遵循的原則，并從五個方面分析了基于科學思維培養(yǎng)的高中物理實驗教學策略。

［關(guān)鍵詞］科學思維；高中物理；實驗教學

［中圖分類號］? ? G633.7? ? ? ? ［文獻標識碼］? ? A? ? ? ? ［文章編號］? ? 1674-6058（2023）35-0050-03

為進一步深化教育教學改革，充分挖掘各學科教學對全面貫徹黨的教育方針、落實立德樹人根本任務(wù)、發(fā)展素質(zhì)教育的獨特育人價值，新課程標準基于學科本質(zhì)凝練出了各學科的核心素養(yǎng)。物理學科核心素養(yǎng)由“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態(tài)度與責任”四個方面構(gòu)成。在高中物理實驗教學中，教師需要加強對學生科學思維的引導(dǎo)和培養(yǎng)，通過實驗方案的設(shè)計、實驗的具體操作、實驗數(shù)據(jù)的處理和分析等實現(xiàn)物理實驗教學的價值引領(lǐng)，進而實現(xiàn)學生科學思維的培養(yǎng)，最終助力學生物理學科核心素養(yǎng)的形成，發(fā)揮物理實驗教學的作用和育人價值。

一、物理實驗教學在學生科學思維培養(yǎng)中的重要作用

觀察、實驗與科學思維相結(jié)合是物理學科的主要特征。因此，物理實驗教學是提升學生科學思維水平的重要途徑。物理實驗需要學生親自體驗、動手動腦、分析數(shù)據(jù)、分析誤差、描述結(jié)論等，學生從中既能夠體會到真實物理情境，又能提升科學推理、科學論證和質(zhì)疑批判的能力。

（一）物理實驗教學能培養(yǎng)學生的觀察力和實驗設(shè)計能力

物理實驗教學給學生提供了觀察和動手操作的機會，能夠激發(fā)他們對物理現(xiàn)象的觀察興趣。通過觀察實驗現(xiàn)象，學生可以培養(yǎng)細致入微的觀察力，從而提高對實驗現(xiàn)象的敏感性和觀察準確性。同時，物理實驗教學還要求學生從實驗原理出發(fā)，對實驗儀器的選取、實驗裝置的安裝和調(diào)試、實驗?zāi)康牡倪_成、實驗誤差的處理、實驗變量的控制等方面進行方案設(shè)計，從而培養(yǎng)學生的發(fā)散性思維能力和創(chuàng)新能力。

（二）物理實驗教學能培養(yǎng)學生的數(shù)據(jù)分析能力和科學推理能力

物理實驗會產(chǎn)生大量的實驗數(shù)據(jù)，學生需要對實驗數(shù)據(jù)進行收集和分析。通過分析實驗數(shù)據(jù)，學生可以提取有用的信息，了解變量之間的關(guān)系并得出科學結(jié)論，這有助于培養(yǎng)學生的數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析能力，以及邏輯思維和推理能力。此外，物理實驗教學還要求學生能夠理解實驗現(xiàn)象蘊含的物理原理和物理規(guī)律，并進行科學推理。學生需要根據(jù)實驗現(xiàn)象和已有知識進行推理和解釋，從而理解物理現(xiàn)象的本質(zhì)。這對培養(yǎng)和發(fā)展學生的科學思維、邏輯推理，以及理論聯(lián)系實際能力都有很大的幫助。

（三）物理實驗教學能培養(yǎng)學生的科學論證能力和質(zhì)疑創(chuàng)新精神

實驗需要通過嚴謹?shù)乃季S、準確的數(shù)據(jù)以獲得結(jié)論。在物理實驗過程中，學生需要用科學的方法進行實驗設(shè)計和數(shù)據(jù)處理，用科學的思維方式進行論證，在不知不覺中就提升了其科學論證能力。另外，物理實驗還可以培養(yǎng)學生的質(zhì)疑精神。在進行物理實驗時，學生經(jīng)常會面臨各種問題和挑戰(zhàn)，如實驗結(jié)果與理論預(yù)期偏差、實驗數(shù)據(jù)存在誤差等。這些問題能夠激發(fā)學生的質(zhì)疑精神，促使他們提出問題、尋找解決方案并進行實驗改進。通過質(zhì)疑和探究，學生能夠培養(yǎng)批判性思維能力及質(zhì)疑創(chuàng)新的精神。質(zhì)疑創(chuàng)新是科學家精神的核心，也是量化科學思維能力的重要方面，教師可以結(jié)合實驗觀察、問題解決、物理創(chuàng)造活動等對學生的質(zhì)疑創(chuàng)新精神進行培養(yǎng)。

二、基于科學思維培養(yǎng)的物理實驗教學的實施要點

教師應(yīng)根據(jù)不同的物理實驗課型靈活選取不同的授課方式，但都要把發(fā)展學生的科學素養(yǎng)作為教學目標，發(fā)揮物理實驗教學的育人功能。基于科學思維培養(yǎng)的物理實驗教學應(yīng)遵循以下原則：

（一）充分發(fā)揮實驗的育人價值

物理實驗教學不僅僅是為了傳授物理知識，更重要的是培養(yǎng)學生的科學思維和學科素養(yǎng)。物理實驗教學既可以培養(yǎng)學生的觀察力、科學推理能力、科學論證能力，又可以培養(yǎng)學生的團隊合作能力和自主學習能力、創(chuàng)新精神和問題解決能力，從而培養(yǎng)學生的物理學科核心素養(yǎng)。因此，基于科學思維培養(yǎng)的物理實驗教學應(yīng)充分發(fā)揮其育人價值。

（二）體現(xiàn)物理實驗的探究性特點

物理實驗教學應(yīng)強調(diào)學生的主動參與和自主探究。在物理實驗教學中，教師可以提出問題，引發(fā)學生思考，激發(fā)學生的好奇心和探究欲。教師可以提供實驗儀器和實驗素材，讓學生選擇自己感興趣的探究方向進行探究，從而提高學生的探究能力。教師要積極創(chuàng)造條件，為學生提供科學探究的機會，激發(fā)他們進行科學探究的欲望。探究性實驗旨在讓學生通過實驗過程，獲得實驗的體驗感，體會成功的喜悅。高中物理教材中有很多探究性實驗，比如“探究向心力大小與半徑、角速度、質(zhì)量的關(guān)系”實驗。在實驗中，學生分析物理現(xiàn)象，生成新問題，設(shè)計合適的探究方案，利用向心力演示儀等器材進行科學實驗，從而獲得實驗證據(jù)。學生在整個實驗過程中主動探究，發(fā)現(xiàn)新問題，分析問題，最終解決問題。

（三）體現(xiàn)學生的主體地位

物理實驗教學應(yīng)以學生為主體，尊重和關(guān)注學生的個體差異和發(fā)展需求。教師應(yīng)根據(jù)學生的學習興趣、學習能力和學習風格，合理設(shè)計實驗活動，給學生提供符合他們個人特點的學習資源和支持。同時，教師應(yīng)注重引導(dǎo)學生發(fā)展自主學習和自我評價的能力，激發(fā)他們的學習動力，培養(yǎng)他們的自我指導(dǎo)能力。高中物理新課程標準提倡教學多樣化，通過多樣化的教學方式，引導(dǎo)學生理解物理學的本質(zhì)，增強學生的科學探究能力和解決實際問題的能力。在多樣化的教學方式中，教師把學生的發(fā)展放在了第一位。物理實驗教學中，教師同樣需要根據(jù)學生的認知水平、學生對前置概念的理解等，分層次設(shè)置問題，分層次開展教學，分層次挖掘?qū)嶒瀮?nèi)涵，從而讓學生掌握實驗本質(zhì)和實驗規(guī)律。

（四）實現(xiàn)物理實驗與現(xiàn)代教育技術(shù)的融合

物理實驗教學應(yīng)充分利用現(xiàn)代教育技術(shù)，給學生提供多樣化的學習資源和工具，豐富實驗教學的形式和內(nèi)容。例如，可以利用模擬實驗軟件、虛擬實驗平臺等技術(shù)手段，幫助學生進行模擬實驗，提高學生的實驗觀察能力和實驗設(shè)計能力。另外，教師還可以利用互聯(lián)網(wǎng)資源、多媒體教學和在線交流平臺等，拓展學生的學習空間和豐富學生的學習資源。各類傳感器進入高中物理教材后，為物理實驗的模擬操作提供了很大便利。例如，在“觀察電容器的充、放電”實驗中，利用電壓傳感器和電流傳感器配合電腦進行實驗，可以很直觀地繪出充電曲線和放電曲線，取得良好的實驗效果。

三、基于科學思維培養(yǎng)的高中物理實驗教學策略

（一）創(chuàng)設(shè)真實情境并提出相關(guān)實驗問題，培養(yǎng)學生在真實情境中解決問題的能力

新高考、新課程明確提出了“無情境不命題；無情境不教學”的要求。在高中物理實驗教學中，教師應(yīng)創(chuàng)設(shè)貼近生活的真實情境，提出與實驗相關(guān)的物理問題，引導(dǎo)學生思考問題，做出有依據(jù)的假設(shè)，從而解決問題。例如，“利用傳感器制作簡單的自動控制裝置”實驗、“用油膜法估測油酸分子的大小”實驗、“探究等溫情況下一定質(zhì)量的氣體壓強與體積的關(guān)系”實驗，都旨在通過真實的生活情境培養(yǎng)學生的實驗設(shè)計能力、動手操作能力、解釋能力和科學論證能力，同時還能促進學生對“控制變量法”“估算法”等學科思想方法的掌握。

（二）關(guān)注實驗方案的設(shè)計，培養(yǎng)學生的科學推理能力

科學推理能力是科學思維的重要元素。在高中物理實驗教學中，教師要引導(dǎo)學生關(guān)注實驗方案的設(shè)計，讓他們能夠進行科學推理和科學論證，從而培養(yǎng)他們的科學推理能力。例如，在教學力學的過程中，教師可以設(shè)計一個與斜面運動有關(guān)的實驗。學生需要根據(jù)已學的物理知識推斷出影響物體下滑的因素，并設(shè)計實驗來驗證自己的推斷。在這個實驗中，學生需要思考如何控制變量、選擇適當?shù)臏y量方法和記錄數(shù)據(jù)，從而培養(yǎng)自己的科學推理能力。

（三）論證物理實驗原理的科學性和可操作性，培養(yǎng)學生的科學論證能力

學生論證物理實驗原理的科學性和可操作性，可以培養(yǎng)自己的科學論證能力。這要求學生能夠結(jié)合科學知識，設(shè)計符合科學原理的實驗并進行實驗操作，收集和分析實驗數(shù)據(jù)，同時通過分析數(shù)據(jù)和科學推理來進行科學論證。這樣的實驗過程可以幫助學生培養(yǎng)科學思維、邏輯思維、批判性思維和科學論證能力。例如“靜摩擦力的大小隨拉力的變化”實驗，教材提供的實驗方案雖然操作簡單，但因?qū)嶋H操作存在缺陷而導(dǎo)致實驗效果并不理想。一方面，本實驗作為演示實驗，可見度低，不能滿足全班學生同時進行實驗的需求；另一方面，通過小紙團的位置移動并不能準確讀出拉力在整個過程中的變化。對于這個實驗，就要從實驗可操作性上進行改進和論證。

（四）鼓勵學生對實驗誤差進行分析，培養(yǎng)學生的質(zhì)疑批判能力和嚴謹?shù)目茖W態(tài)度

在進行物理實驗時，學生的質(zhì)疑批判能力是非常重要的。教師可以從實驗的誤差來源、誤差分析和誤差減小三個角度培養(yǎng)學生的質(zhì)疑批判能力和科學態(tài)度。在物理實驗中，誤差來源可能包括儀器精度、環(huán)境因素、人為因素等。學生可以質(zhì)疑這些誤差來源，并思考它們對實驗結(jié)果的影響，從而培養(yǎng)對實驗數(shù)據(jù)的批判性思維。學生還應(yīng)能夠?qū)嶒灲Y(jié)果進行誤差分析，以評估實驗的準確性和可靠性。通過這種誤差分析，學生能夠培養(yǎng)對實驗結(jié)果的批判性思維和實事求是的科學態(tài)度。另外，學生還要能夠提出改進實驗的方法，以減小誤差并提高實驗的準確性。例如，在測量電阻的實驗中，針對不同阻值的電阻，究竟選用怎樣的測量方法才能減小實驗誤差，就需要學生從實際電表的量程、實際電表的內(nèi)阻、所提供的滑動變阻器阻值范圍等多方面綜合考慮。

（五）鼓勵學生進行實驗創(chuàng)新設(shè)計，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維

創(chuàng)新思維是一種高階的科學思維，鼓勵學生進行實驗創(chuàng)新設(shè)計是培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維的重要途徑。學生通過思考和實踐，能夠提出新的實驗問題，設(shè)計新的實驗方案，并通過實驗驗證和分析來解決問題，從而培養(yǎng)自己的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，為日后的科學研究奠定堅實的基礎(chǔ)。

例如，在“探究加速度與物體受力、物體質(zhì)量的關(guān)系”實驗中，除了教材所提供的參考案例1、參考案例2外，還可以設(shè)計出很多創(chuàng)新實驗案例。特別是在實驗小車所受拉力的實驗改進和設(shè)計上，學生就可以借助彈簧測力計、力傳感器等儀器，通過分組討論，設(shè)計出更合理、更科學的實驗方案，從而改進實驗。

總之，高中物理實驗教學是培養(yǎng)學生科學思維的重要途徑。在高中物理實驗教學中，教師要立足物理實驗的特點和規(guī)律、學生的科學思維，幫助學生逐步形成適應(yīng)個人終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的正確價值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力，為學生的終身發(fā)展奠基。

［? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?］

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［2］? 教育部基礎(chǔ)教育課程教材專家工作委員會.普通高中物理課程標準（2017年版2020 年修訂）解讀［M］.北京：高等教育出版社，2020.

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［4］? 姬影，彭朝陽.探究靜摩擦力大小實驗裝置的改進［J］.物理教學探討，2019，37（3）：46-47，55.

［5］? 何敏.核心素養(yǎng)視角下高中物理實驗教學中科學思維培養(yǎng)的研究：基于2019部編人教版高中物理教科書［D］. 大連：遼寧師范大學，2021.

［6］? 王長明.核心素養(yǎng)視域下高中物理實驗教學中的科學思維的培養(yǎng)［J］.高考，2021（31）：101-102.

（責任編輯 黃春香）