在意義建構中提升高中物理實驗教學價值

摘 要：學習本質上是一個意義建構的過程。在高中物理學科教學過程中，學生通常需要借助實驗、觀察、體驗等多種手段來深入理解和建構物理概念。因此，物理實驗在物理知識的教學中扮演著至關重要的角色，具有重要的育人價值。本文強調了逆向思維對實驗設計的重要性，通過在實驗探究過程中建構學科大概念，在實驗評估中促進科學思維的發展以及在實驗遷移應用中引導學生實踐創新，確保學生在實驗活動中能夠深度參與并獲得多樣化的學習體驗。

關鍵詞：意義建構；高中物理；實驗教學

建構主義的學習觀提出，知識不能簡單地通過教師傳授獲得，而需要每個學生在一定的情境下，通過協作活動和聯系已有的知識、經驗來主動地進行建構。從這個角度來說，學習是意義建構的過程。學生可以在知識的遷移應用中感知學習的意義，激發探究的興趣，體悟學習的價值。在高中物理教學過程中，對許多物理概念、規律的學習需要學生通過實驗、體驗、觀察等多種方式來進行意義建構。因此，物理實驗在物理學科的學習中有著重要而獨特的地位，它直接關乎學生學科核心素養的培育以及創新能力和實踐能力的提升。廣大物理教師需要不斷反思優化實驗教學的方法路徑，切實提高實驗教學的效果。

長期以來，盡管不少高中物理教師心中知曉實驗的重要性，但受傳統應試教育的影響，加上課時緊張、學生實驗過程中管理難度大、學生動手能力不足和實驗設備陳舊等多種因素的共同作用，不少實驗教學環節遭到弱化。具體表現為教師以做實驗題、播放實驗視頻、講解實驗現象等方式代替實驗。這一現象導致學生在面對新高考、新情境、新問題時，難以靈活遷移應用知識，不能真正實現從“解題”到“解決問題”的能力轉變。本文結合人教版（2019年版）高中物理教材中部分實驗設計以及江蘇省近4年新高考物理實驗真題，探討如何在高中物理實際教學中凸顯實驗教學的價值。

1 在實驗設計中重視逆向思維

建構主義作為一種學習理論，不僅強調學生對知識建構的主動性、情境性，還特別強調知識應用的意義和價值引領。這一理論旨在激發學生的學習興趣和對知識的深度思考，提升學生將所學知識融合遷移的能力。從這個維度來思考，教師在教學設計時，不僅需要從知識“輸入”開始思考如何教授，更應該從“輸出”出發，思考學生在學習這些內容后“有什么用”以及“能做什么”。這就是格蘭特·威金斯（Grant Wiggins）和杰伊·麥克泰格（Jay McTighe）在《追求理解的教學設計》一書中提出的“逆向設計”。^［1］

在高中物理實驗設計中，教師往往會從需要探究的現象和規律出發，思考相應的實驗方法和活動。然而，學生若只是按部就班參與實驗，將很難自發地去思考實驗的價值和意義，譬如思考實驗探究解決了什么問題，未來還可以怎樣繼續深入探究下去等。唯有從真實的實驗任務情境出發，重視逆向思維，鼓勵學生自主探索和積極思考問題，才能讓學生在實驗探究中真正種下熱愛科學的種子。

在教授“勻變速直線運動的研究”這一章時，教師可以引導學生自主選擇生活中常見的物體并觀察它們下落的過程，讓學生比較鐵球、羽毛球、樹葉等物體在下落過程中速度的差異，從而引導學生思考在真實情境中如何測量物體下落的位移、速度和加速度等物理量。教師可提供利用打點計時器、使用智能手機加速度傳感器、頻閃拍照等方法，讓學生在探究中感受到問題解決路徑的多樣性。教師可以在此基礎上進一步引導學生思考：“每一種實驗方法的誤差來源以及設計思路是什么？還可以設計怎樣的方法？這樣的方法能否作為借鑒來解決其它問題？”這種基于真實實驗情境逆向反思實驗方法、實驗誤差的設計在新高考物理試題中也很常見。例如，2022年江蘇物理高考卷第11題的情境就是通過手機測量當地的重力加速度，來考查學生的逆向思考和邏輯分析能力。

（2022年江蘇省物理高考卷第11題節選）小明利用手機測量當地的重力加速度，實驗場景如下圖所示，他將一根木條平放在樓梯臺階邊緣，小球放置在木條上，打開手機的“聲學秒表”軟件，用鋼尺水平擊打木條使其轉開后，小球下落撞擊地面，手機接收到鋼尺的擊打聲開始計時，接收到小球落地的撞擊聲停止計時，記錄下擊打聲與撞擊聲的時間間隔t，多次測量不同臺階距離地面的高度h及對應的時間間隔t。

此題的實驗情境是以生活中常見的樓梯、手機、木條等器材進行設計，需要學生從實驗結果中記錄的擊打聲與撞擊聲的時間間隔t出發，逆向思考其與重力加速度g測量的關系和誤差，從而將教材中的實驗原理進行了有價值的、生活化的遷移。

在實驗教學中，實驗逆向設計強調將知識的遷移應用與問題的解決作為教學目標的出發點，從而激發學生對物理學的學習興趣，注重探究性學習。同時，該設計倡導結合實際應用場景，有意識地引入現代化技術手段，創新實驗方法，從而不斷提高學生的實踐能力、創新創造能力。

2 在實驗探究中建構學科大概念

意義建構理論（Sense-Making Theory）是由美國學者布倫達·德爾文（Brenda Dervin）于1983年提出的，主要由情境（Situation）、鴻溝（Gaps）、使用（Uses）和橋梁（Bridges）這四個要素構成。它指出人們會基于不同的內部認知和外部情境來建構自己的行為。意義建構理論對實驗教學的啟示在于：為了使學生形成對知識真正的、深刻的、靈活的理解，應該基于學生經驗背景，設計出有思考價值的、有意義的實驗探究問題。通過引導學生經歷概括、分析、推論、假設、檢驗等一系列思維及實踐活動，幫助他們建構起對知識客觀、全面、深刻的認識。最終目標是使學生建構起能夠應對復雜問題和挑戰的學科大概念。

在進行“拋體運動”一章中的“曲線運動”這一節的教學時，教師可以通過一系列實驗，幫助學生建立起力與運動的學科大概念。在接觸曲線運動的概念之前，學生通過對運動學和牛頓運動定律的學習，對做直線運動的物體的受力情況已經有了初步的概念，為了讓學生理解生活中物體為何更普遍地做曲線運動，教師需要基于學生的已有認知，設計出有認知梯度的探究問題和活動。這樣的設計旨在幫助學生完整地、有意義地建構起關于曲線運動的概念體系。

結合人教版教材，教師可以嘗試設計下列活動過程。

過程一，觀察生活中各種曲線運動，思考將手中的物體如何扔出才能使它分別做直線運動和曲線運動。初步引導學生在實驗中思考初速度方向與加速度方向對運動軌跡的影響。

過程二，設計實驗，觀察做曲線運動物體的速度方向。引導學生分析物體在曲線某點的速度方向是否為該點的切線方向，并根據平均速度定義進行理論證明。

過程三，設計實驗，探究物體做曲線運動時所受合力的特點，從而讓學生概括出：“當物體所受合力的方向與它的速度方向不在同一直線上時，物體做曲線運動。”

過程四，以拋體實驗為例，引導學生思考并分析物體所受合力與物體速度在方向上同向、反向、垂直、成銳角、成鈍角等不同情況下，物體的運動軌跡、運動性質，掌握運動的合成和分解。

過程五，將曲線運動遷移到實際生活中，結合對扔鉛球、投籃、套圈等活動的分析，讓學生在復雜問題的解決中真正建構力與運動的大概念。

例如，2021年江蘇省物理高考卷第9題就是對投籃的真實情境的考查。學生經歷了對曲線運動的探究實驗，建立起了對力與運動的大概念。通過對高考真題的學習與解析，他們在思考問題時會展現出更為深刻的思維層次。

（2021年江蘇省物理高考卷第9題）如圖所示，A、B兩籃球從相同高度同時拋出后直接落入籃筐，落入籃筐時的速度方向相同，下列判斷正確的是（" ）。

A. A比B先落入籃筐

B. A、B運動的最大高度相同

C. A在最高點的速度比B在最高點的速度小

D. A、B上升到某一相同高度時的速度方向相同

新高考評價體系在高考領域為“培養什么人，怎樣培養人，為誰培養人”這三個問題提供了明確的答案。它強調試題的基礎性、綜合性、應用性、創新性，考查內容聚焦于必備知識、關鍵能力和核心素養。在此背景下，物理實驗教學也需主動策應新高考改革需求。在實驗教學中，教師要有意識地引導學生通過一系列有意義的實驗探究活動，從更核心、更上位的視角進行觀察和思考，將相關零散的物理知識更好地整合起來，形成對事物的本質、規律以及關聯的綜合理解，學會用物理的視角解釋現象，認識世界。

3 在實驗評估中促進科學思維發展

學習科學（Learning Science）理論的核心觀點之一就是強調：學習是一個動態建構的過程。學生通過不斷地嘗試、失敗和成功，逐步建立起自己的知識體系。錯誤是學習的催化劑，反思錯誤的根源是學習發生的基礎。從這個角度來說，學習過程中的自我評估，能有效激發學生對知識的深度思考和理解。然而，在實驗過程中，教師往往更多關注實驗數據或結果，忽略了學生在實驗過程中的表現和問題，對學生的實驗方法、結果等缺乏科學的論證、評估。這導致學生在實驗過程中習慣按照既定步驟進行操作，很少去思考和評估實驗方法的優劣以及實驗結果的偏差。因此，學生很難通過實驗提升思維能力、創新意識和實踐能力。

《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標準》）中強調的物理學科核心素養之一就是“科學思維”。“科學思維”是基于經驗事實建構物理模型的抽象概括過程；是分析綜合、推理論證等方法在科學領域的具體運用；是基于事實證據和科學推理對不同觀點和結論進行質疑和批判、進行檢驗和修正，進而提出創造性見解的能力與品格。^［2］

本文仔細分析了江蘇省2021-2024年物理高考實驗題的誤差分析和實驗評估類問題設計（見表1），發現上述問題均對學生的思維提出了較高的要求。

高中物理實驗評估方式對于學生的實驗能力和科學素養、科學思維的培養有著重要的作用。為了建構多樣化的評估標準，教師不僅要評估學生的實驗結果，還要考量學生的器材選擇、實驗方法、數據處理、誤差原因和協作能力等。引導學生對實驗過程進行科學評估，培養其模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新等能力。^［3］

4 在實驗遷移中引導實踐創新

根據學習科學理論，學習的本質在于個體對新知識、新技能的掌握和運用，這一過程涵蓋了認知、情感、行為等多個層面。真正的學習是在解決問題的過程中發生的。為了深度挖掘物理與真實世界的聯系以及與其他學科在內容、方法及能力上的關聯，教師可以從意義建構理論出發，基于學生已有的生活文化屬性和知識經驗基礎（情境Situation），精準設置問題、任務（鴻溝Gaps），接下來再采用科學探究的方式，設計學習內容和實踐活動（橋梁Bridges），幫助學生在教師指導下，實現對物理知識和規律的意義建構，實現問題解決（使用Uses）。

以人教版高中物理教材為例，幾乎每一節新授課開篇都設計了“問題”引入課題，而這些問題基本來源于學生生活實際或已有的知識經驗基礎（情境Situation）。同時，教材還配合“實驗”“思考與討論”“做一做”等欄目，精準且步步深化地將問題、任務（鴻溝Gaps）分解到實驗探究活動中，遷移到生產生活及科技前沿等領域。這樣的設計旨在引導學生通過實踐活動突破認識誤區，培養創新思維和科學精神。本文以人教版“時間 位移”一節為例，分析在《課程標準》指引下如何利用實驗遷移引導實踐創新。

教材中首先以描述一輛正在行駛的汽車的具體位置為引入的問題情境，隨后逐步介紹了時刻與時間間隔，位置、位移與路程的定義，并讓學生提出北京去重慶的三種交通方式，初步建構其對路程和位移的概念。隨后教材介紹了直線運動的位移、位置—時間曲線，介紹了位移和時間的測量方法，并在實驗環節安排了學生使用打點計時器來研究位置的變化。最后，教材的科學漫步環節介紹了全球衛星導航系統。

在實驗教學中，教師應注重學習內容和活動與生產生活的實踐融合，對知識內容的問題性、情境性、活動性進行設計，以揭示物理知識背后的價值、智慧、倫理、文化、審美等諸多意蘊，切近知識所蘊含的意義世界。在“求真”中“求美”“求善”“求志”，從而實現“成人”。

高中物理實驗教學在很大程度上為學生提供了一個更具互動性和成效的學習環境，并極大地提升了物理教學的質量和效果。本文旨在通過不斷創新實驗內容和方式，使更多學生主動參與物理知識的探究活動，讓他們經歷知識建構的過程，感知物理在生產生活中的應用，從而激發學生對科學的濃厚興趣，讓他們在創新創造中體驗學習的意義和樂趣，培育更多具備科學家潛質，愿意獻身科學研究事業的新時代青年。

參考文獻

［1］王春易.從教走向學：在課堂上落實核心素養［M］.北京：中國人民大學出版社，2020：139-144.

［2］中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）［M］.北京：人民教育出版社，2021：4-5.

［3］曹紅霞.創新物理實驗教學對高中物理教學的作用和意義［J］.數理天地（高中版），2024（8）：104-106.