基于科學探究培養的高中物理實驗教學策略研究

摘 要：科學探究是物理學科核心素養之一，實驗是物理教學活動的重要組成部分。實踐表明，有效的物理實驗教學可以使學生在實驗探究過程中發展科學探究核心素養。基于此，文章對基于科學探究培養的高中物理實驗教學策略進行了研究，以期落實高中物理實驗教學的育人價值。

關鍵詞：高中物理；科學探究能力；實驗教學

中圖分類號：G427 文獻標識碼：A 文章編號：2097-1737（2024）27-0025-03

物理是一門以實驗為基礎的自然學科，其理論大都建立在實驗的基礎上。可以說，實驗是學生學習物理的重要助力。《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》中指明了新時期的物理教學方向——培養學生核心素養，同時將物理學科核心素養劃分成四大維度，具體地指明了物理學科的育人方向，即將核心素養培養貫穿于物理教學全過程。而科學探究作為物理學科核心素養之一，對學生進行本維度的培養理應扎根于物理實驗教學中。

一、基于科學探究培養的高中物理實驗教學的理論概述

（一）科學探究的界定

科學探究是學生根據觀察和實驗提出物理問題、形成猜想和假設、設計實驗與制訂方案、獲取和處理信息、基于證據得出結論并作出解釋，以及對科學探究過程和結果進行交流、評估、反思的能力[1]。一般來說，科學探究過程包括提出問題、猜測假設、設計實驗、操作實驗、獲得數據、分析論證、評估交流。

（二）實驗教學對科學探究培養的作用

1.提高學生的科學探究積極性

相較于理論學習，實驗操作是一項具有趣味性的活動，很容易調動學生的科學探究興趣。如教師可以在物理實驗課堂中為學生呈現一些生活中常見的物理現象，并通過提出具有探究性的問題或布置實驗操作任務來調動學生的探究積極性。在積極情感的助力下，學生會主動投身于科學探究活動，認真觀察、思考并有所發現，從而不斷提高自身的科學探究核心素養。

2.輔助學生掌握科學探究方法

科學的探究方法在一定程度上決定了學生的探究效果，而實驗探究的過程正是學生掌握更多科學探究方法的過程。如在加速度與力和質量的關系的實驗探究過程中，大部分學生可以掌握控制變量法，學會用函數和圖像來分析物理量之間的關系。在影響動能大小因素的實驗探究過程中，學生可以掌握轉化法。在牛頓第一定律的實驗探究過程中，學生可以掌握“實驗+假設”法。在多元實驗方法的助力下，學生可以潛移默化地掌握科學探究方法，發展科學探究核心素養。

二、基于科學探究培養的高中物理實驗教學的實踐策略

實驗探究過程正是培養學生科學探究核心素養的過程。因此，高中物理教師應當將實驗探究過程作為培養學生科學探究核心素養的著眼點。

（一）創設問題情境，引導學生提出問題

提出問題是科學探究的第一個環節，也是學生提高探究積極性的重要途徑[2]。問題源于現實生活，而高中生在體驗現實生活的過程中接觸過各種各樣的物理現象，他們能夠從物理的視角觀察現實世界，用物理的思維思考現實世界，并由此提出問題。基于此，教師可以物理實驗與現實生活之間的關聯為基礎，創設問題情境，讓學生遷移感性認知，自主提出探究問題，

推動實驗探究活動發展。

例如，大部分學生都有過乘坐電梯的經歷。在電梯啟動開始上行時，學生會感到腳部沉重；而當電梯快要到達既定的樓層時，學生會感覺身體很輕。然而，

大部分學生未能從物理角度進行思考。對此，在教學

“超重與失重”時，教師可以依據學生的學習情況，利用多媒體設備展示人們坐電梯的畫面，引導學生遷移已有的生活經歷。如此，學生可以基于生活情境展開實驗探究。具體來說，教師可以提出問題：“大家能從超重和失重的角度來分析產生這一現象的原因嗎？你在分析的過程中可以提出哪些問題呢？”在問題的驅動下，大部分學生會遷移已有認知進行思考，嘗試闡述原因并提出問題，如“超重和失重現象有什么規律？”，

這正是本節課的探究重點。于是，教師可以趁機引導學生展開實驗探究。

（二）進行信息引導，促使學生猜想假設

大部分學生會對自己發現和提出的問題產生濃厚的探究興趣，并在興趣的驅使下積極思考并提出猜想和假設。不過，他們難以用科學依據來支持自己的猜想和假設[3]。針對此情況，教師可以進行信息引導，促使學生聯想所學的理論知識或已有的生活經驗，認真觀察實驗現象，提出科學的猜測和假設。

例如，在“摩擦力”一課教學過程中，學生會在體驗問題情境的過程中提出問題：“生活中有哪些調控摩擦力的舉措？”物理教材中給出了一些例子，如人們發明了可以增大摩擦力的開瓶器、冰壺運動員通過反復刷冰來減小摩擦力。實際上，大部分學生在生活中還遇到過其他調控摩擦力的現象。因此，教師可以在學生提出問題后，鼓勵他們閱讀物理教材，并從中提取出關鍵信息（調控摩擦力的方法），同時結合生活經驗，設想其他方法。有的學生想到：在單杠比賽中，運動員會在手掌上搓鎂粉來增大摩擦力，保證自身安全。還有的學生想到：自行車剎車靠增大壓力來使自行車減速。教師可以在贊賞學生的基礎上，鼓勵他們針對所提的問題進行猜想和假設。之后，教師再鼓勵學生通過實驗進行驗證。

（三）明晰實驗目標，設計實驗方案

實驗目標是實驗探究的導向，便于學生有針對性地設計實驗方案、動手操作、獲得數據進而分析論證。因此，在學生提出猜想和假設后，教師可以設置實驗目標，并引導學生設計實驗方案，推動實驗探究活動發展。

例如，在“科學探究：加速度與力、質量的關系”

實驗探究過程中，教師可以在學生提出猜想和假設后，為學生設置實驗探究目標——在物體質量不變的情況下探究加速度與力的關系，在物體受力不變的情況下探究加速度與質量的關系。教師可鼓勵學生閱讀、分析實驗目標，確定研究對象、實驗方法、實驗器材等，由此設計出實驗方案。大部分學生會發揮主觀能動性，邊閱讀邊思考，建構獨特的認知，并主動與小組成員進行交流，共享自主探究成果。在這一過程中，

各組成員會提出不同看法，制訂出不同的實驗方案。教師可以任意選取一個小組，鼓勵其展示實驗方案。如某小組制訂了如下實驗方案。

實驗器材：小木塊、一端帶有定滑輪的長木板、質量已知的小車、紙帶、細繩、直尺、導線、打點計時器等。

實驗過程：在實驗裝置（如圖1）的基礎上，墊高木板，平衡摩擦力，此時小車所受到的合力是繩子的拉力，即砝碼和砝碼盤的重力。在小車運動過程中，利用打點計時器打出紙帶，得到加速度。在小車總質量不變的情況下，增加或減少砝碼盤中的砝碼個數，探究a與F之間的關系；在砝碼和砝碼盤總量不變的情況下，增加或減少小車上的砝碼個數，探究a與m的關系。

在此過程中，教師可以鼓勵其他小組認真思考，

指出實驗方案中存在的問題并提出完善建議。同時，其他小組也可以呈現不同的實驗方案。在全體學生的共同努力下，課堂上會出現不同的實驗方案。大部分學生通過認真思考，相互交流經驗，切實開闊了視野，這有利于他們積極地開展實驗操作。

（四）設置實驗任務，驅動學生實驗操作

實驗操作是科學探究過程中最重要的一個環節，是學生獲取數據的直接方式。真實的實驗數據有助于學生通過實驗分析和論證得出正確的實驗結論[4]。一般情況下，教師可以在學生設計實驗方案后，為其設置實驗任務，驅動學生有目的地進行操作、觀察和思考。

例如，在學生合作設計出“科學探究：加速度與

力、質量的關系”實驗方案后，教師可以為學生設置如下實驗探究任務：任務一，根據本組實驗方案進行實驗操作；任務二，認真觀察實驗現象，從中提取實驗數據。在學生進行實驗操作的過程中，教師可以巡視課堂，細心觀察各組的操作情況，發現他們的操作問題，并耐心地進行指導，幫助各小組順利完成實驗，

獲取真實、可靠的實驗數據。

（五）教授適宜方法，推動學生分析論證

在學生獲得實驗數據后，他們需要對數據進行分析和論證。這時，教師需教給學生有效的分析、論證數據的方法，幫助學生獲得精準的實驗結論。

例如，物理實驗探究過程中常用的有平均值法、列表法、作圖法等。平均值法是指通過多組實驗測得多組數據并將這些數據算取平均值的處理方法，這種方法有利于縮小實驗誤差。列表法是指在實驗過程中將所獲得的數據列成表格，簡單清晰地呈現各個物理量之間的關系，并以此為基礎探尋不同物理量之間的關系。作圖法是指將實驗數據用折線斜率、圖形面積等方式直觀呈現實驗結果，這種方法有助于直觀、便捷地剔除錯誤數據，找出各個物理量之間的關系，發現物理規律。在教授學生方法的同時，教師可以引導他們采用適當的方法進行數據分析和論證。例如，學生可以用平均值法來測量金屬的電阻率；可以用列表法來探究彈簧彈力與形變量的關系；可以用圖像法來探究功與速度的變化關系。

（六）結合實驗結果，指導學生評估交流

科學的實驗過程才能產生正確的實驗結果[5]。但是，實驗結果出現偏差也是不可避免的。教師與學生應當正確看待實驗偏差，因為它可以很好地反映實驗過程中存在的一些不足，幫助師生查漏補缺。教師可以在學生分析、論證數據之后，以具體的實驗結果為基礎，指導學生對比預期的實驗結果，發現實驗結果偏差，并與小組成員一起回顧實驗過程，尋找問題并分析問題成因，從而有針對性地解決問題。

例如，在探究“滑動摩擦力與正壓力的關系”之后，各組成員在分析實驗數據時，發現數據偏差較大。基于此，教師可以提出任務：“請大家回顧整個實驗過程，分析實驗數據偏差較大的原因，是實驗方法操作不當，還是實驗器材選用不當，還是實驗分析方法不對……”在具體任務的指引下，大部分學生會回顧實驗操作過程，并主動與小組成員展開交流，提出自己的觀點，同時以實驗操作過程為著眼點，提出證據來驗證自己的發現，由此碰撞出思維火花，達成統一認識，即實驗結果誤差偏大的原因是實驗方法不當。隨后，各小組探究實驗方法不當的具體原因，從而改進實驗方法，并再次操作實驗，獲得實驗數據，分析、論證實驗結果。教師則可以搭建舞臺，鼓勵各組展示實驗過程和實驗數據，并以此為基礎，指導學生總結出實驗結論。最后，教師可以概括總結實驗全過程及結果，助力學生進一步強化已有認知。

三、結束語

綜上所述，“提出問題—猜測假設—設計實驗—操作實驗—獲得數據—分析論證—評估交流”是實驗探究的基本過程。在此過程中，學生可以通過親歷物理知識的探究過程，建立深刻的物理認知，同時潛移默化地掌握物理實驗方法，積累物理實驗探究經驗，發展科學探究核心素養。因此，高中物理教師應當高度重視物理實驗教學，并將其作為培養學生科學探究素養的“沃土”。在實施物理實驗教學時，教師要依據具體的實驗教學內容，采用適當的策略引導學生逐步經歷提出問題、猜測假設、設計實驗、操作實驗、獲得數據、分析論證、評估交流等各個環節，為學生提供充分發展科學探究核心素養的機會。

參考文獻

時子豪，張石友.基于提升科學探究能力的高中物理實驗教學：以“觀察電容器的充放電現象”實驗教學為例[J].實驗教學與儀器，2023，40（9）：5-7.

王雅茜.基于科學探究能力培養的高中物理實驗教學策略研究[D].重慶：西南大學，2022.

萬忠義.基于科學探究能力培養的高中物理實驗合作學習探析[J].理科愛好者（教育教學），2021（4）：52-53.

陳文鑫.在高中物理實驗教學中培養學生科學探究能力的案例研究[D].重慶：西南大學，2020.

鄭潔.在高中物理實驗教學中培養學生科學探究能力的策略研究[D].重慶：西南大學，2020.

作者簡介：李雪蓉（1983.11-），女，福建南安人，

任教于福建省晉江市僑聲中學，一級教師，本科學歷，2021年晉江市教育系統優秀黨員。