高中物理教學中思維引導性實驗設計策略研究

摘 要：物理實驗是高中科學教育的關鍵組成部分，其設計與實施對學生理解物理法則及其應用至關重要。傳統物理實驗教學多側重演示基本的物理原理和實驗技能，忽略了對學生創新思維與問題解決能力的培養。針對這一問題，本研究采用了四個主要策略：首先是明確實驗目標，通過設計引導問題來激活學生的思維；其次是構建與現實世界相連接的情境，激發學生的探索欲望；再次是通過促進學生間的互動，深化其物理概念理解；最后，通過實施反饋和修正機制，持續優化實驗設計。上述策略將共同作用，從而達到更有效的物理教學效果。

關鍵詞：高中物理；思維引導；實驗

思維引導性實驗旨在通過精心設計的實驗環節激發學生探索興趣，促進其主動學習，并深化學生對物理概念的理解。此種實驗設計不僅關注理論知識傳授，更重視學生思維能力的發展。本研究選題旨在結合理論教學與實踐操作，幫助學生更好地理解物理原理，同時激發學生對科學探索的熱情。在此基礎上，引入思維引導性的實驗設計原則和策略，可以有效補充、完善現有教學模式，使學生在實驗探索中獲得更深層次的認知體驗。

一、在高中物理教學中設計思維引導性實驗的意義

思維引導性實驗強調設定開放性問題和多種解決方案，激發學生好奇心。在思維引導性實驗設計中，學生不再是被動接受知識的容器，而是變成了主動探索和解決問題的參與者。思維引導性實驗還能夠幫助學生建立起實驗操作與理論知識之間的聯系，從而在實踐中培養其科學思維和問題解決能力[1]。其次，思維引導性實驗通常需要學生在小組內協作，共同設計實驗方案、分工實施、討論結果和撰寫實驗報告。這一過程能夠鍛煉學生實驗技能，同時促進團隊間的溝通協作。在解決實驗中遇到的實際問題時，學生需要集思廣益，每個人的獨特視角和創新想法都可能成為解決問題的關鍵。通過這種方式，學生能夠在實際操作中感受到物理學的魅力，同時也為將來的深入學習打下基礎。

二、高中物理思維引導性實驗的設計原則

（一）科學性原則

科學性原則強調實驗必須堅守物理科學的理論根基和經驗驗證的方法論，此原則能夠確保實驗設計嚴格遵循物理學的基本法則，并能在實際操作中得到驗證和體現。科學性原則要求教師在設計實驗時，必須確保實驗目標、過程和內容的科學性，排除任何科學依據不充分的假設或方法[2]。此外，實驗結果應能夠在科學的框架內得到合理解釋，支持或反駁現有的物理理論，從而確保學生能在科學嚴謹的環境中進行學習和探索。遵循科學性原則旨在維護物理實驗的嚴肅性、權威性，確保學生在正確的理論指導下進行實驗探究，從而培養其科學思維和實驗操作能力。

（二）啟發性原則

啟發性原則主張通過實驗活動激發學生學習興趣，并引導學生主動進行科學探索和深入思考。啟發性原則的核心要求是確保實驗不僅是驗證物理理論的工具，而是成為學生積極思考、提出疑問、探索未知的平臺。實驗設計應鼓勵學生超越傳統的學習模式，促使學生在探究過程中提出自己的假設，探討物理現象背后的原理，并通過實際操作來測試這些假設的有效性。此外，啟發性原則還要求實驗內容具有開放性，使學生能在實驗探索中遇到并解決實際問題，通過這一過程加深對物理概念的理解和應用[3]。此種開放性的實驗環境有助于學生發展批判性和創造性思維，從而在學習物理的同時培養學生解決復雜問題的能力。整體而言，啟發性原則強調實驗教學應當充分考慮學生的主觀能動性，通過科學探索的實踐活動，促進學生對物理知識的深入理解與應用。

（三）適宜性原則

適宜性原則在高中物理思維引導性實驗設計中要求考慮學生的具體認知發展水平、物理基礎以及個體差異，以確保實驗難度適合學生實際能力。此原則的核心在于實驗內容的設計需要與學生學習階段相匹配，避免因難度過高或過低而影響學生的學習效果和科學探究的熱情[4]。適宜性原則強調教師在設計實驗時，需全面評估學生的先驗知識、操作技能及理解能力，從而選擇最合適的實驗主題和難度。實驗設計按照適宜性原則進行時，應確保所有學生都能在各自的能力范圍內參與到實驗活動中，從而有效支持學生學習動機和自信心。

三、高中物理教學中思維引導性實驗的設計策略

（一）明確目標，設計引導

制定可觀察的實驗目標是實驗設計的基礎，教師需要設定具體、可量化的目標，確保這些目標能夠通過實驗的操作和結果被明確觀察到。實驗目標應清晰地對應教學大綱中的關鍵物理概念，且要求學生能夠通過實驗活動直接驗證這些概念。例如，如果目標是讓學生理解力和加速度的關系，則實驗設計應要求學生能夠測量并計算在不同力的作用下物體的加速度。其次，教師應當引入開放性問題，激勵學生在實驗開始前提出自己的預測和假設。實施這一策略時，教師應避免提供直接答案，而是通過問題引導學生思考可能的實驗結果及其科學依據。此種問題導向設計能夠促使學生在實驗前進行深入的理論思考，同時能在實驗過程中培養學生科學思維。

以“平拋物體的運動”實驗設計為例，其主要目標是讓學生理解并驗證平拋運動是水平方向勻速直線運動與豎直方向自由落體運動的合成。在具體實踐中，教師可將實驗目標設定為：學生能夠通過測量和計算，明確展示物體在水平方向上保持恒定速度，同時在豎直方向上的速度隨時間線性增加，從而體現重力加速度的作用。這一目標使學生能夠直觀看到平拋運動的軌跡為拋物線，同時可以通過實際測量不同時間點的位置坐標，計算出初速度及豎直方向的加速度，進而深刻理解平拋運動的動力學原理。隨后，教師可以在學生動手操作之前提出思維引導性問題，“如果平拋物體的初速度增加，你認為它的水平位移會如何改變？”引導學生利用已知物理知識推理初速度變化對水平位移的潛在影響。接下來，教師可以詢問：“在平拋運動中，水平速度保持不變而豎直速度如何變化？這兩者是如何結合形成最終軌跡的？”此問題可以引導學生思考兩個正交分量（水平和豎直）如何相互獨立又如何共同作用以形成拋物線軌跡。學生需要基于豎直方向上的自由落體運動（加速度為重力加速度）進行思考，預測在不同時間點的豎直位置，從而在開始實驗之前建立對實驗結果的預期，此類預期將在實驗過程中得到驗證，進而增強學生對物理定律的應用能力。

（二）創建情境，激發探索

將抽象的物理概念與學生生活環境中的具體現象相結合，可以增強學生對物理學的興趣和學習的實際應用感。在設計實驗時，教師可以選擇與學生日常生活密切相關的物理問題或現象作為實驗主題，幫助學生理解物理定律在現實中的應用，同時使得學生能夠通過實驗觀察和實際操作來體驗和驗證理論知識。其次，在物理思維引導性實驗設計中，教師應允許學生選擇不同方法來探索相同的物理現象，鼓勵學生從多個角度、使用不同的方法來理解物理原理。此種策略能夠有效引導學生思維，使學生在解決問題的過程中學會選擇最合適的方法。

以“平拋物體的運動”實驗設計為例，教師應首先介紹平拋運動的基本理論，解釋水平方向上的勻速運動與豎直方向上的加速運動如何合成拋物線軌跡。此后，教師可以提出與學生生活環境相關的實際問題，如：“如果你從移動的滑板上扔出一個球，球會如何移動？”引導學生去思考平拋運動在實際生活中的具體表現和實際應用。隨后，教師可以設置從一定高度和不同速度滾下的球的實驗，引導學生探索多種實驗方法，以充分理解平拋運動的復雜性。具體而言，教師可以讓學生從不同的高度和不同的水平速度進行平拋，以觀察這些變量如何影響物體落地點的位置，幫助學生理解初始速度和釋放高度如何共同影響物體移動軌跡和落點。在此基礎上，教師可以鼓勵學生使用多種工具來測量和記錄實驗數據，增強實驗的多樣性和教育價值。一種方法是利用傳統的停表和尺子來測量時間間隔和水平位移，另一種則可以使用智能手機或其他數字設備利用其內置傳感器和應用程序來記錄精確的運動數據。學生可以對比這兩種方法的數據準確性和操作便利性，深入探討科技在物理實驗中的應用。此外，教師還可以引導學生通過理論計算預測平拋運動的結果，然后與實際測量結果進行比較。學生可以使用基本的位移和速度公式計算理論上的運動軌跡，并繪制出預期拋物線圖。通過對比理論圖和實際軌跡的偏差，學生可以探討空氣阻力、測量誤差等誤差來源，從而全面理解平拋運動的物理本質。

（三）促進互動，深化理解

實施小組合作和討論能夠在物理思維引導性實驗教學中促進學生互動、深化學生對物理概念的理解，教師可以將學生分成小組，每個小組成員共同完成實驗任務。此種組織方式使學生有機會在實驗過程中交流觀點，同時能通過討論來解決實驗中遇到的問題[5]。其次，教師應在實驗指導中提出引導性問題，具體問題應關注實驗結果的預期與實際，鼓勵學生探討異常數據。在此基礎上，教師可以通過問題引導學生思考實驗設計的優化方法和改進措施，促進學生在思維引導性實驗中將理論知識與實際操作進行有效結合，同時培養自身創造性思維。

以“平拋物體的運動”實驗設計為例，教師可以將學生分為三個小組。一個小組可以負責研究物體在相同高度但不同初速度條件下的平拋運動，此小組的任務是觀察并記錄不同初速度如何影響物體的飛行距離和軌跡形狀。通過改變水平初速度，學生可以直觀地看到速度如何影響水平位移，并通過數據分析理解物理原理。另一個小組可以探討拋射角度對平拋運動的影響，盡管理論上平拋運動的角度應始終為零（完全水平），但此小組可以通過輕微調整發射角度，探索即使是微小的角度變化如何影響運動的軌跡。此類實驗能夠幫助學生理解角度和運動軌跡之間的關系，也能為學生提供思考平拋運動誤差來源的方式。第三個小組則可以專注于投擲高度的變化，從不同的高度釋放相同質量和大小的球體，測量并比較物體落地點的變化。此實驗能夠幫助學生探究高度如何影響物體的落地時間以及豎直下落距離，從而深化對自由落體組成部分的理解。為深化學生理解并提升其分析能力，教師可以提出思維引導問題：“如果平拋物體的初速度是已知的，根據你的實驗結果，你預計它的軌跡將會如何？”從而提高教學思維引導性，培養學生科學探究能力。

（四）反饋修正，持續優化

實驗結束后，教師應引導學生分析實驗中觀察到的數據與預期之間的差異，評估實驗操作的準確性、實驗條件的控制以及數據記錄的方法等，以確定影響結果的關鍵因素。其次，教師應鼓勵學生根據評估結果提出具體改進建議，并在后續的實驗中實施這些改進措施。此種持續的優化過程可以提高實驗準確性，同時能培養學生創新思維。

以“平拋物體的運動”實驗設計為例，教師應引導學生詳細審查實驗數據并提問：“你觀察到的物體運動軌跡與預計的拋物線軌跡有何不同？這些差異可能是由哪些因素引起的？”促使學生回顧和分析自身的實驗設計和執行過程，鼓勵學生思考如何解釋數據中的異常現象。接著，教師應指導學生評估實驗操作的準確性，引導學生探討：“在進行實驗時，你的設備設置是否存在問題？所使用的測量工具是否足夠精確？記錄數據的方法是否能夠有效捕捉到你需要的信息？”通過此類問題引導學生討論，學生可以識別實驗中可能的操作錯誤或不足之處，從而了解如何在未來的實驗中避免類似問題。此外，教師還應鼓勵學生思考實驗條件的控制，并提出問題：“實驗環境中哪些外部因素可能影響實驗結果？你的實驗是否具有重復性，如果再次進行同樣的實驗，能得到相同的結果嗎？”幫助學生認識到科學實驗的復雜性，并學習如何設計更加嚴謹、可控的實驗。接下來，教師應鼓勵學生基于這些分析提出改進建議。例如，如果學生發現初速度測量不夠準確，可建議使用電子計時器等更精確的速度測量工具，或改進發射機制以保證更一致的發射速度。如果問題在于數據記錄的準確性，教師可以建議使用視頻記錄配合計算機軟件進行分析，以減少人為記錄誤差。通過上述實驗引導，學生能夠在實驗技能上獲得提升，同時培養個人科學思維。

結束語

本研究圍繞高中物理思維引導性實驗的設計策略展開探討，研究主要發現包括：確立明確的實驗目標可以顯著提高學生的學習動機和實驗效果；創建貼近實際的情境可以激發學生探索興趣；促進學生互動交流有助于深化學生對物理概念的理解；持續的反饋與修正機制能夠有效提升實驗設計質量。因此，本研究認為，通過精心設計的實驗活動能夠加強學生對物理知識的掌握，同時能夠培養學生科學探究能力和創新思維。這一觀點強調了教育實踐中對學生主動學習態度的重視，以及在實驗教學中對思維訓練的必要性。在教育理論方面，本研究強調了實驗教學中的學生中心理念，倡導通過思維引導活動來幫助學生建立知識的深層次理解，進而促進創新教學方法發展。

參考文獻

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[4]王然.新人教版高中物理實驗探究類課程落實核心素養分析：以“實驗：探究加速度與力、質量的關系”為例[J].物理通報，2023（4）：94-97.

[5]劉耀民.思維進階視域下高中物理實驗教學路徑探索：以“用單擺測量重力加速度”為例[J].中學物理教學參考，2022，51（36）：11-13.