提升高中生物理證據意識的教學實踐

1引言

物理學科核心素養要素“科學探究”的“證據”，是科學探究過程中材料、數據和原有認知的總稱.“證據”是構成“科學探究”的核心要素之一，貫穿物理實驗教學所有環節.物理實驗教學中，教師要注重培養學生證據意識，以落實核心素養目標.以人教版“向心力”教學為例，構建以“證據”為核心的教學課堂，突破“向心力表達式”教學難點，進一步強化學生的證據意識.

2創設熟悉情境，提出科學問題

情境有多種表述方式，物理學科教學情境是為了解決特定主題，通過提供感性材料引起學生注意、明確學習方向和激發學生學習興趣，運用數據、圖片、圖表、文字、活動和實驗等一種或多種方式的呈現總體.教學情境設置需貼近生活，既要具備“熱度”，也要富有“深度”.教師若能充分挖掘情境價值服務實驗教學，就能助力學生進行知識構建、提高課堂效率，培養學生科學探究能力.向心力教學以家用電器洗衣機的脫水缸脫水原理創設情境，能為學生提供感性材料，有利于學生構建向心力概念，探究向心力方向.

首先，教師運用PPT呈現洗衣機圖片，從學生熟悉的生活家用電器入手，迅速引起學生興趣，

問題1洗衣機脫水桶轉動快慢影響衣物脫水的效果嗎？猜測的依據是什么？如何找尋證據驗證你的猜想？

然后，教師鼓勵學生運用網絡或根據生活經驗尋找證據驗證猜想，培養學生證據意識.

有學生查詢洗衣機脫水工作原理，驗證猜想結論.也有學生模擬洗衣機脫水原理，設計實驗進行驗證.有學生去除底部并在瓶身打滿小孔的廢棄礦泉水瓶，在其中放入浸水的帕子充當需脫水的衣物，用手控制瓶身轉動的快慢.觀察瓶子轉動與溢水快慢的關系，尋求證據.學生動手的過程中，提升了證據意識.

問題2衣物隨脫水桶一起做圓周運動時，衣物上水滴受到哪些力的作用？

問題3 物體做勻速圓周運動需要哪些條件？

3提出猜想假設

猜想是通過觀察、分析和歸納等對未知現象的規律或原因做推測性或假定性說明.猜想假設是培養學生證據意識的關鍵環節.學生要敢于依據實驗、觀察，提出猜想假設，激發學習物理的內生動力.探究“影響向心力大小的因素”時，教師需要引導學生猜想假設，驗證，進而找出影響向心力大小的因素，為構建向心力表達式奠定基礎.

問題4 物體做勻速圓周運動時，哪些因素能改變向心力大??？

學生甲 與所處的位置有關.

學生乙 與線的長短有關.

鼓勵學生對圖1實驗器材進行改進或利用向心力演示儀，對猜想設進行驗證，知道改變向心力大小的因素以及向心力大小與這些因素的定性關系.

問題5向心力大小與半徑、角速度和線速度之間有怎樣的定量關系呢？

4設計實驗方案

實驗方案設計是運用已學原理和知識，對實驗目的、原理和實驗步驟進行設計，確保實驗有序實施.探究過程中，要發揮學生的“主體”作用，設計合理的實驗方案，能保證實驗正常進行，培養學生規劃能力，同時形成尊重科學、尊重實驗和尊重證據的科學態度.實驗方案設計要根據猜想假設確定需要測量的物理數據或信息，選擇適合的實驗方法，形成實驗指導原理，選擇或制作實驗器材，設計實驗步驟.鼓勵學生討論，反復修正實驗方案，最終形成可行方案，指導實驗進行，也是培養學生證據意識的一種途徑.向心力表達式的構建需要探究向心力大小與各物理量之間的定量關系，從而設計實驗方案.

實驗目的 探究向心力大小與半徑、角速度、質量的關系.

問題6 在實驗中，需要測量哪些物理量呢？如何測量？

問題7 需要準備哪些實驗器材？

學生根據分組，進行研討、制定實驗方案.對制定的實驗方案進行可行性分析，然后修正，形成有依據、可操作的實驗方案.

學生通過實驗能夠發現，向心力演示器只能測出向心力與各因素之間半定量的關系，不能準確測量向心力與各因素之間的定量關系.為實現探究向心力與各因素之間定量關系的目標，教師應鼓勵學生對實驗儀器進行改裝，然后實施實驗.

方案設計階段，教師需及時引導學生，進行綜合評價，有效提升學生的科學探究能力.將“證據”意識貫穿實驗方案設計過程，讓學生對已有知識進行綜合運用，培養學生證據意識，提升學生的科學探究能力，促進學生核心素養的提高.

5 實驗數據分析

數據分析是根據實驗采集的數據運用邏輯、數學等方法對文字、表格以及坐標圖像等方式進行分析、整合，概括數據間的規律，最終發現物理規律的方法.數據分析中，結論的得出，要建立在證據的基礎上.

學生處理實驗采集的數據，得出結論，是一個充滿艱難險阻的過程.

問題8通過數據處理，向心力大小跟半徑滿足怎樣的關系？如何得到這種關系？

各組代表交流發言（各組獲得結論的方法可能不一樣，有的小組能夠獲得支撐結論的一條證據，有的小組能夠獲得多條證據）

演示處理 以甲組記錄“向心力大小與半徑的關系”實驗數據為例.

通過觀測發現，向心力大小隨半徑大小均勻增加；設置橫軸為半徑 （r） 、縱軸為向心力 （F_n） ，將數據導人坐標系，形成散點圖，觀察坐標點分布特點，通過觀測，發現坐標點基本分布在同一直線上；運用Excel進行擬合發現， F_n-r 圖像是一條傾斜的直線.

學生通過對實驗數據進行處理、交流、解釋的結論作為總結“向心力大小跟半徑的關系”的證據：根據以上三個證據，得出：做勻速圓周運動的物體，向心力大小跟運動半徑成正比，記作 F_n∝r ：

問題9通過探究\"向心力大小跟半徑的關系”的過程，你能用類似的方法尋找幾個證據支持你已總結的關于“探究向心力大小跟質量的關系”結論嗎？請完善證據，交流意見.

學生在探尋“探究向心力大小跟質量的關系”結論的證據時，增強了證據意識，培養了學生嚴謹的科學探究態度.

各組代表進行交流發言、總結.有的小組在原來的證據基礎上，又取得新的證據；有的小組分享方法；也有的小組分享心得.

學生展示實驗數據，交流獲取證據的過程，總結向心力大小與質量的關系.

通過初步觀測，向心力大小與質量大小呈正比關系；設置橫軸為質量 η（m） 、縱軸為向心力 （F_n） ，將數據導入坐標系，形成散點圖分布圖，觀察發現坐標點基本分布在同一直線上；將數據運用Exce1對散點圖進行擬合，生成 F_n-m 圖像，發現是一條傾斜的直線.

“向心力大小與質量的關系”的結論：基于數據和圖像形成的證據，做勻速圓周運動的物體，向心力大小跟物體質量成正比，記作： F_n∝m

問題10運用處理向心力大小與半徑、質量關系的方法，能否得到向心力大小與角速度的關系？（突破向心力大小與角速度的關系，是本節內容數據處理的難點）

學生根據記錄的實驗數據，進行處理發現，向心力大小隨角速度增大而增大，且增加的幅度越來越大；建立坐標系，將數據導入坐標系，形成散點圖，坐標點沒有分布在同一直線上；用光滑曲線進行擬合，F_n-ω 圖像不是一條傾斜的直線.

結論：通過掌握證據，只能得出向心力隨角速度增大而增大.

學生交流獲取證據的方法以及遇到的問題，根據已有的方法不能得出實驗結論.

教師對比進行干預，作出綜合評價，引導學生觀察.

6向心力表達式的構建

從一個或幾個已知判斷得出另一個新判斷的思維過程就是推理.基于證據進行綜合分析推理，能增強學生的科學推理能力，是促進學生物理學科核心素養養成的重要途徑.向心力表達式的構建是在明確向心力大小與半徑、角速度、質量之間關系的基礎上，類比牛頓第二定律表達式的構建思想，進行類比推理，讓學生易于理解，便于應用，

討論回顧 回顧加速度與物體受到的作用力、加速度與物體質量的關系時總結出牛頓第二定律表達式的思想和方法.

學生回顧相關知識后交流發言：通過處理加速度與物體受力關系實驗數據，得： a∝F ；通過處理加速度與物體質量的關系的實驗數據，得：

對以上實驗結論進行整合，則： ;整理得：F=Kma ，查閱資料，根據國際單位制，知 K=1 ，因此 F=Kma 表示為 F=ma ，該式為牛頓第二定律的表達式.

問題11在探究向心力大小與半徑、角速度、質量的關系實驗中，通過對實驗數據進行處理，已經知道向心力與各要素之間的關系，通過構建牛頓第二定律的方法，你有什么發現？

學生交流通過處理向心力大小與半徑、角速度、質量的實驗數據，已經知道： F_n∝r，F_n∝ω² ，

FOc m.

通過類比牛頓第二定律表達式的邏輯推理方式，對影響向心力大小的三個因素數據處理結論進行整合得： F_n∝mω²r ，變形為等式： F_n=Kmω²r ，由國際單位制知 K=1 ，因此做勻速圓周運動的物體，向心力表達式為： F_n=mω²r ：

通過類比構建牛頓第二定律的方法對向心力與各物理量關系進行邏輯推理，進而突破教學難點，培養學生邏輯分析和邏輯推理能力，通過證據構建向心力表達式，使學生獲得成功喜悅，促進學生對證據意識的重視，發展學生科學探究能力，落實核心素養目標.

7結語

在教學實踐中培養學生證據意識，提升學生科學探究能力，升華學生對物理知識的理解和運用，促進學生形成核心素養，是發展關鍵能力的有效途徑.證據意識貫穿于物理教學的各個環節.教師在教學設計的過程中，要立足于學生實際，以“以學生為中心”為出發點，突出學生“主體”地位，引導學生基于證據進行理性推理.同時，教師發揮“主導”作用，及時給予學生多元化的評價，對學生進行肯定和指導，激發學生對學習的內生動力.

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