聚焦科學思維優化初中物理實驗教學

摘 要：培養科學思維是物理學科育人的重要目標之一。物理教學要利用實驗活動，推動學生思維螺旋上升。在初中物理教學中，教師要結合物理實驗教學，從實驗證據收集、問題啟發、推理論證、科學建模等方面讓學生積極思考，大膽質疑；在論證中提煉科學方法，引領學生全面、深入地認識科學本質和科學原理，提升學生科學思維水平。

關鍵詞：初中物理；科學思維；實驗教學

中圖分類號：G632"" 文獻標識碼：A"" 文章編號：1008-0333（2025）14-0091-03

收稿日期：2025-02-15

作者簡介：曹煒煒，教育碩士，一級教師，從事初中物理教學研究。

在物理學科核心素養中，科學思維是精髓。學習物理課程，實驗教學是重要內容。教師要依托實驗活動，關注學生科學思維的培養。科學思維是認識物理現象、探究物理規律、把握物理本質的重要條件，主要包括科學論證、質疑創新、科學推理、模型建構等能力。初中物理課程教學目標主要是讓學生能夠運用簡單的物理知識來解釋生活中的物理現象，而物理實驗能夠為揭示物理現象和物理規律提供幫助。在設計物理實驗活動中，除了關注實驗目的、實驗工具、實驗方法外，教師還要依托實驗，引領學生參與科學探究，獲取并驗證科學知識，促進學生對物理規律的主動探究和深刻認識，為發展學生科學思維奠定基礎。

1 關注科學論證過程，增強學生證據意識

探究物理的原理、性質及規律，需要建立在科學的證據論證基礎上。科學論證通常以比較、分析、歸納、演繹等思維方式，對相關假設或理論是否正確進行檢驗，強調基于證據和邏輯的科學思維[1]。

在“聲音的產生和傳播”教學中，對于聲音的產生，根據定義，聲音是由物體的振動產生的，在實驗中學生能夠直觀感受這一現象。相比而言，學生死記硬背該結論，難以有深入、細致、真實的體驗，更無法做到靈活運用和掌握。為此，教師在設計實驗過程時，首先要引導學生從相關物理實驗中去觀察、收集相關證據，并通過證據來驗證該結論的科學性、嚴謹性和真實性，從而發展學生的論證能力。對比實驗現象：讓學生親身體驗鋼尺、皮筋、紙張發出的聲音，然后對比材料，探究發聲的本質是什么。顯然，這些物體之所以能夠發聲，是因為在外力的作用下發生振動，由此歸納出“物體在振動時，能夠發出聲音”這一結論。接下來，教師提出問題：有沒有不振動就能發聲的物體或實例？有學生想到敲門時，門沒有振動，就發出咚咚的聲音，有學生想到用耳機聽音樂，有學生想到吹口哨。顯然，上述發聲現象的振動太小，肉眼難以有效感知。然后，教師通過直接演示“用橡膠錘輕敲音叉”，所有學生都能聽到音叉發出的聲音，驗證“音叉在振動，但其幅度太小，無法直觀看到振動現象”這一結論。一些學生對音叉的振動幅度很小表示懷疑，教師提出問題：利用哪些方法能夠驗證音叉是振動的？學生在交流后提出：可以將音叉靠近懸掛的泡沫球，觀察到泡沫球被彈開；可以將音叉放在水中，觀察水面有細密的水波紋；可以用手指輕觸音叉，感受到輕微振動。最后，通過上述物理實驗，揭示聲音是由物體的振動產生的。物體振動時，發出聲音；不振動時，聲音停止。

2 強調問題啟思，發展學生質疑品質

學貴有疑。質疑是一種優秀品質，也是學習物理、掌握科學方法的重要條件。在初中物理實驗教學中，教師要結合實驗目標，帶領學生參與實驗過程，觀察實驗現象，大膽質疑[2]。質疑是一種思維能力，建立在已有知識和經驗基礎上，通過主動思考，提出不同的想法或見解。可見，質疑要敢于打破慣性思維，摒棄固有觀念，強調創新與變革。在實驗教學設計中，教師作為實驗活動組織者，要圍繞實驗內容，重視問題啟發，通過問題來發散學生的思維，幫助學生獲得問題解決能力。

在探究“液體傳聲的證據”實驗中，該實驗的目標是通過在水中敲打鐵塊，讓學生觀察、聆聽能否產生聲音，從而證明“液體傳聲”這一結論。在實驗實施前，教師要做好實驗準備，排除可能存在的干擾因素，提升實驗結果的準確性、真實性和科學性。教師先進行實驗演示，有學生表示能夠聽到較輕的響聲，也有學生質疑響聲的來源，與手在水下運動有關。為此，教師組織學生討論如何規避手的干擾。有學生提議，可以借助手機播放音樂來替代鐵塊；有學生提出補充建議，不能直接將手機放進水里，可以借助塑料防水袋包裹手機，確保手機正常運作。教師再次啟發學生思考將手機放入水里，還有哪些需要注意的事項。有學生想到，手機放在水里，需要全部浸入水中；有學生建議，手機不能觸碰水槽底部，避免水槽對“液體傳聲”帶來干擾。手機在水下，既不露出水面，又不觸碰槽底，選擇何種方式更適宜？有學生想到，可以利用繩子系住手機防水袋，懸掛于水中；有學生果斷質疑，系防水袋的繩子，有可能成為干擾源，干擾“液體傳聲”；有學生提出建議，可以在防水袋里充入空氣，使其懸浮水下。在一系列問題的引領下，學生對“液體傳聲”實驗方案進行了全面討論與分析，最終利用保鮮膜包裹手機，并在防水袋中充入適量的空氣，使其懸浮于水中，如圖1所示。

從實驗操作中發現，手機自身體積較大，包裹后懸浮于水面下，有可能與杯壁發生觸碰而干擾實驗結果。為此，教師與學生共同商討提出改進實驗，利用發光發聲芯片作為發聲體，懸浮于水下具有良好的實驗條件。在音樂響起時，學生都聽到了聲音，只是從水下傳來的聲音比在空氣里的聲音小一些。在上述實驗優化過程中，教師圍繞實驗可能存在的干擾源問題，鼓勵學生大膽質疑、積極探索、改進實驗方案。不同想法的碰撞能夠發展學生的創新思維，而質疑能夠讓學生的思維更加靈活，促進學生科學思維品質的提升。

3 挖掘內在聯系，發展學生科學推理能力

事物的發展是普遍聯系的。在科學思維訓練中，教師要重視挖掘事物之間的內在聯系，引領學生在對比、歸納、演繹等過程中探索科學規律，逐步找到解決問題的方法和途徑。科學推理建立在科學思維基礎上，在物理學中，對概念、原理、規律的解釋往往離不開科學推理過程[3]。

在探究“真空不能傳播聲音”這一理想實驗時，為驗證該實驗結論，必須獲得真空實驗狀態。教師圍繞抽真空這一任務，組織學生思考并討論實驗方案。首先，引出猜想：如何設計并獲得真空容器？有學生認為，將一個密閉容器中的空氣抽盡就可以得到真空容器。有學生想到，可以先向該容器注滿水，然后再將水抽干，即可得到真空容器。接著，教師提出問題：如何選擇發聲體？有學生想到，可以選擇帶小鐵錘的電鈴，電鈴發聲時，可以看到小鐵錘在振動。但有學生質疑，電鈴振動時，可能干擾實驗中的其他部件，導致實驗結論不準確。有學生提議，可以將發聲體懸掛起來，不與其他部件接觸。師生交流后決定將密閉玻璃鐘罩進行抽真空來驗證“真空條件下不能傳聲”結論。但在進行抽真空后，依然能夠聽到懸掛電鈴的聲音。對該現象進行分析，有學生認為密閉玻璃鐘罩內可能還有氣體，未達到真空標準；也有學生認為之所以能聽到聲音，與懸掛電鈴的棉線有關，棉線與玻璃鐘罩接觸，可能干擾“真空不能傳聲”實驗結論。針對上述問題，教師與學生共同討論解決辦法。有學生借鑒磁懸浮列車原理，提議可以通過磁鐵將發聲體懸浮于玻璃鐘罩內。為此，將銣磁鐵與發聲芯片綁在一起，重新改進實驗裝置，如圖2所示。

為了得到無接觸懸浮狀態，教師利用磁敏電阻設計反饋電路來控制電磁鐵的磁力，使其能夠將發聲芯片和銣磁鐵懸浮起來。同樣，為了形成真空環境，利用拔罐器，配合硅膠密封，再對罐體進行抽真空。在抽真空過程中，打開發聲體，讓學生去聆聽，對比不同時刻聲音的大小變化。抽真空時間越長，所聽到的聲音會越小，說明該實驗裝置越來越達到真空狀態。在不斷抽真空后，發聲體依然在發光發聲，卻聽不到聲音。由此可見，在“真空不能傳播聲音”改進實驗裝置中，隨著拔罐器內的空氣越來越少，在趨向于真空條件下，聲音由大慢慢變小，直至聽不到聲音，推理可知聲音的強弱與拔罐器內空氣的多少有關。教師通過該實驗，讓學生經歷了歸納推理與演繹推理的過程，理解并掌握了無法直接通過實驗來驗證結論時，可以通過理想實驗法來進行科學推理，進而提升了科學推理能力。

4 融入模型建構，發展學生科學建模能力

在科學思維中，建模能力是重要的組成部分。通常教師在解釋科學概念或抽象理論時，會通過模型建構來幫助學生深刻認識科學理論。建模是一種科學方法，在初中物理實驗教學中，教師需要根據實驗內容、學情實際，組織學生參與模型建構活動，發展學生科學建模能力。

在“聲音是以什么形式在介質中傳播”實驗探究中，聲音本身看不到摸不著，無法直觀感知其形式。在教材中，以“水波紋”來比作聲波，雖然能夠讓聲波的形式具有可視性，但也會讓學生對聲波形式產生錯誤認知，比如，一些學生認為聲波是一部分空氣向四周傳播等。為此，教師引入建模理論，利用彈簧疏密相間的波來類比聲波，幫助學生建立正確的聲波模型。初建模型，根據教師說話推測聲音是如何傳播到教室的各個角落。形象感知，利用彈簧圈，一手不動，另一手推動彈簧圈，觀察彈簧圈的形狀變化及特點。概括模型，彈簧圈由一邊向另一邊傳導，沿著相同方向形成疏密相間的波。修正模型，由彈簧波推測聲波的傳播形態，幫助學生理解空氣中聲波的特點。教師對空氣中聲波模型進行解釋，參照彈簧圈的振動形態，聲波也是一波一波向外傳遞，在空氣中形成疏密相間的波形，其本質是以波的形式傳遞能量。

通過形象模擬可知，彈簧圈間距不同，其傳遞的能量也不同。在振源相同條件下，間距最小的彈簧圈，振動傳遞速度最快，間距居中和間距最大的彈簧圈，傳遞速度最慢。由此，學生在頭腦中可以自主建構聲波的振動模型，推斷出聲波在固體中傳播速度最快，其次是液體，在氣體中最慢。建模理念依托于物理模型，教師將抽象的物理問題模型化、直觀化，便于揭示物理的本質屬性，并深化學生對物理概念、規律的理解和掌握。

5 結束語

初中物理實驗教學為發展學生的科學思維創造了條件。教師要全面綜合物理實驗內容，精準聚焦學生科學思維，在實驗證據的收集、實驗現象的歸納和演繹推理中，逐步讓學生認識、把握物理本質。科學思維的培養，需要教師聯系學生生活，注重問題啟發，挖掘內在關聯，突出發散思維，滲透科學建模活動，讓學生在親身體驗中提升科學探究精神。

參考文獻：

［1］王優媛。指向科學思維的初中物理實驗教學實踐[J]。中學物理，2024，42（08）：38-41。

[2] 曹麗。例談初中物理實驗教學中科學思維培養的策略[J]。中學科技，2022（19）：45-46，49。

[3] 李有苗。初中物理實驗教學中科學思維的培養策略分析[J]。知識文庫，2022（06）：121-123。

［責任編輯：李 璟］