初中物理實驗探究主題下學生科學思維培養思考與實踐

董清華 楊 皎

湖北省松滋市南海鎮南海初級中學(434201)

《義務教育物理課程標準(2022年版)》課程內容在2011年版的基礎上新增了“實驗探究”主題,包含21個學生必做實驗。實驗探究是初中物理教學的重要內容,也是一種重要的教學手段和方式。落實好實驗探究主題教學,充分發揮實驗探究育人功能,可有效促進學生核心素養的養成。

1 實驗探究、科學探究和科學思維

1.1 實驗探究

《義務教育物理課程標準(2022年版)》在2011年版“注重實驗探究”“倡導科學探究式教學”[1]要求的基礎上,結合初中學生核心素養培養實際新增了實驗探究。這個主題下設2個二級主題,包括9個測量類必做實驗(6個直接測量實驗和3個間接測量實驗)和12個探究類必做實驗。

實驗探究的2個二級主題的側重點不同,其中測量類學生實驗側重于培養學生的實驗技能,包括動手能力、觀察能力、記錄能力、操作能力以及安全實驗能力培養等。探究類實驗側重于培養學生的科學探究能力,特別是提出問題做出合理猜想、實驗方案設計和遴選、收集處理數據、解釋總結和表達交流評估以及團隊合作等能力的培養。但是這2個類型的必做實驗是無法嚴格區分的,他們之間雖然側重點不同但是相互聯系,測量性學生實驗可能包含科學探究的步驟,而探究類實驗又離不開各種測量[2]。

1.2 科學探究

科學探究,在初中物理教學中有3個方面的含義:

(1)科學探究是一種重要的學習方式,也是培養學生探究能力的有效途徑?！镀胀ǜ咧形锢碚n程標準(2017年版2020年修訂)》中明確指出:“科學探究”是指基于觀察和實驗提出物理問題、形成猜想和假設、設計實驗與制定方案、獲取和處理信息、基于證據得出結論并做出解釋,以及對科學探究過程和結果進行交流、評估、反思的能力。同時,科學探究也是學生學習物理知識、培養學習能力的一種學習方式[3]。

(2)科學探究是物理教師的一種教學方法。探究式教學方法是初中物理的一種常見教學方法,兩版《義務教育物理課程標準》都強調教師要科學合理地選用教學方式,其中要特別注重科學探究式教學[4]。

(3)科學探究是學生核心素養培養的一個重要方面。2022年版的《義務教育物理課程標準》,將三維目標全面提升為學生核心素養的培養,結合義務教育物理課程設置要求,根據發揮學科育人功能并利于學生終生發展的要求凝練為物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任4個核心素養?？茖W探究主要包括問題、證據、解釋、交流等4個方面[4]。

1.3 科學思維

科學思維是具有意識的人腦對科學事物(包括科學對象、科學現象、科學過程、科學事實等)的本質屬性、內在規律及事物的相互聯系的間接和概括的反映,是物理課程要培養的核心素養的核心內容[2]。義務教育物理課程要培養的科學思維主要包括模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新等。

1.4 實驗探究與科學探究

對比2011年版和2022年版的《義務教育物理課程標準》,實驗探究和科學探究兩個概念還是有區別的?！读x務教育物理課程標準(2011年版)》強調“科學探究既是學生的學習目標,又是重要的教學方式”[1],同時科學探究也是課程內容之一?！读x務教育物理課程標準(2022年版)》,指出科學探究是物理課程需要培養的學生核心素養之一,另外新增了實驗探究并將其作為主題教學的課程內容之一,可以看出新課標將科學探究和實驗探究區分開了。

但在實際教學中,科學探究、實驗探究、探究式教學3個概念是有一定聯系的。①探究式教學包括7個基本步驟:提出問題、猜想與假設、設計實驗與制訂計劃、進行實驗與收集證據、分析與論證、評估、交流與合作;②《普通高中物理課程標準(2017年版)》中強調科學探究需要培養6個能力:基于觀察和實驗提出物理問題、形成猜想和假設、設計實驗與制定方案、獲取和處理信息、基于證據得出結論并做出解釋,以及對科學探究過程和結果進行交流、評估、反思的能力[1];③《義務教育物理課程標準(2022年版)》中科學探究素養目標包括問題、證據、解釋、交流4個要素;④實驗探究主題教學強調的“實驗探究可以有效培養學生的各種探究能力,包括發現問題和提出問題的能力,動手操作及收集、分析和處理數據的能力,解釋數據的能力、表達和交流的能力等”[4]。以上4種說法雖然不同,但是內容大同小異,可以統一到核心素養目標中關于科學探究的4個要素中來。

因此,我們認為:初中物理教學中,實驗探究教學就是以物理實驗為教學內容,采取探究式為主的教學方式,借助科學探究的教學手段,培養學生科學探究能力的教學。那么,教師不要拘泥于實驗探究與科學探究關系問題,而應將重心放在實驗教學中如何圍繞問題、證據、解釋、交流等4個方面設計和組織教學過程上。

1.5 科學探究與科學思維

科學探究與科學思維是義務教育課程標準需要培養的核心素養的2個方面。和物理觀念、科學態度和責任一起構成核心素養這個整體,相互之間既有聯系又能相互促進。應該說,每一個方面素養的加強都會對學生整體素養的提升起到促進作用,并觸發其他素養的進一步發展。

1.6 實驗探究與教育信息化

新課標下的實驗探究主題教學十分注重教育信息化手段的應用。在21個實驗探究主題教學中,有15個實驗可以借助傳感器、手機軟件、數顯電子儀器完成,如靜力傳感器可以完成力學大部分實驗,溫度傳感器可應用于熱學實驗,位移傳感器、手機距離和時間測量軟件可以進行機械運動相關物理量測量,電流、電壓傳感器、示波器用于電學探究性、測量性實驗,電磁傳感器可以完成電磁場的相關實驗。教育信息手段在實驗探究教學中的應用,可以讓學生體會到科技進步對我們生活的積極影響。

2 實驗探究主題下科學思維培養的基本模式

在教學實踐中,我們可以采取圖1中模式開展實驗探究主題教學。

圖1 實驗探究主題下科學思維培養的基本模式

可以看出,教師在課堂教學中要充分體現學生主體地位,給學生留出適當的時間和空間,讓學生自主完成思考、操作、合作、交流等學習活動,在解決問題過程中建立物理觀念,在不斷進行的思辨、討論、分析、論證、評估等活動中培養科學思維,從而培養核心素養。同時還要主要發揮教師的指導作用,讓教師靈活合理的選用各種教學方法,比如講授法、實驗法、提問法、小組活動法等達到預定的教學目標。當然在教學過程中,我們還應該充分發揮現代信息教育手段的作用,高效實施課堂教學。

3 實驗探究主題下科學思維培養的實施策略

3.1 創設真實情境,激發探究興趣

教師在實驗探究主題教學前,一定要根據實驗探究的內容和目的,結合生產、生活的實際創設真實情境。情境的選擇要體現真實性、生活性和趣味性,注重從學生身邊常見的現象和事例中選取,要能夠體現“生活—物理—社會”的要求,應為真實有趣的情境,從而充分調動學生的探究欲望,讓學生樂于去探究真實的物理問題。

案例1:“探究影響壓力作用效果的因素”情境創設。

活動1:(多媒體課件)播放傳說中的“氣功”表演:胸口碎大石視頻。

活動2:(多媒體課件)播放爸爸用鈍刀和小男孩用切果器切蘋果的廣告視頻。

活動3:教師出示牙簽、厚黃瓜片和氣球。先將1根牙簽插入黃瓜片上,請同學上臺將氣球放在牙簽上,輕輕用力,結果氣球破裂。教師再將很多根牙簽緊密插在黃瓜片上,請同學上臺將氣球放在牙簽上,輕輕用力按壓氣球,氣球完好無損。繼續用力按壓,結果一樣。教師讓學生推薦的“大力士”上臺,用了很大的力氣才讓氣球破裂。

教師:視頻中表演者在釘床上表演胸口碎大石為什么沒有受傷?爸爸用鈍刀時采用什么方法將蘋果切開?我們怎樣讓氣球不容易破裂?結合壓力的概念,請學生猜想一下影響壓力作用效果的因素有哪些,并借助生活經驗證明猜想是否合理。

分析:這個實驗探究中,教師先是用胸口碎大石的視頻和切蘋果廣告視頻激發學生探索生活奧秘的興趣,特別是釘床表演給學生造成視覺震撼,用新奇的現象激發了學生的興趣,讓學生經歷認知沖突到深入思考:表演者沒有受傷的原因是什么?兩個視頻共性問題是什么?從而引導學生發現問題,提出問題。接下來的活動,教師選取了生活中常見的物品(牙簽、黃瓜片和氣球),讓學生動手實踐,一方面是驗證前面事例的真偽,另一方面引發學生針對提出的問題作出合理的猜想:壓力的作用效果與壓力大小和受力面積大小可能有關。情境的選擇和設計體現了“從生活到物理,從物理到社會”的思路。

3.2 設計合理方案,培養思維能力

在實驗探究教學的證據階段,教師要引導學生解決好兩個問題:完善實驗方案和正確收集數據,而其中的重點是實驗方案的設計,要結合實驗器材實際情況和教學時間選擇合理、科學、時間短、易于操作和數據收集的實驗方案。在這個階段,我們一定要注重培養學生的科學思維能力,特別是模型建構和科學推理能力。

案例2:“探究滑動摩擦力大小與哪些因素有關”的實驗設計。

教師:剛才我們通過討論,猜想出滑動摩擦力的大小可能與壓力的大小、接觸面的光滑程度、接觸面積的大小以及物體運動的速度有關。那么,請同學們結合教師為大家準備的實驗器材思考一下:你準備用什么測量滑動摩擦力?

學生:用彈簧測力計來測量。

教師:滑動摩擦力產生在接觸面上,方便用彈簧測力計測嗎?前面我們學習過畫受力分析示意圖,哪位同學來畫一畫我們拉著木塊在木板上運動時的受力情況?

學生上臺畫圖后,教師引導學生分析木塊在豎直方向受到的重力與支持力是一對平衡力,根據二力平衡知識,可以根據重力大小知道支持力的大小。

教師:木塊在水平方向上受到兩個力:拉力和滑動摩擦力,我們可以用彈簧測力計測量拉力的大小,能不能間接測量出滑動摩擦力的大小?

學生:如果木塊受到的滑動摩擦力與拉力是一對平衡力,只要測出拉力的大小就可以測出滑動摩擦力的大小。

教師:滑動摩擦力與拉力在什么情況下才是一對平衡力?

學生:讓彈簧測力計拉著木塊在木板上做勻速直線運動就行了。

教師:滑動摩擦力的大小可能與壓力的大小、接觸面的光滑程度、接觸面積的大小以及物體運動的速度有關,那么我們要探究滑動摩擦力與壓力的關系,需要怎么做?與其他幾個因素的關系呢?請大家分組討論并匯報。

學生:我們可以采用控制變量法的思路設計實驗。比如,我們使用同一木塊的同一面在同一個木板表面來控制接觸面積和接觸面粗糙程度相同,分別在木塊表面放1個鉤碼、2個鉤碼和不放鉤碼來改變壓力的大小,看滑動摩擦力是否變化。

分析:案例的前一部分教師通過構建“二力平衡”和“勻速直線運動”模型,引導學生運用轉換法的思路來間接測量滑動摩擦力。在實驗探究教學中,我們還可以借助杠桿、光線、磁感線、串并聯電路這些常見模型幫助設計實驗,進行實驗分析和驗證。案例的后一部分教師引導學生借助“控制變量法”的思路來設計實驗。在初中階段,控制變量法、轉換法、類比法、等效替代法、理想實驗法等都可以為我們設計實驗方案提供幫助。

3.3 注重邏輯分析,科學推理論證

在學生收集相關證據后,教師要引導學生處理數據和相關信息,為解釋打好基礎。在解釋階段要培養學生科學推理和科學論證能力,比如利用分析與綜合,抽象與概括,比較與分類等思維方式,結合歸納推理、演繹推理、類比推理等推理形式,對收集到的數據和信息進行處理,形成解釋所需要的完整證據。同時根據收集到的證據引導學生對所研究的問題進行描述、分析和解釋并表達出來,培養學生的科學論證能力。

案例3:“探究凸透鏡成像的規律”數據處理。

經過實驗,某實驗小組得到的實驗記錄見表1。其中,凸透鏡的焦距f=10 cm。

表1 凸透鏡成像規律實驗記錄表

教師:結合上面的實驗數據,引導同學們根據像的性質將收集的數據進行分類。

學生1:第1到5次實驗為一類,是實像;第6次實驗為一類,是虛像。

學生2:第1、2次實驗為一類,是縮小的像;第3次實驗為一類,是等大的像;第4、5、6次實驗為一類,是放大的像。

教師:根據回答引導學生進一步細分類。

學生3:第1、2次實驗為一類,特點是倒立縮小的實像;第3次實驗為一類,特點是倒立等大的實像;第4、5次實驗為一類,特點是倒立放大的實像;第6次實驗為一類,特點是正立放大的虛像。

教師:我們結合焦距的大小與剛才分的4類中物距、像距大小進行分析,看你是否發現什么規律?

學生:u>2f時,成倒立縮小的實像;u=2f時,成倒立等大的實像;2f>u>f時,成倒立放大的實像;u

分析:初中學生因為年齡的特點和思維發展水平原因,對數據和信息的處理是缺乏經驗和能力的。案例中教師教給學生數據和信息常用的處理方法:分類和比較、分析和綜合。教師在教學實踐中,要結合學情,有意識地進行科學思維能力培養訓練,培養學生初步的邏輯推理能力;同時加強學生科學論證能力培養訓練,培養學生收集證據、運用證據解釋的能力。

3.4 指導交流評估,強化質疑創新

很多教師實往往不重視驗探究的交流環節,覺得交流評估只要走走形式就行了,忽視了這是學生進行自我反思、相互交流的重要環節,也是培養學生對實驗的可靠性、合理性進行思考和發表見解提出新方案的重要環節。

案例4:傳感器實驗“探究水在沸騰前后溫度變化的特點”交流評估。

使用傳感器測量水在沸騰時溫度的變化,實驗器材及實驗數據如圖2、圖3所示。

圖2 使用傳感器測量水在沸騰時溫度變化實驗裝置(加蓋)

圖3 使用傳感器測量水在沸騰時溫度變化實驗裝置(不加蓋)

教師:在剛才的實驗中,我們借助傳感器和專業軟件探究了水在沸騰前后溫度變化的特點,你發現了什么?

學生1:水在沸騰時繼續吸熱但是溫度保持不變。

學生2:我發現在燒杯上加蓋和不加蓋,水沸騰時的溫度不同。加蓋后水沸騰時的溫度高一些。

教師:那么在燒杯上加蓋對實驗有哪些影響?請同學們結合教材中實驗裝置圖,分小組進行交流討論。

學生3:加蓋可以防止熱量散失,從而加快水的沸騰,縮短實驗時間。

學生4:加蓋方便固定溫度計。

學生5:加蓋可以防止水沸騰時大量水蒸氣在溫度計上液化形成小液滴,影響讀取溫度計示數。

學生6:有壞處,會使得水沸騰時的溫度比正常情況下高,浪費燃料。

教師:為什么加蓋后,水沸騰時的溫度比不加蓋的高呢?師生共同分析得出:當燒杯加蓋后,水蒸氣聚集在燒杯內,使燒杯內氣壓升高。這說明液體的沸點與氣壓有關系,當液體上方氣壓升高,液體沸點升高。所以,加蓋后沸騰時的溫度比不加蓋時高。

分析:案例中,教師借助傳感器讓學生體會到現代信息教育手段給物理教學提供了便利,讓學生將學習的重心放在水沸騰時溫度變化的特點,而不是放在記錄數據、處理數據(繪制坐標圖)等步驟上。在交流評估環節,通過分析專業軟件處理好的圖像,找到突破“燒杯上加蓋的利和弊”這個教學難點的契機,打開學生的思路,結合常規實驗和傳感器等信息技術參與的實驗,科學有效地組織了實驗探究后的反思。

4 結語

通過實驗探究主題下科學思維培養的實踐研究,我們認為在初中物理教學中,物理觀念是基礎,科學思維是核心,而科學探究是我們學習物理觀念、發展科學思維、培養科學態度與責任的手段和途徑。實驗探究主題為初中物理課堂教學中發展學生核心素養提供了一個很好的實踐機會,借助實驗探究我們可以抓住科學思維和科學探究這兩個核心素養,讓物理觀念在學生心里扎根,同時培養學生嚴謹、實事求是的科學態度和責任。