依托实验培养学生的科学思维

宋静 周枫

摘   要：物理实验的关键不仅在于培养学生的动手能力，更在于培养学生的科学思维。教师在实验教学中应遵循实验分析的逻辑框架，在常规实验和拓展性实验中，激活思维过程，强化学生的分析推理能力和科学论证能力，以提升学生的物理核心素养。

关键词：物理实验;实验教学;科学思维

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2019）10-0068-4

物理是一门以实验为基础的自然学科，物理教学中的许多实验虽然是科学家所做实验的改造和简化，但仍然保留了丰富的科学思维和方法。物理实验作为物理教学的重要组成部分，其作用不仅在于培养学生的动手能力，更重要的是通过物理实验的设计和研究，在加深学生对物理概念、规律理解的同时，提升学生的科学思维和科学探究能力等物理核心素养[1]。

然而，从现有的文献和实践中都发现一个让我们遗憾的事情：学生不仅实验动手能力不强，科学思维发展更为薄弱。很重要的一个原因是实验教学普遍存在“试题化”的怪异现象，宁可让学生练习大量的物理实验试题，挖空心思寻找可能的实验试题考点、命题趋势，也不愿花时间培养学生的科学思维和能力[2]。物理教师应该认识到，物理实验的关键不仅在于培养动手能力，更在于培养学生的科学思维[3]。在物理实验教学中，教师不应只关注学生的实验操作，还应自觉地挖掘物理实验中所蕴藏着的科学思维和方法，并将其潜移默化地渗透给学生，从而在实验中提高学生的科学思维能力，通过科学思维连接物理实验与实验考查，以便学生能够举一反三地应对各种问题情境。

下面我们尝试从物理实验思维逻辑框架入手，探讨如何在实验教学中强化科学思维能力的培养。

1    物理实验的基本思维逻辑框架

物理实验是人们根据研究目的，运用科学的仪器设备，人为地控制、创造或纯化某种自然过程，使之按预期的进程发展，同时尽可能减少客观状态干扰的前提下进行观测，以探究物理规律的一种科学活动[4]。因此，实验教学有非常明晰的思维框架（图1）：干什么（实验目的）—怎么干（实验方案）—结论是什么（实验结果）—如何改进（减小干扰）。

学生在实验时，首先要明确的是“干什么”，即实验目的是什么。这是思维的起点，只有知道了实验的目的，才能知道接下来“怎么干”“为什么这么干”。

其次，学生要独立思考“怎么干”。教师应该给学生足够的时间和空间，让学生有机会借助所学的物理概念和规律，寻找可能的解决方案。例如，要测量未知阻值的电阻，可以依据欧姆定律，通过测量电阻两端的电压和经过电阻的电流来间接测量，也可以采用欧姆表直接测量。

第三，教师应有意识地设置障碍或改变实验条件，引导学生尝试寻找突破障碍、解决问题的途径和方法，以达到强化思维能力的目的。

在实验方案设计过程中，教师要树立“只有更好，没有最好”的观念，不对学生“怎么干”的方案设限。我们知道，实现同一个实验目的的方案可能有多种，同一个物理量的测量方法也是灵活多变的，而且随着技术的发展，实验手段和方法也在不断更新。教师要主动引导学生尽可能地改变测量手段和方法，帮助学生拓展实验方案、预测实验结果和可能存在的问题，在实验整体逻辑框架的基础上，培养学生的科学思维能力。

例如，我们在测量物体运动的速度时，通常采用打点计时器测量位移和时间，进而间接测量速度。教师可以拓展延伸：

交警是通过什么方式测量车速的？

你还能想到什么方法来测量速度？

教师可以借助位移传感器，模拟交警激光测速的过程：通过测量一段时间内汽车位置变化及时间来计算车速;还可以根据公路上汽车轮胎的刹车痕迹计算刹车时的速度大小等。

这些实验方案没有“最好”，只有在特定环境下的“更好”，教师可以通过对不同实验方案的讨论，培养学生的科学思维能力。

下面以初中物理实验“测量未知电阻的阻值”为例，探讨在实验教学实践中如何强化学生逻辑思维能力的培养。

2    在实验中强化科学思维发展的策略

2.1    在常规实验设计中激活科学思维

进行思维训练的最有利的时机是教学活动。在学生明确了实验目的以后，教师应给予学生充分的思考空间，通过多问几个“为什么”，引导学生明晰思维过程，提升学生的思维水平。

对于“测量未知电阻的阻值”实验，教师首先要让学生明确实验的目的是测定值电阻的阻值。学生可根据教师提供的器材，根据欧姆定律R=，尝试通过测量电阻两端的电压和电流来测量未知电阻（图2）。

接下来，教师不急着告知学生实验注意事项，在学生选择器材时追问学生：

电源要多大？为什么？

电压表和电流表量程选择多大合适？为什么？

如何改变不同电压进行多次测量？

学生通过讨论和思考，明确实验中如何选择电源、如何调节电压、如何提高测量精度、如何保护仪表与仪器等。

教师要明確：学生实验能力的发展不是教师“教”出来的，而是学生自己在思考中发展的，是科学思维发展的结果。科学思维在学生实验能力发展中起着重要的桥梁和纽带作用，物理实验能力的培养离不开学生科学思维的发展。

2.2    设置实验障碍强化科学思维

教师在常规的实验设计中激活学生的科学思维，不仅可以帮助学生更好地发展实验能力，还可以为进一步强化科学思维奠定基础。

例如，在初中“测量未知电阻的阻值”实验结束后，教师可以设置“障碍”：

如果只有电流表，我们还可以完成测量任务吗？