高中物理实验教学中科学思维能力的培养策略探究

【摘要】科学思维能力是物理核心素养的重要维度。实验教学是物理教学的重要形式，是培养学生科学思维能力的支撑。在核心素养背景下，教师以实验教学为抓手，应用多样策略培养学生的科学思维能力。文章将联系教师现有经验，分析在高中物理实验教学中培养学生科学思维能力的策略。

【关键词】高中物理；实验教学；科学思维能力；培养策略

作者简介：谢书琴（1978—） ，女，江苏省泰兴市虹桥镇第三高级中学虹桥校区。

《普通高中物理课程标准（2017年版）》（以下简称“新课标”）凝练了物理核心素养，指明了物理教学方向。科学思维是物理核心素养的四大维度之一。新课标指明了科学思维在物理实验中的表现，如从众多的科学现象和事实中，抽象出物理概念，善用逻辑推理和演绎推理设计物理实验；在实验操作过程中，应用解决科学问题的一般规律和方法步骤，解决实验中的种种问题等［1］。由此可见，物理实验是学生发展科学思维能力的支撑。在参与物理实验的过程中，学生要有模型意识和能力；能进行科学推理，借助定量、定性分析，总结实验规律；能利用事实证据进行科学探究，表述个性想法；能大胆创新，多角度地思考，提出问题，使用多样方法解决问题，如此才能在建构物理认知、储备实验经验的同时，顺其自然地发展科学思维能力，提升物理学习效果。鉴于此，在实施高中物理教学时，教师要以实验教学为抓手，以科学思维表现为入手点，应用多样策略引导学生运用科学思维，潜移默化地发展学生的科学思维能力。

一、创设实验情境，建构模型

建构模型是科学思维的具体表现，也是学生发展科学思维能力的依托［2］。新课标提倡教学情境化，要求教师在课堂上创设教学情境，使学生在情境中建构物理认知，发展核心素养。实验情境是物理教学情境的重要构成，能够为学生提供建构物理模型的空间，助推学生发展科学思维能力。对此，在实施物理实验教学时，教师应创设实验情境，培养学生的科学思维能力。

以“探究影响通电导线受力的因素”的教学为例，在学习该内容之前，学生已经知道了磁场的概念。鉴于此，在课堂上，教师利用电子白板展示磁铁及其周围的磁场的图片。结合图片内容，教师向学生提出问题：“磁铁的周围有磁场，那么，我们可以怎样描述磁场的大小呢？”在问题的作用下，学生积极思考，迁移已有认知，提到“磁感线的疏密”。基于此，教师继续在电子白板上播放视频，进行引导：“从视频中可以看出，通电导线周围存在磁场，能吸引回形针。磁场越强，吸引的回形针的数量越多。电流的磁效应使我们知道，电流的周围存在磁场。”

教师为学生创设了情境，呈现了磁场的对象模型。在对象模型的作用下，学生发挥自主性，迁移已有认知，建构新的認知，深入探究新知。同时，学生在体验情境的过程中，不断地与磁场对象模型互动，这有利于学生形成模型建构意识，发展科学思维能力。

二、关注实验设计，科学推理

在物理实验教学中，完整的实验设计是学生进行科学推理的依据。在实施高中物理实验教学时，教师要关注实验设计，以实验目的、实验原理、实验方案为切入点，有策略地引导学生进行科学推理，发展其科学思维能力。

（一）明确实验目的，确定科学推理前提

实验目的是学生借助已有理论进行合理猜想和假设的基础。明确实验目的，可以使学生了解自变量和因变量，继而猜测它们之间的关系，实现科学推理［3］。所以，在实施实验教学时，教师可以以实验目的为切入点，让学生了解要做什么，继而迁移已有理论，探究问题，积极探寻解决问题的方法，由此实现合理推理。

以“探究影响物体下落快慢的因素”的教学为例，在实施演示实验时，教师开门见山地展示本次的实验目的：“探究影响物体下落快慢的因素有哪些。”在了解实验目的后，学生开动脑筋，联系已有认知，提出猜测，如“重的物体下落得快”。提出猜测后，学生产生了强烈的探究兴趣。于是，教师把握时机，引导学生进行实验。在实验过程中，学生依据教师提出的要求，将一张白纸一分为二，将其中一半平铺，另外一半团成球。然后，学生从同一高度，将其同时抛下。在这一过程中，学生认真观察实验现象，以验证猜想。之后，教师利用电子白板演示牛顿管实验，继续引导学生进行猜想、观察和总结，由此实现科学推理。

实践证明，学生在明确的实验目的的作用下，可以有针对性地提出猜测，进行实验，观察实验现象，得出实验结论，建构良好认知。同时，学生也在这一过程中经历了科学推理过程，发展了科学思维能力。

（二）选择实验原理，确定科学推理策略

实验原理是实验目的与实验方案之间的桥梁，是确定科学推理策略的基础。对此，在实施实验教学时，教师要引导学生探究实验变量，通过改变实验条件与变量来选择实验原理，为确定科学推理策略奠定基础。

仍以“探究影响物体下落快慢的因素”为例，在实施教学之前，教师联系生活，将生活中各种常见的物品作为实验对象。在演示牛顿管实验时，教师将羽毛和铁片作为实验对象。在实验过程中，为了确保羽毛和铁片能同时下落，教师将一个磁铁放在牛顿管上，并保证其他实验条件不变。学生认真观看实验，观察实验现象，由此建构认知，同时确定了实验的变量，了解了控制变量法。最后，教师重点引导学生思考如何优化实验方法。又如，钢球运动轨迹这一实验的目的是让学生直观地观察曲线运动的速度方向。教师将沾有红色印泥的钢球作为实验对象，钢球在白纸上运动时，会留下印记，此印记正是钢球离开轨道时的速度方向。但是，在实际实验操作过程中，受到多种因素的影响，钢球在白纸上留下的印记不明显。对此，学生发挥自主性，观察、分析教师呈现的生活物品，从中做出选择，将软尺作为研究对象。

在实验过程中，学生以实验目的为指引，一步步地探寻解决问题的方法，找出了实验原理，确定了实验方法。这有利于学生设计科学推理策略，推动实验活动的顺利进行，同时有利于学生循序渐进地进行科学推理，发展科学思维能力。

（三）设计实验方案，实施科学推理过程

实验方案是学生进行科学推理的依据［4］。科学推理的过程正是学生发展科学推理能力的过程。在课堂上，教师要了解学生的学情，确定实验重难点，引导学生自主设计实验方案。在设计实验方案后，教师则要依据科学推理步骤（选择器材并安装、实验操作、得到数据、改变自变量、整理计算数据、得出结论、计算分析实验误差），让学生经历科学推理过程。

以“验证动量守恒定律”的教学为例，学生先后了解了加速度、基本的动力学知识，但对运动中的碰撞定量不够了解。本节课的教学重难点是理解动量守恒定律，而学生对动量守恒定律的理解停留在理论层面。基于此，教师引导学生设计验证动量守恒定律的实验。教师先利用跷跷板创设生活情境，引出动量守恒定律。接着，教师为学生提供实验器材，如磨砂纸、弹簧、指示灯等，并提出实验要求：“选取合适的实验器材，设计三种验证动量守恒定律的实验方案。”在提出要求后，教师鼓励学生与小组成员交流。在交流的过程中，学生提出自己的看法，与小组成员进行思维碰撞，逐步达成统一认知，如“本次实验要测量的物理量是质量和速度，测量速度是实验的关键所在”。接着，学生设计实验方案，如用计算机系统中的Tracker软件，选择跷跷板上的两个小车上的任意一点作为坐标原点，分别对其运动过程中的速度进行追踪和测量。设计完实验方案后，学生开始进行实验，获取实验数据，并与小组成员合作，分析、处理数据。在此过程中，不少小组使用天平测量物体质量，发现实验误差在允许的范围内，由此确定整个系统的动量为零。最后，教师立足学生的实验情况，引导学生进行总结。

这样切实地让学生经历了科学推理过程。在此過程中，学生不仅设计了实验方案，进行了实验操作，分析了实验数据，总结了实验，建构了良好的物理认知，还切实地进行了科学论证、质疑与创新及科学推理，这有利于提高学生的科学思维能力。

三、关注实验方法，科学论证

科学论证是学生发展科学思维能力的途径之一。科学论证的过程是学生应用科学的方法解决问题的过程，实验方法正是学生解决问题的方法。因此，在实施高中物理实验教学时，教师要关注实验方法，引导学生有方法地操作实验，使其在完成实验任务的同时，掌握实验方法，学会科学论证，发展科学论证能力，提高科学思维能力。

以“探究加速度与力、质量的关系”的教学为例，分析数据是实验的重头戏。为使学生提升实验数据分析效果，教师引导他们使用传感器测量加速度和力。在现代信息技术的辅助下，学生轻松地获取了数据，并利用Excel表格输入公式，绘制了函数图像。接着，学生迁移数学经验，在控制变量的情况下，运用数形结合思想分析函数图像，确定加速度与其余两个变量之间存在函数关系。立足学生的分析情况，教师继续鼓励学生与小组成员合作，分析、处理实验数据。在此次合作的过程中，大部分小组自觉地使用现代信息技术，在计算机上绘制加速度a与质量m的函数图像，并将其转化为a与F的函数图像，由此得出结论：在质量保持不变的情况下，a∝F，以及在物体所受合力一定时，a∝m-1。

由此可见，学生经历验证性实验的探究过程，不仅可以掌握验证性实验探究的学习方法，还可以获取其他实验方法，如用信息技术分析数据、用数学知识解决物理问题等，由此丰富实验方法储备，提高物理实验水平，从而发展科学论证能力，提高科学思维能力。

四、进行实验创新，创新思维

创新是学生发展科学思维能力的途径。实验创新，不但是增强实验教学效果的方式，还是发展学生创新思维能力、提高学生科学思维能力的方式［5］。在高中物理实验教学中，实验器材、实验测量方法都是创新切入点。因此，在实施教学时，教师要依据教学需要，立足不同的切入点，有针对性地进行实验创新，以丰富学生的实验经验，发展学生的科学思维能力。

以“探究两个互成角度的力的合成规律”的教学为例，在传统的实验教学中，教师一般利用图1的实验装置引导学生动手操作。

这样的实验装置虽然简单，但操作和画图过程都较为复杂。针对此情况，教师创新实验装置，如图2。

在实验过程中，教师在黑板上固定带有弹簧的吸盘，同时用吸盘将木质板固定在黑板上。之后，教师找到力臂的合适位置，将弹簧上的两根细绳跨过两个滑轮，并在细线下方悬挂钩码。在拿掉钩码后，用弹簧测力计将一根细绳拉到与另外一根细绳相同的位置，利用平行四边形定则作图，如此反复进行测量。这样的实验装置比较简单，且可轻松、直观地展现实验现象。

在创新性的实验器材的作用下，学生会受到无形的熏陶，增强创新欲望，积极创新，发展科学思维能力。

总之，在实施高中物理实验教学时，教师可以以科学思维的具体表现为入手点，联系教学需要，应用多样策略实施实验教学，如创设实验情境、关注实验设计、关注实验方法、进行实验创新，让学生建构模型，科学推理，科学论证，创新思维，由此发展学生的科学思维能力，提升实验教学效果。

【参考文献】

［1］孙启奎.基于核心素养的高中物理教学策略探析［J］.文理导航（中旬），2021（10）：42-43.

［2］何敏.核心素养视角下高中物理实验教学中科学思维培养的研究［D］.大连：辽宁师范大学，2021.

［3］徐学.高中物理生态课堂理念下培养科学思维能力的探索：以弹簧连接体仿真实验培养为例［J］.物理教师，2020，41（06）：20-23，28.

［4］吴翠玲.培养推理能力 发展科学思维［J］.中学物理教学参考，2020，49（06）：66-67.

［5］刘存贤.高中物理实验教学中学生科学思维能力的培养初探［J］.新课程（下），2019（10）：203.