把握科学探究要素 提升发展核心素养

王聿奎

摘 要：科学探究的各要素之间紧密联系、相辅相成.探究时要从对要素的理解和把握中培养学生的问题意识、创新意识和反思意识，同时优化学生思维品质，使学生能够感悟探究的本质，增强探究意识，提升探究能力.

关键词：科学探究；探究意识；核心素养

科学探究是物理学科核心素养的重要组成部分.科学探究的要素包括：提出科学问题、形成猜想和假设、设计实验与制定方案、获取和处理信息、基于证据得出结论并做出解释、对科学探究过程和结果进行交流、评估、反思的能力.在科学探究的实际实施中，不是将以上要素机械的包括进来，而是要依据课程设置和探究目标的需求，[1]通过其中的某几个要素来提升学生的探究意识和能力，使学生在科学探究中不断完善学习策略，增强学习能力，从而促进发展核心素养的提升.

笔者以《对轮胎上“一點”运动轨迹的研究》为例，谈谈如何在科学探究中落实探究要素，培养探究意识.

一、形成猜想与假设

（一）从观察中提出问题，确定研究方向

有些汽车轮胎气嘴处安装的胎压监测装置行车时会发光，这些光点会随汽车的行驶显示美丽的光弧；自行车轮胎上安装的轮胎灯夜晚骑行时也会展现出绚丽的光带.对于观察到的现象，学生提出以下问题：①轮胎上的光点在行进过程中参与了哪些运动？②行进中这些光点的运动轨迹如何？③这个轨迹与哪些因素有关，如行进速度、轮胎大小、是否打滑、加速减速等.基于以上问题，学生确定了探究目标：探究行进中轮胎上一点的运动轨迹.由于实际运动的复杂性，学生结合探究目标对所研究问题进行了提炼和简化：自行车沿平直路面匀速前进且不打滑，探究轮胎上一点的运动轨迹，并确定影响运动轨迹的因素.

（二）基于已有知识形成猜想和假设

如果轮胎只在地面打滑，则光点将随着轮胎一起做匀速圆周运动；如果轮胎不转动而只在路面上滑动，则光点将做匀速直线运动，因此光点在运动过程中同时参与了匀速圆周运动和匀速直线运动，光点的实际运动状态应该是以上两种运动的合成.但是其运动轨迹的形状究竟如何，受哪些因素影响？学生有以下的几种典型猜想：①由于分运动的独立性，其轨迹是由向上凸起的圆弧构成的；②光点在地面上的投影与半径构成三角函数关系，其轨迹应该是正弦或者余弦曲线；③在两种运动合成的条件下，轨迹是被拉长的圆弧，而且轨迹可能会有相交重合的情况；④轨迹的形状与轮胎的半径和运行速度有关.

（三）在观察现象中诱发学生的问题意识

科学探究中问题意识的培养离不开对现象的兴趣和对观察的思考，其中探究要素起到助推和引领的作用，它使学生对现象的思考逐步走向深入，新问题也就应运而生.

从对感兴趣事物的观察中发现问题，进而能提出问题；学生需要对复杂的现象利用物理思维进行提炼和简化，这是学生对探究问题进行初步思考和分析的过程；在形成猜想和假设阶段，学生从运动合成角度进行分析，这是形成新问题和继续深入探究的知识前提，几种典型猜想就是基于对运动的分析，在新旧知识的冲突中产生新问题.其流程可表示为：观察现象——诱发问题——提炼简化——分析思考——提出新问题（猜想假设）.

二、设计实验，获取和处理信息

（一）依据猜想假设合理设计实验

实验设计1：用相机或手机在晚上直接对光点运动拍摄照片和视频，然后对照片和视频进行分析.拍摄的照片由于快门和曝光原因模糊不清，拍摄的视频由于背景很暗而难以达到需要的效果，而且控制变量特别是控制速度有一定难度.

实验设计2：在实验室对观察的现象进行模拟，设计为可操作的物理实验，不仅可以有效利用实验室现有器材，而且更容易进行变量控制.

所需器材有不同半径的150mm长PVC圆管（外径取[?]=50mm、110mm、160mm三种）、记号笔、PVC走线槽板（长1500mm，宽200mm）、铁架台（带铁夹）、双面胶、手机、透明玻璃纸.

实验步骤：①将PVC走线槽板一端用铁夹固定，离固定端大约600mm处用双面胶将其固定在水平桌面上，构成斜面；②在不同圆管上标记记号点和直径标记点；③将同一圆管（[?]=160mm）从不同高度自由释放，用手机拍摄其运动的视频；④将不同半径圆管从同一圆心高度自由释放，同样拍摄其视频；⑤将拍摄的视频利用利用暴风影音的逐帧播放功能，通过描点得到不同情况下记号点的轨迹（图1）.

（二）对实验结果进行处理分析

对实验所得轨迹进行分析：①记号点轨迹为一段弧线，但不是圆弧；②记号点轨迹具有周期性，而且周期可以记为图中A点运动到B点的时间间隔；③相同半径不同速度的记号点轨迹相同，即记号点轨迹的形状与速度无关；④不同半径相同速度的记号点轨迹，其周期和振幅（水平面到最高点高度）不同，说明记号点的轨迹形状与圆管半径有关.

（三）在实验设计中提升学生的创新意识

本探究实验的设计既是思维上的创新过程，也是操作上的创造过程.进行探究实验设计时，对实际现象进行模拟并能选取合适方法和器材，在实验室中完成实验并获得实验结果，整个过程都体现着学生思维上的创新和操作上的创造；后期对于实验结果的处理方法，是受打点计时器打出纸带的启发进行的改进，相对于拍摄成照片进行合成处理，操作简便易行，效果直观明显.在这个阶段，实验模拟和器材选用、有效控制相关变量（速度、半径）和对实验视频进行处理是学生创新思维的亮点.

三、基于证据得出结论并作出合理解释

（一）从理论的角度进行分析论证

标记点的运动轨迹是什么样的曲线？这个曲线是否遵循什么规律？这些从实验结果中都无法直接得出，因此要指导学生从理论上进行分析论证.从运动合成与分解的角度，对标记点轨迹规律的探讨进行模型构建，将物理问题建构为数学模型：半径为r的圆周上有一点P，随着圆周一起向前无摩擦滚动前进，且前进的速度恒为v，求P点运动的轨迹方程.

以P为原点建立图2所示直角坐标系.

设圆心O经过t时间运动到O1点，此时P点运动到P1点，且设P1点坐标为（x，y）.

t时间内P点纯转动经过的圆心角为[θ=vtr]，因此，P1点横坐标[x=vt-rsinvtr]，纵坐标[y=r-rcosvtr]，故P点运动轨迹的参数方程为：[x=vt-rsinvtr]；[y=r-rcosvtr] .

学生对于这个参数方程所代表的轨迹，难以在大脑中形成直观的形象，而且由这两个关系式消去参数t得到P点的轨迹方程，在数学处理上也超出了学生的知识范围，因此可以借助相关计算机软件（本例借助于几何画板软件）描绘出P点的运动轨迹，直观形象地展示理论推导的结果，并且在软件描绘点迹过程中可以改变相关参数.

由表格可以看出，轨迹的形状与速度无关，只与半径有关，理论分析的结论与实验探究的结果完全一致.图4为同我校摄影专业的教师一起拍摄的轮胎上一点的运动轨迹的照片.

（二）从分析论证中优化学生的思维品质

思维品质是学生在进行思维活动时表现出来的稳定的心理特征和倾向，本探究中的数学推理论证，是抓住实际问题的本质特性，既有助于学生掌握科学的研究方法，也有助于学生思维品质的提高.分析论证中学生产生的问题，教师应逐层析疑、纵深释疑、耐心答疑，调动和保持学生思维的积极性；同时要引导学生运用科学的分析、综合、判断、推理以及比较、类比、归纳、演绎等多种逻辑思维方法，逐步提升学生的思维品质.[2]在此过程中，要防止出现思维的主观性、片面性和无序性，同时要把握知识与思维的密切关系，知识结构越完整，思维依据就越充分，思维过程也越完整，思维效果也就越好.

四、对科学探究过程和结果进行交流、评估、反思的能力

（一）对探究结果进行交流探讨

学生就实验得到的曲线查阅了大量资料，知道该曲线叫做滚轮线，然后就人们对滚轮线认识历程中的一些问题，结合科学探究过程进行交流和讨论.很久以前人们就开始注意到了滚轮线.惠更斯将其对滚轮线的研究成果写进他在1673年发表的《钟表的振动》一书中.滚轮线与物理学之间的联系并不限于等时摆，瑞士数学家约翰·伯努利在1696年的《教师月报》上提出了当时被称为“最速降线”的问题，伽利略在1630年和1638年就研究过这个问题，并给出了“圆弧曲线”的结论（这个结论并不正确）.牛顿、莱布尼茨和雅克布·伯努利等在1697年《教师月报》上都发表了相关的研究成果.在雅克布·伯努利具有普遍意义的解释的基础上诞生了一门新的数学分之——变分法.

（二）对探究结果进行迁移应用

在高中物理课程中，也经常有滚轮线的身影.下题是常见的题型：

如图5所示，水平放置的两个正对带电金属板MN、PQ间存在相互垂直的匀强电场和匀强磁场.在a点由静止释放一质量为m，电荷量为+q的微粒，微粒将沿曲线acb运动，到达b点时速度为零，所用时间为t，c点是曲线上离MN板最远的点.已知重力加速度为g，不计微粒所受空气阻力.则下列说法中正确的是（ ）

A.a、b两点在同一水平线上

B.微粒到达b点后将沿bca的路径返回

C.从b点开始到下一次速度为零的时间将小于t

D.微粒在c点的电势能最低

该微粒的轨迹为向下的滚轮线，由滚轮线的特点可以很快得出：ab两点等高，微粒达到b点后将继续向右做周期性运动，因此B、C选项错误，由a到c电场力做正功，电势能减少，所以c点电势能最低，故正确选项为AD.高考题中对滚轮线也屡有涉及，如福建2013年理科综合试题（物理部分）第22题，江苏省2008年物理试题第14题等.

（三）在评估交流中培养学生的反思意识

评估和反思是学生自我提升的最佳途径，意味着学生在科学探究中的自我修正和强化、主动应对和自我调整，让学生从旧有模式和固定思维中跳出来，从而实现自我教育与发展.在本探究中，假设猜想是否合理、探究數据是否合理准确、结论能否与实际现象符合等，这些都需要学生具有一定的评估能力.评估也是对实验探究的反思过程，波斯纳认为，“没有反思的经验是狭隘的经验，至多只能形成肤浅的知识”.培养良好的反思意识，养成良好的反思习惯，提升反思的能力和水平，可以使学生不断地完善和优化自我学习的策略，促进发展核心素养的提升.[3]

总之，在实际探究过程中，探究的各个要素之间并没有非此即彼的明确界限，某个要素可以促进学生进行多方面的能力提升，某种能力可以在多个要素中进行体现，究其目的，就是为了更好地帮助学生领悟探究本质，增强探究意识，提升探究能力.

参考文献：

[1] 徐卫华.高中物理教学中科学探究要素的发掘与渗透[J].物理教师，2017（10）：12-14.

[2]王慧君.科学探究的本质特征[J].河南科技学院学报，2010（11）：81-84.

[3]田慧生.落实立德树人根本任务全面深化课程教学改革[J].课程·教材·教法，2015（1）：3-8.