领悟科学探究 分组实验教学

白双艳

摘 要：实验教学的重点和模式在实际教学中往往混同于一般概念和规律教学，没有形成独有的、优化的模式，笔者采用资料分析法和测验调查法，经过整理、分析和实践，提出分组实验“三课时进阶式”模式.

关键词：科学探究;分组实验教学

文章编号：1008-4134（2020）11-0038中图分类号：G633.7文献标识码：B

廖伯琴在《普通高中物理课程标准（2017年版）解读》一书中详细阐述了物理核心素养的内涵，也对教学的任务和目标提出了明确的要求：“促进学生全面而有个性的发展，为学生适应社会生活、高等教育和职业发展做准备，为学生的终身发展奠定基础”，“进一步提高学生综合素质，着力发展核心素养，使学生具有理想信念和社会责任感，具有科学文化素养和终身学习能力，具有自主发展和沟通合作能力”.物理观念、科学思维、科学探究和科学态度作为物理学科素养的四大核心素养，落实的质量和效率关乎学生的学习能力提高程度，对其终身学习能力影响深远.

2019年昆明市统测实验题第13题，貌似识记型的送分题却成了学生的死穴，在教师为之焦虑惋惜之时，更应该分析造成这种现象背后的深层次原因.在全国大力推行课程改革的当下，对实验教學内容和模式的探索显得尤为重要且必要.

基于以上现状，笔者结合20多年的教学经验和近期的研究心得，以2019年昆明高一市统测题为例，与志同道合的教师探讨.

1 实验送分题陷入失分的困境

题目 （2019年昆明高一市统测 13题）（8分）在“验证力的平行四边形定则”实验中，某同学用图钉把白纸固定在水平放置的木板上，将橡皮条的一端固定在木板上的A点，两个细绳套系在橡皮条的另一端.用两把弹簧测力计分别拉住两个细绳套，互成角度地施加拉力，使橡皮条伸长，让结点到达纸面上某一位置，如图1所示.请将以下的实验操作和处理补充完整：

（1）用铅笔描下结点位置，记为O;

（2）记录两把弹簧测力计的示数F1、F2，;

（3）只用一把弹簧测力计，，记录测力计的示数F′，沿此时细绳（套）的方向用铅笔描出几个点，用刻度尺把相应的点连成直线;

（4）图1乙是某同学在白纸上根据实验结果画出的图，图中的F与F′两力中，方向一定沿AO方向的是;

（5）某次实验时，一同学得到力F1的方向沿图1丙中OP方向，力F2的方向沿图1丙中OM方向，两个分力的大小分别为F1=2.0N、F2=2.4N，请根据图中标示的单位长度作出F1、F2的合力F;

（6）根据作图可得F1、F2的合力大小为F =N（结果保留2位有效数字）.

参考答案：

（2）先沿每条细绳（套）的方向用铅笔分别描出几个点，再用刻度尺把相应的点连成线;

（3）通过细绳（套）将橡皮条的结点拉到位置O;

（4）F′;

（5）如图2所示.

命题意图：从知识角度看：考查学生对必修一中的重要实验“验证力的平行四边形定则”的核心知识点——实验原理（等效法）、实验操作和数据处理的掌握情况.

从能力角度看：考查考生对数据的分析能力和利用作图法求合力的能力.

测试结果：数据分析统计见表1.

考情分析：本题满分8分，平均分2.70分，平均难度0.38，属于高难度题，平均区分度约为0.46，平均区分度为优秀.第（2）、（3）问考查实验操作步骤，即力方向和大小的记录，以及等效替代的思想;第（4）问考查对实验结果的分析，即判断理论值和实际值;第（5）、（6）问考查利用作图法求合力的过程和结果.虽然整道题是对学生进行实验常规的考查，但是显而易见涉及作图法的问题得分率相当低.

典型错误：第（2）问：①对记录F1、F2两个分力的方向步骤遗忘;②不会利用“两点确定一条直线”记录力的方向;③“联系上下文解答实验题”的技巧掌握不好;④还有相当多的学生填入“以F1、F2为邻边作平行四边形求合力”，明显没有理解实验步骤的逻辑;⑤原理不明，一部分学生答道：“描B、C两点，并测量出OB、OC长度来确定F1、F2的大小”.

第（3）问：不理解等效替代，①学生对节点、O点关系不明.如表述为将O点拉到节点，绳套拉至节点，橡皮条拉至O点等.②叙述不规范，将橡皮条拉至相应的点或将橡皮条拉至标识点或某一点，将弹簧测力计拉至O点.

第（5）问：①作图不规范，细节不满足给分标准：虚实线不分、不用题中规定的符号、不标矢量箭头、铅笔作图、辅助线擦除不彻底等.②不会用作图法找合力.不理解标度的作用、随便连题中线段，组成一般四边形.

第（6）问：①未按要求用作图法求解;②不能区分有效数字位数与小数点位数;③结果大于4.4N，而不知道不合理.

学生似是而非的回答，虽然让我们哭笑不得，却真实地反映了学生对核心知识不理解：

①实验原理——等效法的理解不到位;

②实验步骤进阶不清晰;

③表述不规范;

④力的矢量性和力的图示的概念欠缺;

⑤没有理解平行四边形定则，不能够利用作图法求合力.

2 学生的认知误区和能力缺陷是教学漏洞的照妖镜

物理老师经常会把“物理是以实验为基础的学科”挂在嘴边，有意思的是在实际教学中往往实验也是在做口头文章.“以讲代做”“以练代做”是中学实验教学的常态，不少不发达地区或者发达地区的薄弱学校甚至连演示实验都不能保证.

不同学校的学生之间存在不同程度的差异，但同一个学校的学生入学时层次相近，毕业时这种差异却拉大，究其成因，不能否认教师对学生的影响.每当我们为学生拿不到基础分感到惋惜、恨铁不成钢时，对学生词不达意、胡言乱语、书写不规范感到气恼时，其实是我们应当反思的时刻：学生为什么丢分？是内因还是外因？学生并非天生愚钝，而是后天的影响对他们产生了更大的作用，有时是积极的促进作用，有时是使他们感到无趣、无助和无力.

不可否认，物理实验不单要激发学生的学习兴趣，更为重要的是通过实验教学过程，引领学生学会“如何透过现象看本质”.在2017新版物理课标中明确指出“……除此之外，学生还应该理解科学探究：……第四，理解科学探究不仅是一种综合能力，而且是学习物理的主要方式，在科学探究中掌握分析、综合、比较、分类、抽象、概括、推理、类比等思维方法，发展学习能力、思维能力、实践能力和创新能力，以及运用科学语言与他人交流和沟通的能力.”可见，分组实验为考查点的试题得分率低，教师难辞其咎.对于分组实验教学的不重视、探究方法不科学导致学生逐渐陷入对分组实验不重视、对物理学科没有兴趣、畏难情绪和放弃心理等不利于物理学习的困境.

物理分组实验的任务，不单要激发学生的学习兴趣，更为重要的是通过分组实验教学过程，引领学生学会“如何透过现象看本质”，即学会科学探究.在2017新版物理课标中明确指出科学探究主要包括问题、证据、解释、交流四个要素，而且“ …第四，（使学生）理解科学探究不仅是一种综合能力，而且是学习物理的主要方式，在科学探究中掌握分析、综合、比较、分类、抽象、概括、推理、类比等思维方法，发展学习能力、思维能力、实践能力和创新能力，以及运用科学语言与他人交流和沟通的能力.”

综上，破解分组实驗为考查点的试题关键是落实科学探究四要素.

3 言传身教 落实“科学探究”过程，突出四个要素

根据《普通高中物理课程标准（2017年版）》，科学探究是指基于观察和实验提出物理问题、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作出解释，以及对科学探究过程和结果进行交流、评估、反思的能力.科学探究主要包括问题、证据、解释、交流四个要素.

2017年版物理课标指出了科学探究在物理学习中的重要作用和内涵.“科学探究是人们探索和了解自然获得科学知识的主要方法，是提出科学问题，形成猜想和假设，获取和处理信息，基于证据得出结论并作出解释，以及对科学探究过程和结果进行交流、评估、反思的能力.以证据为基础，运用各种信息分析和逻辑推理得出结论，公开研究结果，接受质疑，不断更新和深入，是科学探究的主要特点.”除此之外，学生还应该理解科学探究：第一，理解科学探究是获取科学知识的主要途径，是通过多种方法寻找证据，运用创造思维和逻辑推理解决问题，并通过评价与交流等方式形成共识的过程;第二，理解科学探究需要围绕已提出和聚焦的问题设计研究方案，通过收集和分析信息获取证据，经过推理得出结论，并通过有效的表达与他人交流探究结果和观点;第三，理解通过科学探究形成共识的科学知识，在一定阶段是正确的，但是随着新证据的增加会不断完善和深入，甚至会发生变化;第四，理解科学探究不仅是一种综合能力，而且是学习物理的主要方式，在科学探究中掌握分析、综合、比较、分类、抽象、概括、推理、类比等思维方法，发展学习能力、思维能力、实践能力和创新能力，以及运用科学语言与他人交流和沟通的能力.”

通过研读“课标指南”，不难发现分组实验教学的重点和特色，明确实验教学在备课和教学的各个环节的重点及其内在逻辑关系，找到提高实验教学效率的方法和途径：

首先，教师在讲授时要格外注意言传身教，规范教学.语言规范、思维规范、操作规范，使学生逐步形成物理观念，学会运用科学思维，展开科学探究，形成科学态度;其次，课时分配要考虑实验学习的不同阶段体现不同要素.以“验证平行四边形定则”实验为例，具体要点如下.

3.1 实验预习阶段——提出问题，形成猜想和假设

3.1.1 语言规范

（1）运用科学语言，尤其是清晰准确.如说清楚研究对象是橡皮条，说清楚所谓效果相同是指两次不同方式拉橡皮条，使橡皮条产生相同形变等.

（2）突出核心概念.如合力的概念.所以，先用两把弹簧秤拉，再用一把弹簧秤拉的教学效果要优于倒置顺序.

（3）对核心知识点，一定要设置探究性的问题串：如何准确地记录力？如何确定力的效果？如何确认力的效果相同？

学生在解答“问答形式”的题目时出现语无伦次、词不达意等问题与受到老师负面示范作用关系较大.所以，教师在备课和讲授时要字斟句酌，做到言简意赅.

3.1.2 猜想和假设过程科学规范

猜想和假设过程是否科学规范，其核心标准是是否有论证过程，以下每个环节都要突出论证过程.

（1）论证实验原理.一般来说，讲授实验原理时必须使学生明确研究对象;明确研究状态还是过程;明确选取的状态或过程;有序进行受力分析等.

科学思维是物理四大核心素养之一，其要素包含科学论证，要求高中阶段学生应该具有“使用科学证据的意识和能力，能运用证据对研究的问题进行描述、解释和预测.”所以，在探究实验原理时，不可缺少论证环节：运用力和运动观念判断运动性质;选择合适的物理公式和规律;优化计算方法;讨论结论的内涵和外延，即有没有更广泛的应用或者更深刻的内涵等.

（2）划分实验步骤层次.一般来讲，实验的操作步骤分为：安装调试、第一次采集、大数据采集、整理器材四个阶段.具体来讲：①安装调试是实验条件保证，是使我们得到合理结果的重要前提，在高考中经常考查平抛运动、验证碰撞中动量守恒的相关内容.②第一次采集是师生关注的重点，也是考试的热点.以“验证平行四边形定则”为例，这一步是重点考查内容，但学生实际并没有理解题意，说明教学中老师对实验步骤的层次划分不清晰，导致学生对这一操作的模型建构不清晰.③大数据采集，是对结果普遍性的检验，在实际操作和考试考查时往往被忽略，导致学生轻易下结论，在教学中应予以纠正.④整理器材是学生养成良好实验习惯的基本要求.

（3）选择数据处理方法.作图法、图像法和数学解析法都是处理数据的常用方法，但在高中阶段，比较集中于后两种，尤其是图像法在高考中的热度不减，如利用v-t图像求加速度、利用自由落体运动测量当地重力加速度、探究力和加速度的关系、探究功和速度的关系、测量电源的电动势和内阻等实验考查数据处理多是用图像法.作图法最主要的应用就在“验证平行四边形定则”这个实验中，但这个任务落实的力度明显不够，形成了学生的知识和能力漏洞.可见，师生对落实这项基本能力的重视程度还远远不够，我们要引以为戒、举一反三.

（4）客观、准确分析误差.我们都知道物理实验误差分为“系统误差”和“偶然误差”.所以在预习阶段，对误差的可能来源分类讨论是必要的.但实际情况到底是怎样的却要在实验之后，结合实际结果，有针对性地填写，而不是面面俱到、千篇一律，这也是培养学生科学态度的关键环节.

以上是预习阶段的主要内容，根据笔者的经验，力求在一课时内完成效果最好.时间再长，缺乏连贯性，而且课时不足;时间短则讨论不充分，效果差.

3.2 实验操作阶段——巡视搜集学情信息，及时指导

经过前面的预习，进入实验室，学生可以快速进入角色，在学生操作实验时，我们巡视的内容不仅是结果的契合度，更多的是对实验细节进行调研.

学生毕竟是第一次操作，细节不能兼顾是可以预测的.虽然不能说差之毫厘谬以千里，但结果经常会不尽如人意.正确的结论只有一个，但意外总是层出不穷.这些意外都是我们科研的第一手资料，也是下一节课的素材，在巡视过程中要着力搜集.

当结果不理想时，如何引导学生发现问题、调整细节，也是对教师应变能力和专业素质的考验;快速完成实验的学生怎样利用好余下的时间，促进学生个性发展，也需要在备课时提前预设.

正确看待实验结果，培养学生科学态度.有些实验器材比较简陋，实验条件严格.如利用自由落体运动测量当地重力加速度和探究力与加速度的关系等传统实验，漂亮的实验结果往往蕴含危机，而有明显差距的实验结果可能更符合学生的能力.验证实验对学生的暗示作用不可小觑，而这正是培养学生科学态度的窗口期，所以不以实验结果作为评价实验效果的唯一标尺，兼顾关注学生的操作过程和误差分析的质量，对学生的科学素养培养更具教育意义.

3.3 实验汇报阶段——解释与交流，不断深入

本环节已然是同一实验的第三课时.可能有些人觉得没有必要花费这么多时间，但是实验的目的不是得到已知的结论，而是体会规律得出的过程，没有交流、没有质疑、没有深入探讨，只关注实验结果，就是舍本逐末.

（1）展示优秀实验报告，给予学生成就感.

（2）由师生共同提出实验中发现的疑点，论证、解释，深入交流.

（3）總结提升，形成对知识的正确理解，深入理解实验过程，切实提高实验能力，形成科学态度.

3.4 巩固提升阶段——练习和创新

此阶段也是学生提高应试能力的必经之路和常用手段，也是落实科学探究的关键环节，不能和普通习题讲解模式相混淆.

（1）备课时，要选择练习题难度、角度和题量，多劳不一定多得.

（2）讲解时，重过程、重角度、轻答案，力求真实.体现教师的选题意图，展示学生所思所想，发现和解决学生在实验中生成的真实问题.如“语言不规范、操作步骤逻辑不清、数据处理随心所欲、误差分析应付了事等”.

4 结束语

实验中的科学探究，其核心不是探究出已知的结论，而是在探究的过程中形成正确的方法，提高学生的自主学习能力，进而为学生的终身学习和发展奠定坚实的基础，在教学中切不可本末倒置，与概念和规律教学混为一谈.研究新课程标准，领悟科学探究，落实核心素养，踏踏实实地做好分组实验教学对学生终身学习意义深远，是新时代的要求和我们的使命.在课时紧张且题海战术余威尚存的当下，用“三课时学习进阶”完成分组实验，体现了科学探究的要求，突出了学生的主体地位和教师的引导作用，经过6年的实践，学生对物理的热爱和理解程度较以往教学有大幅度提升，值得一试.

参考文献：

[1]廖伯琴.普通高中物理课程标准（2017年版）解读[M].北京：高等教育出版社，2018.

[2]闫金铎.中学教师物理教育研究方法[M].北京：教育科学出版社，1999.

（收稿日期：2019-04-20）