学科核心素养本位的物理实验探究

摘   要   以物理核心素养为核心，再认识物理实验中观察引导的作用和价值、实验过程与学生核心素养的联系、实验中科学方法显化的教学，基于此挖掘和延伸演示实验的功能，充分发挥探究性实验的过程价值。

关键词   物理核心素养  高中  物理实验

一、物理核心素养内涵

2017年版《普通高中物理课程标准修订稿（征求意见稿）》指出：物理核心素养是学生在接受物理教育过程中逐步形成的适应个人终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力，是学生通过物理学习内化的带有物理学科特性的品质[1]。簡而言之，物理核心素养是物理学科育人价值的集中体现，是学生科学素养的重要组成部分。

1.物理观念

物理观念是关于物质、运动与相互作用、能量等的基本认识，是物理核心素养的基础[1]。物理观念不仅是以物理知识为实体的概念、规律和物质观、能量观、运动观，它更指物理知识的内化，从物理学的视角形成对物质、运动、能量守恒、相互作用等知识的认识与理解，进而在实际问题的解决过程中体现。为此，在理解和发展“物理观念”核心素养要素时，注重学生认识问题、理解知识的物理视角，引导学生经历科学、正确的知识内化，重视问题解决过程中学生对物理观念的运用就更为关键。

2.科学思维

在物理核心素养中，科学思维不仅是学生在认识和解决物理问题时采用的方式、方法，也是在实际问题的认识和解决过程中对思维方法的内化以及学生思考问题时的思维心向和品质。基于此，在理解“科学思维”时应该把握好其三个层面的基本内容：其一，科学思维的特征。精确与近似统一、抽象与形象统一是科学思维的基本特征，这两个统一在物理中是常见的。如物理运算中数学公式的近似处理，研究物理问题涉及到的理想模型，就是在一定条件下对具体研究对象进行抽象的处理。其二，科学思维的基本形式。常见的可分为抽象思维、形象思维、直接思维等。在物理学习中学生需要在面对具体问题时具备从多个角度来分析的思维倾向与行动自觉，这样才能形成对事物个体、事物之间立体、完整的认识。其三，科学思维的基本方法。主要有分析综合、抽象概括、比较与分类、逻辑推理等。在物理核心素养视角下，“科学思维”的内容还包括模型建构、理想化方法、推理论证、质疑创新等。

3.科学探究

科学探究是通过问题提出、猜想假设、信息获取与处理、得出结论、陈述交流、反思评价等一系列过程最终获取科学知识的主要方法。在中学物理课程中主要以“探究性实验”为载体，培养学生科学探究的能力。基于此，强调以下几点在理解“科学探究”中容易忽视的内容：其一，在科学探究结论中形成的知识在一定阶段是正确的。随着科学探究的深入，这个结论可能被扩展和完善，也可能发生截然相反的变化。其二，科学探究的过程价值，重视探究过程中学生对科学方法的学习以及各项探究能力的发展。其三，在“科学探究”过程中保持有效的表达和交流。如实验在小组合作模式下进行，这是提升科学探究质量和效率的关键，也是促使学生获得科学探究素养的重要环节。

4.科学态度与责任

相比三维课程目标中的“情感态度与价值观”，“科学态度与责任”素养加入了科学本质、社会责任方面的内容，同时对科学态度做了更为丰富的阐述和要求，强调对科学知识的理解。让学生认同并理解科学是可变的事实，作为认识世界的方式之一科学不可能解决所有问题，也不能为所有问题提供完整的答案，科学知识的正确性受诸多客观条件的限制，在一定时间范围内科学知识保持相对稳定[2]。科学研究本质、科学事业本质两个层面内容则更宜于结合该核心素养中“科学态度”与“社会责任”进行理解。这样就能把科学研究与研究者需具备的态度、品质紧密联系起来。

二、物理核心素养视角下的物理实验

1.物理实验中的观察与引导

实验中学生通过感官、凭借实验仪器设备收集有关物理现象和数据时就是在做观察。在科学研究里实验观察讲究真实、准确，即如实反映所感知的事物。而在中学物理教学或是实验探究中实验观察与教师设置的观察目标联系得更为紧密，课堂中不乏类似于“抓住与观察目标有关的主要内容”的观察引导，在有限的课堂时间里，这种有目的的观察引导有助于学生正确获得观察对象的有关信息和准确结果，但过于强调“引导”容易造成依赖的心理和独立观察能力不足的现象。如，没有老师的“指示”不知从何处着手观察，怀疑自己所观察到的现象是否“正确”等。在这种过于强调目的和“引导”的实验观察里容易对学生实验观察能力的形成造成负面的影响。

物理教学从各种实验中培养学生的科学观察能力，这种能力既是物理核心素养中科学探究、科学态度的具体表现，又是构建学生核心素养发展实践框架的基础。因此，教师应该把这项能力的培养从简单的追求教学效率、辅助知识获取的思维定势和价值取向中跳脱出来。允许学生在实验观察中有可能的失误，但要和学生强调观察中客观严谨、全面细致的重要性。留意并纠正学生只观察既定目标的有关现象，或只观察一些现象来印证自己观点的行为。

2.物理实验过程

以实验为基础是物理教学的基本观点。但认识并发挥“实验过程”的价值和功能却存在着理论与实践的差异。在物理教学过程中，实验能为学生提供符合认识物理规律的环境，培养学生手脑并用的能力，能帮助学生掌握基本的科学方法，形成稳定、持久的科学态度、科学精神等。这些能力、方法、品质的形成与实验过程相伴而行，密不可分。但在实践中，实验结果是否“正确”被放在了更重要的位置上，从而忽略了学生在实验过程中的体验以及实验经验的积累。

在物理教学中，对实验过程的认识与定位应放在以培养学生物理核心素养为目标的追求上。以探究性实验为例，一个完整的实验包括提出问题、猜想与假设、实验设计、实验操作与数据记录、得出结论、分析论证、评价与交流。实验结果只是实验数据的记录与转换，严格意义上它甚至不能等于实验结论，只是在实际教学中，实验结论的内涵与意义常被简化并等同于实验结果[3]。重视和发挥实验过程的作用需要对实验的每一个环节有具体的要求和评价，以实验问题的提出环节为例，问题要探究的是从现象中寻找特征，还是找出不同现象的特征之间的联系，或是推断实验中一个变量如何对另一个变量产生影响。判断学生的猜想与假设是否合理，引导学生从自己提出的问题中得出假设，等等。

3.物理实验教学中科学方法的显化

科学课程整体上是由科学知识和科学方法组成的，通过科学方法揭示科学知识的获取与运用过程，并对科学知识在科学技术发展中的作用进行解读，有助于学生智力发展与知识体系构建之间的平行与同步。《课标》针对学科特征提出“科学思维”的素养要求，并在其中指出学习物理应具备的“分析综合、抽象概括、比较与分类、逻辑推理等”科学方法。

物理实验作为学生学习物理的一种基本方法和途径，有利于物理科学方法教育的融入和渗透。以“欧敏定律”的教学为例，实验设计步骤如下：如何研究问题（实验法）→如何实验（控制变量法）→如何分析实验数据（图像法）→如何得出定律表达式（经验公式法）[3]。从上述过程可以看出科学方法已经体现在知识认知的过程中，但在这个过程中学生对科学方法的感悟一般是零星的、非连续的，因此这就需要教师有意识地在实验中将其显化。在科学方法显化的实验教学中，教师引导学生分析选择合理的科学方法，同时阐明所采用的科学方法的名称、内涵、使用条件，这样学生在学习知识与方法就不在是孤立的散点，而是由具有一定线索的路径和逻辑构成[4]。需要注意的是在科学方法显化的实验教学中方法的传授与思维方法的融合极为重要，重视学生在实验过程中思维体验与训练才能将科学方法内化到个体的认知结构中，形成借助科学方法获取科学知识的心理定势。

三、物理实验促进核心素养发展的探索

1.演示实验的功能演化与延伸

演示实验通常由教师在课堂上结合教学内容进行。通过演示实验引入教学，同时可以指导学生观察和分析物理现象，获得生动的感性认识，从而更好地理解和掌握物理概念和定律，演示实验不应该仅是教学引入的条件和附庸。

在高中物理《光的反射与折射》中，常见这样类似的演示实验情景：“在一个空烧杯中放置一支筷子，透过烧杯观察筷子，然后在烧杯中加入一定量的水，此时，再透过烧杯观察筷子。”在这个演示实验中，学生几乎给出相同的观察结果——筷子“折断”了。教师得到和预设一致的回答，顺势引出折射的概念，进而进入到下一个教学环节，该演示实验就此完成了它所有的“使命”。事实上这个演示实验原本有更为丰富的实验现象：其一，观察放置在空烧杯中的筷子，置于烧杯内那部分筷子实际上会比漏在烧杯外的部分粗。其二，观察逐渐向烧杯加水的过程，水位不同，观察到的折射现象也有差别。当水较浅时，杯中筷子折断下端向左;当水适中时，上下两段筷子连接在一起;当水较深时，筷子折断向右。这些有变化和差异的“折射”现象虽然对于初学者具有一定难度，但是却可以将其作为折射知识学习的课后拓展，引导学生深入探究物理现象，运用物理知识。

2.发挥探究性实验过程的价值

从探究性实验过程和实验要素来看，它具有与自然科学探究相似的实验特征。两者都遵循一定的程序，采用有秩序的和可重复的过程，运用逻辑框架做解释和预测，其目的都表现在发现并描述事物之间的关系[4]。据此，我们可以认为它在培养和构建学生物理核心素养上有着天然的优势，它应该能从科学观念、科学思维、科学操作等多个层面让学生有切身的认识和体验，而不仅仅是获得关于这些问题的标准答案和缺乏系统、规范的操作过程。

以探究性实验“实验设计”环节的应用为例，在这个过程中让学生主动参与、积极思考实验设计中如何把课本知识与科学方法和思维的运用联系起来。其一，探究过程的描述。这是在进行探究性实验设计中要做的第一件事，学生只有在这个基础上才能进一步有根据地思考实验需要做哪些设计？应该观察什么？做哪些测量？何如测量？其二，识别变量。变量是科学探究中将会改变的事物的特征。明确实验中的独立变量（在实验中可以有目的地改变）和非独立变量（随实验条件的变化而改变）是帮助学生提升实验设计能力的首要内容。探究性实验内容会随着问题的不同而变化，但是辨别出问题中的变量却是有法可循的。其三，操作性定义变量。这是做科学探究最重要的一部分，清楚地定义变量能让别人明白你在做什么研究，同时也有助于别人复核实验，看在相同的条件下是否能得到相同的结果[4]。在探究性实验设计中，以上所列三点注重的是科学方法的显化以及學生在实验过程中的学习。

3.基于生活的探索性实验的启发

在挖掘探索性实验过程中侧重从学生已有的知识体系出发，紧密联系生活中的物理经验、自然现象或物理课本中的拓展知识，注重实验题目新颖与适度之间的平衡。例如，以自然现象为选题来源的“阳光透过树荫成像的探究”。提到这个现象学生第一反应就是物理中的小孔成像。但是，学生却很少去思考树荫下这些圆形的光斑和非圆形光斑是怎样形成的。实验中让学生观察现象，描述观察到的现象，而后引导学生提出具有探究价值的问题，如：探究树荫形成圆形光斑和非圆形光斑的原因和条件，思考在日环食的自然现象下，这些光斑是否会发生变化，尝试用实验结论测太阳的直径。在上述探索性实验中，学生通过观察、描述现象进而提出有价值的探究问题，在主动探究中将科学方法和科学思维进行合理的运用，体会探究和知识之间的关系，从而真正做到把物理知识与科学方法以及科学本质的学习融合起来，在有意义的实验过程中实现物理核心素养的养成。

参考文献

[1]教育部基础教育课程教材专家工作委员会普通高中课程标准修订组.普通高中物理课程标准（征求意见稿）[M].北京：人民教育出版社，2016.

[2] 胡卫平.物理学科核心素养的内涵与表现[J].中学物理教学参考，2017，46（8）.

[3] 邢红军.物理教学论[M].北京：北京大学出版社，2015.

[4] 张军鹏，许桂清.中学物理科学探究学习评价与案例[M].北京：北京大学出版社，2010.

[作者：罗洁（1986-），女，云南昆明人，西华师范大学物理与空间科学学院，讲师，硕士。]

【责任编辑  孙晓雯】