基于科学思维培养的初中物理实验教学研究

申屠英军

【摘要】初中物理是一门逻辑体系严密的学科，学习物理知识要具有一定的科学思维，才能深入理解、掌握以及应用知识。科学思维让学生从“学会”转为“会学”，基于此，本文将从物理科学思维四大基本要素，对初中物理实验教学策略进行研究。

【关键词】初中物理  科学思维  实验教学

【中图分类号】G633.7   【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2021）40-0106-03

对于物理学核心素养而言，科学思维是非常重要的组成部分，具体包括模型建构、科学推理、科学论证以及质疑创新四大基本要素。以物理科学思维为指引，对初中物理实验教学进行实施，能够促进学生从物理学角度入手，将问题转化成为常见物理模型，然后通过科学推理论证，进而解决问题，使其在实践过程中形成质疑以及创新的意识。因此，研究基于科学思维培养的初中物理实验教学具有一定的理论意义以及现实意义。

一、初中物理科学思维

未来将会全面实施新的义务教育科学课程标准，北师大的林崇德以及陕西师范大学胡卫平等学者对科学思维的研究，目前是全国最高水平，并进一步明确了科学思维的定义，即：从科学的视角对客观事物本质属性、内在规律以及相互关系的认识方式。主要体现在以经验事实为基础建构模型的抽象概括过程;分析与综合、比较与分类、推理与论证等思维方法在科学中的应用;基于证据与逻辑，能够将自己的见解清晰表达;或者是对不同观点、结论以及方案提出质疑与批判、检验与修正，并能够提出创造性见解方案。简而言之，科学思维具体包括模型建构、推理论证、创新思维等。

初中物理教学要注重学生科学思维培养，若要达到理想的培养成效，首先要弄清楚当前科学思维的内涵以及未来科学思维发展的趋势。结合初中物理教学特点以及科学思维的定义，并结合初中生特点，本文认为初中生物理科学思维由这些部分组成：

第一，模型建构能力，认识以及应用简单的物理模型，能够在熟悉的问题情境中对常见物理模型进行应用。第二，科学推理能力，包括对日常生活中的常见现象进行概括，也包括使用一些基本物理概念、规律等对物理问题做假设的演绎模型。第三，科学论证能力，对于初中生而言，是否可以进行正确的猜想与假设，能够充分体现其科学论证能力。简单来讲，学生需要针对某一个物理问题提出猜想或者是假设，然后选择恰当方式对猜想进行验证。第四，创新与质疑精神。创新与质疑可以说是学生对知识的一种探索欲望，如果学生不具备创新与质疑精神，不仅无法对其知识应用状况进行检验，而且也难以实现创新[1]。

此外，笔者对初中生科学思维能力进行了一定程度的调查，结果是：（1）大部分初中生对物理知识具有兴趣，特别是生活中的一些物理现象，他们比较好奇，思维也比较活跃;但对事物认识程度比较浅，特别是抽象概念理解起来比较难;（2）大部分学生认识到模型的作用，但是如何构建模型解决问题的能力不足;（3）对于简单问题，学生能够进行科学推理，也能够得出结论，但是不够全面，意味着推理能力需要着重提升;（4）大部分学生拥有质疑与创新意识，也愿意与其他同学讨论物理问题，但因为知识系统不全面、不系统，所以质疑与创新目前还处于思维活动层面，学以致用方面比较薄弱[2]。

综上所述，在初中物理实验教学培养学生科学思维迫在眉睫，因此，笔者结合物理科学思维定义、初中生特点、初中生科学思维调查结果以及科学思维未来发展趋势，进而对具体的教学策略进行探讨。

二、基于科学思维培养的初中物理实验教学策略

（一）模型建构

对于模型建构而言，主要是引导学生通过发展思维模型对问题进行认识、思考以及研究，然后以简单化、理想化的东西予以表示。学习物理必然涉及到模型建构，因为模型是一种思维工具，能够让学生的思维变得可视化，也就是可以将一些复杂、抽象的问题具体化以及简单化。在实验教学中，要培养学生模型建构的能力，需要让其参与实验设计，例如，绘制实验设计图、装置图等，将能够帮助学生加深对知识的印象[3]。

例如在对“光的发射定律”进行教学时，由于相关因素的影响以及限制，很多课堂只是由教师演示操作，然后告诉学生哪一条是入射角、反射光线、入射光线、反射定律、法线等，并进行测量，然后掌握定律。这样的教学方式效率是高，但大部分学生难以真正理解以及應用知识。

为了能够达到更好的效果，可以通过这样的实验以及设计。（1）将三束光同时打开，此时可以看到有三个与镜面垂直的平面（通过纸板进行演示）;同时，这三个平面正好相交于一条直线。从众多实验可以看出，入射到O点的入射光线与反射光线之间所形成的平面，会通过这条公共直线经过，借助模型建构，提取出公共直线，并对其与镜面的角度进行测量，为90°，也就是法线（如图1所示）。

要对“三线供面”进行验证，需要在同一平面并排放置两块纸板，那么怎样放置才是不同平面呢？此时，需要由学生参与演示翻折为不同面，如果平面内有一条法线或者是入射光线，大家可以自主思考、设计对比实验，对其反射光线是否在平面内进行证明。接下来由学生按照模型自制演示实验装置：将法线作为轴线，然后将右侧背景板进行向右旋转，此时，大家可以在同一个平面之内看到发射光;如果再朝后翻折，那么将不会看到发射光，这就意味着法线、入射光线、反射光线在同一个平面之内（如图2所示）。

随后增加法线，在模型上通过背景板或者是量角器，将反射光线插上，并修正模型，这样就能够理解到“光的反射定律”（如图3所示）。

基于模型建构的实验教学，整个过程引导学生进行操作，使其思维变得可视化、简单化，进而将其中的原理弄明白，这样才算是真正掌握知识[4]。

（二）科学推理

所谓科学推理，也就是由一个或者是多个已知的判断，然后对未知结论进行推导。要学好以及用好物理知识，那么就必须进行科学推理，推理要用到证据，简单而言，就是要以事实为基础进行推理。例如，将吸盘（挂有重物）用力按压在竖直玻璃表面，不会掉下来（如图4“甲”所示）。思考是什么样的力可以让其不掉下来？经过实验可以得到结论：因为大气压的原因，让吸盘压在表面。关于这个结论，通常大部分学生都顺其自然的接受了。

接着，我们可以提出这样一个问题：“这个结论是真的吗？可否设计实验证明，通过科学推理出来一个规律让大家都认可。”在教师引导下，学生进行思维设计，比如说，在没有大气压的环境中这样放置吸盘会不会掉下来？以此为切入点设计实验（如图4“乙”所示），玻璃鐘罩内的空气用抽气机抽出，发现吸盘开始下滑。深入推理：我们打算将玻璃钟罩抽成真空，这意味着吸盘将失去“吸力”。大气压相关知识很抽象，即使实验大部分学生也仅能看到一些表象，难以推理原理，所以，实验过程中出现一些“走马观花”的情况。为此，以实验为基础，结合证据进行推理，再对原理归纳，将能够有效培养学生的科学思维[5]。

（三）科学论证

对于科学论证而言，要基于概念、规律、科学事实等，借助推理方法，证明某种观点是否正确。从实验教学来看，尤其遇到相关变量很接近这种情况时，部分教师却未给学生进行科学论证的契机，通常是直接给结论，这种死记硬背的模式，将不利于学生科学思维的发展。实验中应当给予更多的证据与实施，引导学生分析，尽可能使其将猜想与数据、事实结合，并对事实与自己猜想之间的逻辑关系进行分析，然后论证出定律、规律、原理等。例如在对“光的直线传播”相关知识教学时，利用“一束激光射入玻璃、水、空气中”的实验，可以得到结论“在同一种均匀物质之中，光是沿着直线传播的”。这个结论大部分学生接受状态都是“囫囵吞枣”。实验就是要让学生明白其中原理，所以，要通过实验进行论证。可以对实验进行改进，硫代酸钠溶液通过长颈漏斗直到盛有水的玻璃缸的底部，让液体变得不均匀。利用激光笔射入，发现光传播路径变弯曲;通过玻璃棒将液体搅均匀，然后再用激光笔射入，发现光沿直线传播（如图5所示）。通过对比实验进行科学论证，非常有利于帮助学生加深对知识的印象[6]。

（四）质疑创新

质疑创新要求学生具有一定的批判性思维，但是要以一种反思、合理、心灵开发的方式进行，并能够精准表达、严谨推理、合理论证，非常有利于培养学生的思辨精神。在实验教学中，我们应该多鼓励学生质疑创新，让学生能够大胆提出各种观点，然后与学生一起对观点进行探究，直到找到答案为止。

以“影响摩擦力大小的因素”实验为例，教材上的结论部分学生均能够“全盘接受”，也有学生产生了质疑。如（图6“乙”所示），将砝码放置木块上，木板与长木板之间的压力增大，对木块运动过程中所受到的摩擦力进行测量，部分学生提出了不同的难点：不一定是压力增加了，可能是质量增加了，所以滑动摩擦就加大了。

既然有质疑，那么就应该去验证，可以设计这样的实验：将一块磁铁放置在一个薄木板上，然后用弹簧测力计拉磁铁，使其能够做匀速运动;同时，在木板后半段的下面放置一根钢尺（如图7所示），然后对磁铁运动过程中所受到的摩擦力进行测量。

通过这个实验，学生发现：在钢尺上方时，磁铁匀速运动，其滑动摩擦力有突然增大的情况。但是磁铁并没有增加质量，摩擦力增大的原因就可能是因为下面的钢尺。那么钢尺为何能够将滑动摩擦力增大？经过分析之后发现，磁铁与钢尺之间会产生吸引力，也因为吸引力就将磁铁与木板间的压力增大，这就让滑动摩擦力变大。通过相关实验，让整个论证过程一目了然，成功证伪摩擦力大小与质量的关系，成功证明摩擦力大小与木板、磁铁之间的压力关系。可见，质疑创新很重要，如果没有这样的声音，那么很多知识就可能止步于表面，不利于学生科学思维发展[7]。

三、结语

综上所述，对于物理而言，实验是灵魂，而科学思维是实验的核心。传统实验教学模式，学生参与度低，处于被动接受知识的尴尬境地，难以帮助学生加深知识印象，更无法提升学生的实践应用能力。基于科学思维的实验教学模式，围绕学生进行模型建构、科学推理、科学论证以及质疑创新，不仅能够弥补传统教学模式的弊端，而且能够促进学生科学思维发展，为其终身学习奠定坚实的基础。

参考文献：

[1]王晓静.初中物理实验教学中科学思维的培养[J].文理导航（中旬），2021（9）：41-42.

[2]江裕芬.例谈初中物理实验中如何培养学生科学思维品质[J].中学物理，2018.

[3]费志明，陈懋.基于科学思维培养的初中物理实验教学探索[J].物理教学，2020，42（9）：44-46.

[4]姜素华.巧用初中物理实验培养学生的科学思维品质[J].中学物理教学参考，2020，49（10）：2.

[5]何娟.在初中物理实验探究教学中培养学生的科学思维[J].智力，2020（2）：67-68.

[6]李建.浅谈初中物理实验教学中科学思维的培养——以“光的直线传播”教学为例[J].物理之友，2019，35（9）：15-16.

[7]江裕芬.例谈初中物理实验中培养学生科学思维品质[J].中学物理，2018，36（2）：34-36.