基于证据意识的物理核心素养培育

张兴龙 张羽燕 翟磊

摘   要

物理学科核心素养的培育，需要重视和引导学生自主实验探究，让学生亲身经历质疑、猜想、验证、评估等全过程。同时，探究教学需要基于对学生证据意识的培养进行教学设计，引起学生对现象或数据等证据的关注。以焦耳定律一课为例，详细阐释如何在科学探究的整个环节中通过强化证据意识，培养学生的科学思维，让学生体会到科学探究的乐趣，将物理核心素育培养落在实处。

关键词

科学探究  证据意识  物理核心素养

要将物理核心素养培育落实在具体的教学行为中，就是要重视和引导学生自主实验探究。学生在科学探究过程中，必须经常面对质疑、猜想、验证、评估等过程，无论是哪个环节都需要以证据为基础。证据意识就是在探究活动中寻求证据、分析证据、表达证据的一种科学理性能力。本文以“焦耳定律”一课[1]为例，从不同角度基于证据意识的培养，落实学生核心素养的培育。

一、以具体现象为证据，提出猜想与假设

焦耳定律的本质是电流的热效应。虽然学生对于家庭电路中电饭煲、电吹风机等家用电器的生活经验比较纯熟，但困难的地方在于让学生在没有任何提示的前提下猜想与假设，教师应在适当情景的启发下引导学生提出猜想与假设。

1.生活经验迁移，提出猜想

随着天气逐渐转凉，部分学生已经开始使用“暖手宝”，在物理课堂中使用暖手宝作为引课资源，结合前期所学能量转化的知识，可以轻松得出：在暖手宝工作过程中，电能转化为内能，产生热量，手可以感受到暖手宝温度的变化。学生以生活经验和自身习得为证据，顺理成章了解到电流热效应的本质，进而也就很容易猜想到下列两个问题：

（1）产生热量越多，暖手宝的温度变化越大。

（2）暖手宝在工作时，产生热量的多少与通电的时间有关。

2.实验现象对比，诱导假设

人本主义学习理论强调教师在教学过程中情境创设的重要性。基于该理论，教师给学生提供一个清晰明显的实验现象，可以激发学生的学习潜能，让学生在对比实验现象的过程中，主动收集证据信息，对比提出猜想与假设。

在“猜想电流通过导体产生热量与哪些因素有关”的猜想环节中，实验中引导观察电流通过不同导体（即导线和铅笔芯）产生热量的差异现象（如图1），通过现象差异进行对比分析、猜想除通电时间外，电流通过导体产生热量多少的其他影响因素。

学生基于“6V和16V电压下铅笔芯变红程度”及“6V或16V电压下铅笔芯和导线温度的变化情况”两种不同的现象证据，可以比较明确地猜想出：

（1）通过6V和16V下铅笔芯情况对比，可以猜想到电流通过铅笔芯产生热量的多少与铅笔芯两端电压、通过铅笔芯的电流有关。

（2）通过6V或16V电压下，铅笔芯与导线情况的对比，可以猜想到电流通过导体产生热量的多少与电阻有关。

显然，学生以生活中获得的经验为证据入手，可以初步了解电流通过导体产生热量的多少用温度变化反映，且热量的多少与通电时间有关。试想，如果让学生脱离生活经验去凭空猜想，又怎么能体现物理是自然学科的学科本质？将暖手宝中发热电阻迁移到铅笔芯，引导学生以铅笔芯和导线在不同电压下的变化情况为现象证据，提出适当猜想，符合学生的认知规律，同时更体现“能运用证据对研究的问题进行描述、解释和预测”的物理学科核心素养中有关科学思维的培育。

二、以实验数据为证据，建模得出结论

证据意识应该是条主线，贯穿探究教学的每一环节。从入门学习就要树立学生重证据的意识，这是培养学生创新、科学思维的基础，也是现代社会要求公民具有的基本素质[2]。

1.依据证据冲突，评估实验猜想

常规教学中，教师往往借助欧姆定律模糊处理电压对电流通过导体产生热量多少的影响。虽然以已有的物理规律为证据进行推论，但这并不符合学生的认知规律，探究“电流通过导体产生热量的多少与电压的关系”就显得非常重要了。

既然纯电阻电路不能解释，我们可以利用非纯电阻的电动机进行实验。实验中将两个完全相同的电动机串联在6V的稳压电源下，将温度传感器固定在电动机上（如图2）。通过观察温度传感器示数变化反映电流通过电动机产生热量的多少。当一个电动机转子不动，让另外一个电动机转动时，电压表的示数分别为5.5V和0.5V;历时1分钟，观察并记录两个电动机温度变化情况（如表1）所示。依托实验数据，学生将数据转化为得出结论的证据，自然可以得到：当电动机两端电压变化时，电流通过电动机产生热量的多少是不变的。即，产生热量的多少与电动机两端电压无关。在这个环节中依托事实证据的“物”，得到理性思维的“理”，在探究实验过程中基于证据意识，培养学生的科学思维。

2.依托实验证据，获取定性结论

排除了电压对电流通过导体产生热量多少的影响后，学生就可以着手进行欧姆定律实验，自我完成实验探究。在“探究电流通过导体产生热量的多少与电阻大小的关系”实验中，学生结合前面已学实验，选用装有温度传感器的电阻（如图3），设计实验电路（如图4）。通过学生小组实验操作，观察并记录相应的实验数据（如表2所示）。鉴于获得的实验数据，依托证据意识，对比分析當电阻变化时，1分钟内温度的变化情况，可以很容易得出：当I、t相同时，R越大，Q越大。

在“探究电流通过导体产生热量多少与电流的关系”的实验中，学生设计了电路图（如图5）。学生以前面实验经验为证据基础，可以初步认识到：断开开关后，由于定值电阻在实验后存在余温，温度传感器示数会继续上升。所以，为了更加便捷地进行实验，应更换阻值相同的电阻进行实验。通过学生小组实验操作，观察并记录相应的实验数据（如表3）。实验数据是学生经历探究实验过程后获得的结论依据，是实验证据的一种体现形式。依托表3中的证据表征，可以很容易得出：当R、t相同时，I越大，Q越大。

3.根据证据建模，培养数据分析能力

教师要有证据意识才能更好地培养学生的证据意识。在传统教学中我们往往忽视了表2和表3数据的对比分析。不妨给学生创设一个这样的情景，引导学生观察、对比实验数据，以实验数据为证据，哪个因素对电流通过导体产生热量的多少影响更加明显？学生可以很清晰地观察到：表2中数据显示，当电阻从5Ω变为10Ω时，温度传感器示数变化从2.2℃变为4.3℃;表3中数据显示，当电流从0.12A变为0.22A时，温度传感器示数变化从2.3℃变为8.9℃。无论是电阻还是电流，近似都变化2倍，显然电流对产生热量的影响更加明显;在学习焦耳定律时，学生已经基本掌握了数学的函数关系，迁移数学的函数建模方法，完全可以引导学生深度挖掘实验数据背后的规律，即电流通过导体产生的热量（也就是此时的温度变化）与电流和电阻有什么样的函数关系？当然，这就需要学生对实验数据进行继续完善。实验数据如表4、表5所示。

物理概念和定律的形成往往借助于数学工具和数学方法，物理学中的原理和定律往往是从实验数据中抽象概括出来的。通过对探究实验中获取的数据进行处理，基于数学工具寻找、总结、建立物理量之间的关系。初中物理实验数据的处理相对比较简单和基础，在教学过程中将实验数据处理结合数学函数图像分析，利用学生现有的数学水平和证据意识，引导学生处理相关数据建立物理规律，既引导学生体验数学、物理学之间的相互联系，更是在探究活动中培养学生的科学思维和科学意识。结合表4和表5数据绘制图像，如图6和图7所示。从1分钟温度变化与电阻关系的实验数据图像可以看出，1分钟温度变化与电阻的关系类似于一次函数，也就是说电流通过导体产生热量的多少与电阻成正比。同样，从1分钟温度变化与电流关系的实验数据图像可以看出，1分钟温度变化与电流关系图像拟合后为二次函数，即最终可以得到电流通过导体产生热量的多少与电流的平方成正比。显然，在实验误差允许的范围内，我們可以粗略地通过实验探究的方式得到焦耳定律。

在物理学科核心素养的背景下，探究教学应基于学生证据意识的培养设计教学，保证学生对现象或数据等证据的关注，通过对数据挖掘的逐步深入，促进学生证据意识的培养、发展和提升。因此，教师需要在学生自主实验探究的全过程中考虑、设计、实施有利于发挥学生的证据意识的教学环节，着眼于对学生科学思维的培养。通过生活现象或物理情景引导学生对比、寻找现象间的联系，提出有效的猜想;在实验探究过程中，依托观察到的现象和记录到的数据进行规律的提炼甚至数学关系的建立。在科学探究的整个环节中培养、提升、发挥学生的证据意识。只有基于证据意识的探究教学，才是真正的探究，才能培养学生的科学思维，才能让学生体会到科学探究的乐趣，才能将物理核心素养培育落在实处。

参考文献

[1] 彭前程主编.义务教育教科书物理九年级（全一册）[M].北京：人民教育出版社，2013：100.

[2] 任世江.关于深化历史课程改革的探讨[J].历史教学（中学版），2008（09）：9-14.【责任编辑  孙晓雯】