浅谈初中物理实验教学中科学探究能力的培养——从深圳市2020年中考物理实验题说起

贺桐杰 杨 明 王 健

(1. 广东省深圳外国语学校，广东 深圳 518028；2. 广东省深圳市南山区第二外国语学校，广东 深圳 518054)

科学探究能力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，以及对学科探究过程和结果进行交流、评估、反思的能力。[1]2020年深圳市中考第32(2)题是一道开放式探究题，通过实验器材的选择和实验设计来考查学生的科学探究能力，切合物理课程改革理念。

1 试题分析及答题中常见问题

1.1 试题呈现

有两块边长均为4cm的无色透明的正方体玻璃，一块是普通玻璃(密度为2.5×103kg/m3)，另一块是有机玻璃(密度为1.18×103kg/m3)。请你选用所需题材，设计一种方案；在不损坏玻璃的原则下区分他们。实验器材：托盘天平、海绵、细线、大烧杯、刻度尺、浓盐水(密度为1.3×103kg/m3)。请将所选器材、操作方法和现象及结论填入下表(方案不能与示例相同)。

实验器材操作方法现象结论示例托盘天平将两块玻璃分别放在调节好的天平的两个托盘上天平一端下降下降的一端放的是普通玻璃你的方案

1.2 试题分析

试题从器材选择到实验操作、实验现象、得出结论等多角度考查学生的实验探究能力，区分两块密度不同、体积相同的玻璃的基本思路是通过比较两者的质量或所受重力，物理原理是m=ρV或G=mg=ρVg。在此基础上，实验设计方案可以多样化，试题解答示例就是通过比较两块玻璃的质量来进行区分的。试题涉及的原理简单，但实验设计思路却很广，给了学生自由发挥的空间，考查了学生的创新思维和科学探究能力，表1列出了8种实验方案。这8种方案中虽然操作方法与实验现象不相同，但其设计思路是相通的，即比较两块玻璃的质量或所受重力，学生在解答中出现的典型错误可以归纳为以下几类：

表1

(1)对实验原理或实验器材的用途理解不清，导致实验器材选择与组合的错误。如选了浓盐水，没选烧杯；或认为浓盐水不属于实验器材，在选择器材时不选用。

(2)对科学方法(转换法、控制变量法)的掌握不到位，设计实验时不够严谨。如采用溢水法时，没有强调刚开始两只杯子要装满浓盐水；利用判断液面高度高低的方法观察物体浸入液体的深度时，没有强调刚开始时两只杯中所装浓盐水的高度相同。

(3)对实验现象和实验结论认识不清，不会准确描述实验现象与结论。如现象和结论都写“重的是普通玻璃，轻的是有机玻璃”，没有描述出实验现象；再如“高低”“凹陷”“漂”“沉”等用词不准确。在实验结论的描述中，没有说明普通玻璃、有机玻璃分别是哪一块，仍用现象加以说明。

上述问题反映了学生科学探究能力的不足，笔者针对本次考试中学生出现的问题，提出改进建议，以培养学生的科学探究能力。

2 科学探究能力的培养策略

2.1 巧设问题串，助力学生思维过渡

教师有时为了能让学生更快地掌握考点内容，会采用“灌输式”的演示实验，忽视了实验设计过程，学生在实验中跟着教师走，形成知其然而不知其所以然的现象。从培养学生科学探究能力的角度来讲，实验教学需要循序渐进，本着“是什么”(对于实验中的研究对象进行提问)——“为什么”(对于实验现象、原理进行提问)——“怎样做”(对于实验操作方法、实验具体步骤进行提问，以及对实验故障的解决进行提问)——“还能怎样”(对实验进行改进及创新)的逻辑线索进行问题设计，[2]逐步理清实验的来龙去脉，培养学生严谨的科学态度及探究能力。如在“探究阻力对物体运动的影响”实验中，就要用一系列的问题串引起所需要的器材、实验原理及方法(图1)。

图1

2.2 显化科学方法，培养学生的科学思维能力

学生设计实验时不严谨，关键问题就是没有掌握实验中的科学方法。如在采用溢水法时没有控制变量，即控制两只杯中装的盐水体积相同。在平常的实验教学中，很多教师容易忽略了对实验中科学方法的挖掘，如在探究“影响压力作用效果的因素”的实验中，为了探究压力的作用效果和某一个因素的关系，必须控制其他因素相同，不然实验得出来的结论就缺乏可靠性。在探究“压力的作用效果”时，海绵的凹陷程度越大，压力的作用效果就越明显，利用转换法把不好判断的“压力的作用效果”转换成“海绵的凹陷程度”。再如在牛顿第一定律的教学中，把“阻力对运动的影响”转换成“木块滑行距离的长短”。在教学中，教师要引导学生思考：为什么要观察小车的滑行距离长短？为什么要观察海绵的凹陷程度？让学生通过思考领会其深层次的原因，学生只有掌握了其中的科学方法，他们才可能举一反三。凸显科学方法的作用，提升科学方法的地位，引导学生掌握系统的科学方法，切实培养其科学探究能力，这是课堂教学需要深入开展的工作。[3]

2.3 注重从实验现象到实验结论的总结归纳

实验现象是在实验过程中人的感官可以直接感受到的东西，如运动状态的变化、物体形态变化、颜色、气味等；实验结论是对实验现象和实验结果进行概括、分析、推导得出的本质属性或规律。学生在答题中，容易把实验结论和现象混淆，或者实验现象描述不够准确。教师在实验教学中要注意让学生用自己的语言描述实验现象，而不是直接告诉他们，并且在归纳实验结论的时候要注意把现象和结论统一起来，通过现象可以归纳出普遍的结论。如在“探究影响滑动摩擦力的因素”的实验中，得出结论的时候要分步得出，由哪两个步骤得到摩擦力的大小和接触面的粗糙程度有关，由哪两个步骤得到滑动摩擦力的大小和压力的大小有关。最后总结出结论：滑动摩擦力的大小与压力和粗糙程度有关。通过分析现象得出结论，培养了学生严谨的科学思维，得到的结论有理有据，这是科学探究能力的重要部分。

2.4 重视教材实验，迁移拓展与创新

2020年深圳市中考开放式探究题可以从教材上找到原型，在教材的“探究压力的作用效果”实验中用的就是海绵，重的物体使海绵凹陷程度大，轻的物体使海绵凹陷程度小。如果教师在这个实验后拓展延伸，提出问题：利用海绵我们还能做什么？让学生充分联想每个器材的作用，加深学生对教材实验的认识，在学习中产生正迁移。如在“探究滑动摩擦力的影响因素”的教学中，教师可以在完成教材上的实验后，提问：“这样做实验有没有缺点？”“用弹簧测力计来拉动物体，很难保证物体做匀速运动，怎么改进呢？”通过设问的方式鼓励学生大胆进行实验改进和创新，理解每一步实验的目的，发现实验中存在的问题并想办法解决，培养他们的科学探究能力。

2.5 变验证性实验为开放式探究性实验

实验教学方式不同，对学生提出的实验探究能力要求也不同。如果从实验原理、器材到实验步骤及表格设计都是由教材或教师来确定，这种实验教学方式不利于培养学生的探究能力。开放式探究性实验从问题到实验设计、再到得出结论，都由学生自主完成，能较好地培养学生各方面的能力。

在教学实践中，教师可尝试把一些实验设计成开放式探究性实验。比如，可以把“探究影响浮力大小因素”实验设计为开放式探究性实验。在“探究浮力的大小和浸入液体体积的关系”时，采用验证性实验方式，把问题和实验器材、步骤等告知学生，让其进行实验，熟悉实验方法；在“探究浮力的大小和深度的关系”时，让学生自主进行实验设计，层层推进。前者为学生提供了可供参考的方案，后者则让学生在前者的基础之上，通过自主、深化等方式提升实验探究能力。

3 结语

初中物理实验教学要始终将学生科学探究能力的培养贯穿于教学过程中，积极推进物理实验教学改革。在教学实践中，教师要通过巧设问题串、变验证性实验为开放式探究性实验，通过从现象到结论的归纳、科学方法的显化，对教材实验进行改进，提升学生的科学探究能力，帮助学生更加深入地理解物理概念和规律，培养学生的物理学科核心素养。