基于科学思维发展的物理实验教学设计①——以“自由落体运动”教学为例

(福建省厦门第六中学，福建 厦门 361000)

《普通高中物理课程标准(2017年版)》中提出：高中物理课程注重体现物理学科的本质,培养学生物理学科核心素养。科学思维是物理学科核心素养的重要方面,是物理学的灵魂,主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素,发展科学思维能力是物理教学的核心功能。物理实验是发展学生科学思维能力的重要载体,既是创设物理情境的重要手段,更是科学探究的重要内容。在物理教学中,设计有利于激活学生思维的物理实验,引导学生提出问题和合理猜想、建立模型和设计方案、推理论证和归纳总结,在真实问题探究中发展学生的科学思维。因此,在物理教学中优化实验设计,有利于学生在学习过程中养成良好的思维习惯,提高科学思维能力,充分发挥实验的教育功能。本文以“自由落体运动”的教学为例，展示实验教学设计。

1 课标要求分析

“自由落体运动”是必修1模块中“机械运动与物理模型”主题下的内容，课标的内容要求为：“通过实验,认识自由落体运动的规律。结合物理学史的相关内容,认识物理实验与科学推理在物理研究中的作用。”[1]通过实验,即要学生体验真实的实验过程；认识规律,即要学生开展与自由落体运动联系的思维活动,完成模型建构、探究物理规律、实现迁移应用。结合物理学史认识物理实验与科学推理在物理研究中的作用,即要结合物理学发展过程中的关键事件,充分理解实验探究和科学思维在物理学发展和社会进步过程中的巨大作用,在充分体验和感悟中提高学生的科学思维能力。[2][3]

2 教学实验设计

2.1 丰富演示实验内容,增强学生模型建构的体验

在教学中通过丰富演示实验内容,以实验创设真实情境,增强学生切身体验,引导学生经历提出问题、合理猜想、收集证据、科学推理与论证,进而完成模型建构。在学生的生活经验及原有的知识体系中,他们对落体运动已经有了一定认知,虽然能意识到导致物体下落快慢不同的原因是阻力,但这种前概念与自由落体运动模型还存在一定的认知差距。通过创设以落体运动事实为基础的实验情境,对影响物体下落快慢因素进行探究,符合学生的认知逻辑,激发了他们的学习兴趣,增强了他们的切身体验,在体验质疑、反思领悟中完成自由落体运动模型的自主建构。这样的演示实验设计拓展了学生的思考空间,推进了思维进阶(表1)。

表1

2.2 简化实验数据分析,提升学生的科学论证与表达能力

课程标准的要求为：通过实验,认识自由落体运动的规律。教材在关于自由落体运动规律的探究中写道：“我们依然可用打点计时器或频闪照相进行探究”，显然定量探究自由落体运动规律是重点。在课堂教学中利用纸带和打点计时器，对重锤自由下落的运动进行实验探究,数据处理过程较为对复杂、耗时较多。利用Excel软件的自动计算和作图功能,在实验数据的分析和处理中,引导学生利用匀变速直线运动规律,分析数据,剔除其中误差较大的数据，运用图像来探究自由落体运动的规律,深化他们对物理图像的理解和应用,提升他们运用图像表达物理规律的能力和科学论证能力，具体探究实验设计如表2所示。

2.3 对实验过程进行反思,养成质疑创新之习惯

物理教学中的实验探究绝不仅仅是为了得到实验结果,总结物理规律，实验探究更重要的功能应该通过实验，培养学生的实践能力和创新思维能力。引导学生对实验方法、实验过程、实验结果进行必要的反思,在反思中发现问题、提出问题,进而思考解决问题的方法,养成学生敢质疑、善质疑、能质疑的思维习惯,在不断的反思和质疑中培养他们的创新思维能力，设计的实验反思方案如表3所示。

2.4 重演史上经典实验,感悟思想方法之精妙

伽利略对自由落体运动的研究思路可以概括为：发现问题→提出猜想→数学推理→实验验证→合理外推→得出结论,创立了把科学受控实验与数学、逻辑推理结合起来的科学研究方法，爱因斯坦对此作了高度评价：“伽利略的发现以及他所应用的科学的推理方法是人类思想史上最伟大的成就之一，而且标志着物理学的真正开端。”教材中将“自由落体运动规律探索回眸”安排在自由落体运动规律的学习之后,这样的回溯有何意义？很显然,教材这样设计的目的不再是对运动规律的探索,而是要让学生置身于伽利略所处的历史年代,通过重演和经历研究过程中的关键实验,让学生深刻思考并感悟其中科学思想方法的精妙之处,反思科学研究方法的价值和意义,学习科学家的求知和探索精神，[2]对自由落体研究历史回眸的教学设计如表4所示。

表3

表4

3 结语

高中物理实验不仅仅只是操作或者得到实验结论,应更多关注实验过程中的问题的处理和实验的设计、改进、分析。在物理实验教学中也不应该片面追求运用技术手段提高实验结果的准确性,更重要的是在实验过程中发挥科学思维的力量,感悟科学思维方法的精妙。通过优化物理课堂教学中的实验设计,引领学生感悟实验、体验实验、反思实验、评价实验,领会实验设计的内在意义,感悟实验探究的思想和方法,让课堂物理实验成为物理问题和物理思维的载体,发展学生的科学思维能力,提升学生的核心素养。[4]