基于科学思维的高中物理实验教学研究

王程

高中物理学科的核心素养主要包括物理观念和应用、科学探究和交流、科学思维和创新、科学态度和责任，而科学思维是物理核心素养中非常重要的一项内容。科学思维主要指的是人们在进行科学活动探究过程中对客观事物真理性的生理、心理认知的过程。实验教学是高中物理课程教学过程中的重要组成部分，对培养学生的科学思维具有重要的作用。本文通过以“电容器的电容”为例，合理设计实验过程，以便让学生能够更好地理解和掌握“电容器的电容”这节内容，帮助学生科学思维能力得到提升。

一、利用生活资源创设实验情境，培养学生建模新区

为了能够让学生形成良好的科学思维，教师可合理地将教学内容与学生的实际生活经验紧密结合起来，合理设计相关的假说性、推理性和证明性的实践活动。例如，在进行“电容器的电容”内容教学时，老师可全面了解学生的认知，积极开展物理实验探究，让学生的建模欲望能够被充分激发出来，从而促使学生形成良好的科学思维。首先，让学生认真思考实际生活中与平行板电容器相关的物品，构建问题化情境，这样借助生活资源来引出电容器的概念，再开展充电、放电的实验过程，充分激发学生的建模欲望;其次，创设良好的实验情境。我们可以通过将感应起电机的两个电极分别与平行板电容器的两极板相连接，再引导学生在实验中转动感应起电机，让两极板带电。这样因一个极板上的细线带电必须全部保持水平的状态，充分说明极板带电，进一步展示常用的电容器和表示电容器的符号。学生在良好的课堂氛围中便能够直观地感受到电容器的构造、分类、符号，认识到两个彼此绝缘又相隔很近的导体共同组成一个电容器。

模型构建能力是把生活中的问题用物理知识概括出来。学生学习物理的过程是学习物理模型的构建，同时也是解决物理问题的过程。高中物理实验教学要关注学生问题解决能力的培养。在教学设计和教学实施过程中重视情境的创设让学生多动手实验，不仅可以满足学生操作的愿望，更重要的是可以让学生不断体会和尝到“发现”和“克服困难、解决问题、获得成功”的喜悦，从而提高兴趣，增强信心，提高了学生的问题解决能力。

物理模型是对物理原形的高度抽象化和概括化，是物理学研究的重要思想方法。问题解决能力的提升能使学生思维能力有更好的发展，使学生已经具有的直观思维向抽象思维转化，还能够根据已有知识进行推理和论证，使思维能力有了很大的进步;而且具有独立性、深刻性和批判性，使学生更加乐于探究，提升学生核心素养。

二、利用小组探究实验，引导学生大胆推理

部分老师在开展实验教学的时候主要是由教师来进行演示，学生只是被动地观看实验，而学生在观看的过程中却无法深入感知物理实验知识，从而制约学生的科学思维形成。因此，通过在物理实验教学过程中让学生采取小组的形式来进行合作探究，让学生真正成为课堂学习的主人，这样学生在主动进行物理知识探究的过程中不但能够很快速地掌握推理论证的方法，而且还能够有效增强学生的科学思维品质。

提高学生创新能力也是发展学生科学思维的重要方面。物理实验教学在培养创新能力上有天然的优势。实验教学培养学生创新能力从调动兴趣入手，从实验内容、方法开始，让学生愿意参与到实验中去，觀察实验现象，实验原理的理解、数据处理过程都能培养学生的创新意识和创新能力。探究性实验能使学生由感性的认识提高到理性的认识，由形象的思维提高到抽象的思维，使学生思维得到训练，能培养学生严谨务实的科学态度。

在“电容器的电容”这个实验教学中，我们可先将学生合理地分为几个小组，再让各个小组的学生主动去探究认识电容器的方法，而往往学生的创造力是无穷的。比如，有的小组的学生通过自主探究，发现认识电容器的方法可先找一个高压电容器充电后，再将电容器的两极短接，这样在短接放电的瞬间便可以击穿空气发出巨大的声响;有的小组学生在进行合作探究的时候，将一个塑料材质的纸篓内外分别贴上一层锡箔纸，将其做成为一个简陋的电容器，让感应起电机使之带电，再移去起电机，将红黑两根引线短接，这时便会听到“啪”的一声脆响;还有的小组学生在合作的时候选择适用两个金属餐盘，并在两个金属餐盘的中间垫上一层纸，从而让其组合成为简单的电容器。这时再在餐盘上放置感应起电机的一根引线，通过摇动起电机让其充电。这个小组的学生再将起电机移开，而这时学生的手在接触到餐盘的时候会产生电击感。但是，当先放置一个餐盘之后再摇动起电机，当手在接触到餐盘的时候并不会产生电击感。然而，这时再将纸和另外一个餐盘放在一起的时候则会出现电击感;还有一个小组的学生在进行实验探究的时候将感应起电机的一个菜顿瓶拆下来，再认真地观察菜顿瓶的构造;还有一个小组的学生在合作探究时通过现场拆解纸质的电容器，并使用油浸纸和锡箔纸现场制作纸质的电容器。

上面各个小组合作探究的过程主要就是通过放电、电击感等现场来认识电容器存储电荷的本质。这样学生能够更加直观清晰地认识到电容器的构造，并将电容器抽象成为两个彼此绝缘且又相距很近的导体。但是，学生在合作探究时常常会忽略电容器的本质特征，所以需要教师结合教学内容科学的引导学生构建重要的物理模型。

三、鼓励学生进行创新实验，培养学生创新思维能力

现在的中国是一个创新大国，并且在不断地发展中，要想获得更加丰硕的成果，就需要拥有一大批具有创新思维的人才为之付出努力，而青少年就是最大的来源之一。学生作为一个独立的、简单的人，拥有巨大的可开发性，培养创新型人才是当前高中物理课程教学中非常重要的一个目标，而为了完成这个目标则应该引导学生学会质疑，促使学生在不断创新的过程中形成良好的思维品质。因此，教师可在物理课堂的教学过程中引导学生积极创新物理实验，让学生能够在质疑和创新活动中进行更加深入地科学探究，从而有效增强学生的科学思维能力。

例如，在“电容器的电容”这节课的教学过程中，当学生在探究影响电容器电容的因素的时候，我们可以让学生在实验过程中进行一些拓展学习，这可以有助于学生形成良好的科学思维能力。为了在这个实验中培养学生的科学思维能力，教师则可以先让学生将测量电压的仪器换为静电计，并给学生提出相关问题：“静电计指针偏角大小可不可以推知电容器两极间电势差的大小？为什么静电计指针偏角可以反映电势差呢？”学生通过创新实验来进行分析的时候，便能够明白静电计中间的金属球、金属杆和金属指针等组成部分，而外部则是一个与底座绝缘的金属圆筒，圆筒底部的接线柱便应用于接地或者是与其他导体相连接;绝缘套筒直接将金属杆和金属圆筒隔开，这时的静电计则组合成为了特殊的电容器。同时，外部的金属圆筒与内部金属球、金属杆、金属指针共同组合的导体能够作为电容器的两极，而金属指针则能够绕水平轴自由转动，从而促使学生在创新实验过程时形成良好的物理思维。

在学生开展“静电计的接入影响电容器电荷量吗？”这个实验的时候，如图1，我们可将电容器的电压设置为U1，静电计的电压为U2，这两者在相互连接之后所形成的等效电容器的电压设置成为U，而这样将电容器和静电计相联则好像是将两个电容器并联起来，而电势差却呈现出相同的情况，这便是静电计之所以能够测量电容器电压的重要原因，所以得出公式U=U1=U2。同时，在设未接静电计之前，如果将电容器的带电量设置为Q，而这时再接入静电计的时候则会导致部分的电荷Q2会被转移到静电计上，而电容器的带电量减少设置为Q1，所以电容器和静电计则组合成为独立的系统。通过这个实验创新的过程可以将电容器和静电计并联之后的等效电容推导出来，即C=C1+C2。学生通常在创新性的物理实验中能够形成良好的科学思维，有效增强学生的物理核心素养。

教师要鼓励和引导学生质疑所学知识，加强问题分析，从中找出原因，从而培养其创新能力。若学生提出和教学内容无关的问题，要引导学生回归课本内容，并表扬其主动提出问题的行为;反之，若教师批评此类行为，而且没有告知其问题偏差在哪里，将会逐渐影响学生主动发问的兴趣，降低学生学习的积极性。教师要改变传统的教育质量评价观，鼓励学生创造性地学习，让学生不固定在圈子里，鼓励学生的创造性行为，引导、帮助、鼓励学生主动独立地发现问题、处理问题和解决问题。

实验教学目标在于全面培养学生核心素养，是将研究课题给学生，让学生自己设计实验方案进而完成实验。探究性实验能充分调动学生的主动性，培养学生创造性思维，增强学生问题解决的能力。设计性实验在实施过程中要用到力学、运动学、光学、甚至化学的相关知识以及很多基本实验原理，对学生知识能力要求较高，设计出来的实验方案还要进行综合评估和考虑。一些实验要经过多次探讨、多次修改甚至多次失败才能找到最佳的方案。这个过程是学生知识和能力的大迁移，能极大地培养学生的各种实验能力，全面提升学生核心素养。

探究性实验教学中，学生要经历如何提出问题、如何进行假设、如何设计实验、如何精确观察和测量、如何深入地思考并通过分析、综合和推理得出事物的本质和规律。在这个过程中，让学生体验到探究的乐趣和艰辛。需要注意的是，教师的身份是引路者，不能轻易帮助学生去解决他们自己通过发挥主观能动性能解决的问题教师可以通过启发和引导，帮助學生提供所需的参考资料和器材等，对学生的方案和结果进行研究和评价，对学生取得的阶段性成果予以肯定。

总之，物理实验教学是高中物理课堂教学的重要组成部分，也是培养学生科学思维能力的一种非常重要的方法。因此，为了能够有效锻炼学生的科学思维，教师应该组织学生积极开展物理实验活动，引导学生积极进行物理建模、物理知识推理、论证和质疑，这样才能够有效提升高中学生核心素养的形成和发展。