培养高中生科学探究素养的物理教学设计

【摘要】本文以人教版物理必修第一册“实验：探究小车速度随时间变化的规律”教学设计为例，探讨在课堂教学中通过利用教学素材、问题及学生活动培养高中生科学探究核心素养的途径，以期为新课改背景下高中教师进行教学设计提供有效的参考。

【关键词】高中物理 科学探究 核心素养 教学设计

【中图分类号】G63 【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2023）17-0075-04

目前广西已进行高中新课程改革，教师越来越重视学生学科核心素养的培养，但如何在物理课堂教学中有效落实物理学科核心素养仍是一线教师面临的难题。《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》明确了物理学科四个方面的核心素养，即物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任。其中，科学探究是指基于观察和实验提出物理问题、形成猜想和假设、设计实验与制订方案、获取和处理信息、基于证据得出结论并作出解释，以及对科学探究过程和结果进行交流、评估、反思的能力，主要包括问题、证据、解释、交流等要素。本文以人教版物理必修第一册运动学的初始课教学设计为例，探讨如何在高中物理课堂教学中利用教学素材、问题及学生活动培养科学探究素养。

一、教学分析

（一）教学内容分析

本章的教学内容是让学生以生活实例为背景，站在运动学的角度探寻匀变速直线运动的规律，并能解决一些实际问题。本节课是全章的首节，匀变速直线运动的速度与时间的关系是匀变速直线运动重要规律之一。本节课以实验探究的形式充分发挥学生主体作用，通过实验解释运动特点及规律，进一步熟练运用第一章学习的打点计时器以及通过纸带求解速度的方法，即在数学的极限条件下物体运动的平均速度近似等于瞬时速度。教材没有在本章开始就直接定义匀变速直线运动，而是设置了本探究实验，其目的是让学生开展实验探究，从引导学生提出研究变速运动物体的速度随时间变化的规律这一问题入手，基于观察和思考明确实验所需测量的物理量——小车的瞬时速度，利用提供的实验器材设计和改进实验探究方案，完成实验探究，如实记录和正确处理实验数据，根据描点作图绘制出物体运动的速度—时间图像，交流、讨论得到小车速度随时间的变化规律，让学生体验完整的实验探究过程，体会实验探究在物理学科中的作用和魅力，以此培养学生的科学探究素养。

（二）学情分析

从学生的前概念来看，学生在前一阶段已经学习了位移、速度、平均速度、瞬时速度、加速度等描述物体运动状态的物理量，也学习了打点计时器的使用，具备了开展实验探究的基础；从科学探究素养上看，学生已接触过实验探究，初步熟悉科学探究的要素，已具备一定的实验探究基础；从认知发展水平上看，高一学生的认知正处于由直观认知向逻辑推理过渡的阶段，他们已经初步具备了分析、归纳的能力。

（三）重点难点分析

本节的重点是提出探究匀变速直线运动规律这一问题、设计探究实验方案、记录和处理数据，根据数据描点作图、分析归纳得到小车速度随时间变化的规律。在实验探究中掌握物理实验基本技能，会使用打点计时器，能与他人合作进行探究实验；在实验中经历设计实验、处理实验数据及总结归纳实验规律等探究过程，初步掌握开展科学探究的基本方法，发展质疑精神和创新精神。本节的难点是通过探究实验获取和处理数据，分析总结得出小车速度随时间变化的定量关系，提高分析数据、处理数据的能力与解决实际问题的能力。

二、教学设计思路

由于学生对通过探究实验定量研究某种运动规律还很陌生，因此，教师首先通过创设情境启发学生提炼探究问题，如利用生活中不同的变速运动创设情境，使学生置身于分析处理实际问题的背景之中，通过观察和分析这类有规律的变速运动，提出将变速运动物体速度随时间变化的规律以及测量物体的瞬时速度作为本课探究的问题；引导学生通过分析和思考探究问题，结合前面所学的打点计时器知识，设计和改进实验探究方案；利用打点计时器打出的纸带进行数据处理，求出小车运动的瞬时速度并填入表格。教师可以在学生无法仅从分析表格数据得出结论的情况下，引导学生考虑用速度—时间图像展开研究，并引导学生思考怎样做能够使得到的曲线更符合规律。接着，教师指导学生根据实验数据绘出速度—时间图像，并进行误差分析，总结得出小车速度随时间的变化规律。最后，教师通过教材中的“做一做”和“想一想”两个环节，针对实验探究过程及实验结果，引导学生用不同方式和从不同角度思考物体速度—时间图像问题，提升学生分析问题和解决问题的能力。

三、实施课堂教学

（一）利用教学素材进行复习引入

教师活动：教师展示实验器材（如图1所示）以及瞬时速度公式v_n=x_n+x_n+1／2T。

问题：你能否根据图1与公式联想起前一章做过的实验？还记得如何进行数据处理吗？

学生活动：学生在问题的引导下联想在前一章的学习中使用过的实验器材和物体运动规律公式，为下一步开展探究实验做准备。

【设计意图】学生已基本掌握了前一章学过的用打点计时器测瞬时速度的方法，也基本掌握了用描点作图的方法描绘物体速度—时间图像的方法，但并不熟悉通过探究实验对某种运动规律进行定量研究的过程。教师展示实验仪器以及物理公式，其目的是引导学生回顾前一章学习过的打点计时器的使用、测瞬时速度的方法，为下一步开展探究实验做准备。

（二）通过问题和活动设计引导学生分析和思考

教师活动：教师展示教学素材（如图2所示）。

问题1：图2中物体的运动是否是匀速直线运动？物体的速度如何变化？

学生活动1：学生运用所学知识分析生活中物体的运动情况。

问题2：生活中大部分物体的运动都是变速运动，但各自运动的加速情況不尽相同。结合前一章做过的实验，思考如何研究变速运动的特点。

学生活动2：分析生活中的现象，引发思考的同时进一步明确实验探究的目的。

【设计意图】学生在日常生活中和初中阶段的学习中对匀速直线运动已有初步的认识，但是生活中物体的运动基本都是变速运动，学生对此缺乏理性认知。教师利用生活中不同的变速运动创设情境使学生置身于分析处理实际问题的背景之中，通过观察和分析这类有规律的变速运动，启发学生提出实验探究的问题——变速运动物体速度随时间变化的规律以及如何测量物体的瞬时速度，培养学生的建模能力、能基于观察和实验提出物理问题的科学探究能力。

（三）通过问题和学生活动引导学生探究

1.设计实验方案

教师活动：教师展示实验器材（如图3所示）。

问题1：若要研究小车在重物牵引下速度随时间变化的规律，你觉得可以怎样设计实验？需要测量什么物理量？可以选用什么实验器材？

学生活动1：学生观察、思考并结合所学知识提炼出实验探究的目的，与同学交流、探讨，设计实验方案。

问题2：大家设计的方案是否合理？实验中还应注意哪些问题？实验还有哪些方面需要改进？如何根据实验方案设计记录实验数据的表格？

学生活动2：学生就实验方案展开讨论，以各物理量的测量为导向进行论证。论证过程中，学生展示并描述实验方案，其他学生质疑论证。

教师活动：问题1主要让学生明确实验的目的是研究速度随时间变化的规律，教师需引导学生结合物体瞬时速度的测量和加速度的定义，合理选择实验器材并制订探究实验的方案，尤其关注选用的器材与需要测量的物理量的对应关系；问题2是引导学生对比和讨论实验方案，使学生在论证和评价中完善实验方案，教师需在其中穿插讲解实验仪器的使用要点，如打点计时器纸带的放置、纸带穿过限位孔后应该展平、关注小车的起始位置等，使学生养成正确使用实验器材的习惯。

【设计意图】学生根据实验目的和实验器材观察、思考、交流，同时对比其他小组设计的方案，分析和思考需要探究的问题，结合前面所学的打点计时器知识，设计和改进实验探究方案，提升科学探究素养。

2.开展实验并记录数據

问题1：如何正确选择三次实验中打出的纸带？纸带上所有的点是否都能够进行数据处理？如何选择纸带上的计数点？

问题2：对纸带进行数据处理后如何在实验数据表格中记录瞬时速度？如何确定在数据处理过程中纸带上计数点的选择与表格中的时间间隔是否一致？

学生活动：学生思考教师提出的问题，掌握处理打点计时器纸带的数据的方法，并能确保处理的数据与实验记录表格中的时间间隔一致，进而正确记录数据。

教师活动：教师限定学生进行实验探究的时间，并在教室中进行巡视。注意不应过多干预学生的探究实验，只对主动提出问题或是需要帮助的学生进行指导，同时记下学生实验过程中做得好的方面以及存在的典型问题。

【设计意图】问题1主要是引发学生思考在对打点计时器纸带进行数据处理时容易出现的典型问题，进而掌握正确处理纸带数据的方法，也为学生正确解答实验试题中打点计时器的纸带问题打牢基础。问题2是让学生明确处理数据与实验记录的对应关系，提高学生获取和处理信息等科学探究能力。本环节引导学生正确选择纸带、计时起点，正确计算各计数点的瞬时速度，培养学生实事求是地记录实验数据的态度，同时培养学生在科学探究中获取和处理信息的能力。

3.尝试处理实验数据，重温描点作图

教师活动：教师展示上一环节得出的实验数据（如表1所示）。

问题1：大家能够根据表格中的数据，直接得到小车速度随时间变化的规律吗？两者之间是否存在定量关系？

学生活动1：学生通过观察表格中的数据无法直接得出速度随时间变化的定量关系，意识到需要寻找其他方法进行研究。

问题2：你是否还记得初中学过的函数图象？能否从中获得研究速度随时间变化规律的启发？描点作图时如果出现偏离较大的点是否合理？该怎么处理？

教师活动：教师引导学生回顾前一章学过的知识和方法，让学生掌握正确的描点作图方法。若表格中的数据并不是落在一条直线上，教师可以指导学生让尽可能多的点落在直线上，或是让不在直线上的点均匀地分布在直线的两侧；如果个别数据离直线太远，可以考虑实验测量的误差并将此点舍去。

学生活动2：学生描点作图，观察思考。

【设计意图】学生在问题的引导下，结合前一章所学的知识，尝试将实验数据转换为物体运动的速度—时间图像，在探究中掌握重要的数学方法——利用函数图象来分析物理问题，从而提高科学探究能力。

4.思考剪贴纸带法的合理性

问题1：大家是否考虑过借助计算机软件，作出小车运动的速度—时间图像？

教师活动：教师通过录屏的方式向学生展示运用Excel软件绘制图像的方法。

学生活动1：学生观察教师利用软件将实验记录表中的数据迅速、准确地绘制出速度—时间图像的全过程。

问题2：大家参考课后的探究任务“想一想”，将实验得到的纸带每隔0.10 s剪断得到短纸条，再把这些短纸条下端对齐，并排贴在一张纸上。以纸条宽度方向为时间坐标轴（横轴）、纸带长度方向为速度坐标轴（纵轴），最后将纸条上端的中心点连起来，得到小车运动的速度—时间图像，大家觉得这种做法有道理吗？

教师活动：教师引导学生分析每段纸带长度与相等时间间隔内的位移是一一对应关系，纸条的长度与这段位移的平均速度成正比。

学生活动2：学生运用“剪贴纸带法”，从不同角度思考速度—时间图像问题。

【设计意图】问题1是利用教材中的“做一做”，让学生知道利用计算机软件进行科学研究是非常方便和实用的。教师指导学生根据实验数据绘出速度—时间图像，找出运动规律，并进行误差分析，还可以进一步论证线性规律的合理性，如在寻找趋势线规律时，把趋势线选项设置成二次函数或其他非线性函数，根据图像判断出不合理性，从而培养学生运用信息技术进行实验探究的能力。问题2是教材“练习与应用”中的习题，体现了物理中等效的重要思想，这是对本节课知识理解更高层次的要求，培养学生从不同角度思考问题和解决问题的能力。本教学环节在科学探究中培养学生交流、评价、反思的能力。

（四）通过探究得出结论

通过实验探究活动，学生分析归纳得出实验结论：表格中的数据基本分布在一条直线上；通过观察和思考拟合而成的图像，得出小车速度与时间的变化规律，即小车的速度随时间均匀变化，也就是加速度保持不变。

四、反思与总结

物理实验是学生理解和掌握物理知识的重要手段。本课以学生实验探究为主线，在选择实验器材、设计实验方案、开展课题实验以及记录和处理数据等教学环节中，通过精心挑选素材、精心设计问题与学生活动，一方面提升了学生实验设计、处理信息、做出解释等科学探究能力，另一方面让学生在探究过程中发现实验规律、自主总结科学规律，发展了科学探究核心素养。本课的教学设计，有别于以往的“讲实验”代替“做实验”“教师演示、学生观摩”的教学方式，而是立足于学生的发展，让学生亲历科学探究过程，学会从物理学科的视角认识物理规律，形成物理观念，激发科学思维，培养科学探究精神；此外，学生还在这一过程中相互学习，取长补短，提升个人综合素养。值得注意的是，教师在实验探究过程中应充分调动学生的学习热情，鼓励学生大胆质疑和改革创新，发挥学生的主观能动性，让学生在观察、思考、交流、探索中不断发展科学素养。此外，物理实验探究形式不是固定的，在具体的课堂实施中学生的思维是开放式的，教师应根据教学内容和教学目的有效引导学生，避免出现无法完成课堂教学任务的情况。与此同时，教师还应立足于学生物理学科核心素养的培养，注重对学生进行长期训练，激发学生的学习兴趣，增强学生的科学探究意识，让学生在实践中掌握物理知识、在探究中理解物理规律。

参考文献

［1］中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［2］苗元秀.人教版《第二章勻变速直线运动的研究》编写说明［J］.中学物理，2019（15）.

［3］梁旭.基于核心素养的教学设计需要关注的几个问题［J］.中学物理，2018（9）.

［4］冷高勇.探究式物理实验教学的有效性［J］中学物理，2013（11）.

注：本文系首都师范大学教师教育学院承担的领航者计划·广西壮族自治区“未来名师”项目（桂教办〔2021〕905号）的阶段性成果。

作者简介：顾慧明（1980— ），广西宾阳人，大学本科，教育硕士，高级教师，主要研究方向为高中物理教学研究。

（责编 刘小瑗）