基于科学探究素养观培养的物理创新实验开发策略研究

蔡嫦芳

摘 要：物理是一个以实验为基础的学科，利用观察、操作等形式，不但可以让学生理解物理学方面的理论概念、基本规律，同时还可以强化其科学探究能力，培养学生的科学思维、科学态度与责任，形成科学探究素养观。基于此，文章阐述了开发物理创新实验的意义，又对高中阶段学生科学探究素养和实验创新能力存在的问题进行了分析，从四个不同方面提出了开发物理创新实验的策略，即基于生活实践创新物理实验，激发学生科学探究思维；创新模拟实验，端正学生科学态度与责任；引导学生自创实验，强化学生科学思维能力；依托于先进技术创新实验方法，培养学生的科学探究素养观。

关键词：开发；物理实验；创新；学生；科学探究素养观

近些年，物理学科课程改革工作日益深化，素质教育理念大范围推广，通过开发物理创新实验来培养学生科学探究能力已经成为物理学科在改革发展过程中的一个主流趋势。在新型教育方针的指导下，科学探究素养主要表现为学生在参与物理实验活动的过程中，逐步形成有助于个人终身科学学习的一种科学探究能力，此能力的培养不但是目前高中物理课程改革工作的重点，而且也是每一位物理教师在开展物理实验教学过程中需要重点关注的一项内容。但是在教学实践过程中，由于多方面因素的影响，物理实验教学方面仍存在诸多问题，对学生科学探究素养观的培育形成了一定的不良影响，本文针对这些问题进行了深入化探析，并提出了优化策略，旨在进一步改善物理实验教学质量，提高学生的科学探究素养观[1]。

一、开展物理创新实验的意义

第一，有助于学生形成更严谨的科学探究素养观与责任观。学生在参与物理创新实验开发活动的过程中，在教师的正确引导下，通过小组合作设计实验、演示并讲解实验、观察实验现象、收集实验证据、分析论证、质疑交流、不断改进实验方案等多个探究环节，可以极大地激发学生的学习激情和自主性，提升了学生的思维能力、交流与合作能力、实践能力、表达能力、创新能力、科学推理能力，形成更严谨的科学探究素养观与责任观[2]。

第二，有助于促进教师成长发展，更好地开展个性化教学。教师鼓励、引导学生参与到物理创新实验开发过程中，体现了教师教学观念和方式的改变，实现了学生学习方式的变革，教师通过在教学过程中落实学生的“四动”，即动手、动口、动笔和动脑，培养学生正确的价值观念，形成必备的品格和关键能力，更好地落实学生物理学科科学探究素养的培育工作，而教师也可以从学生的创造性劳动中得到启迪，获得灵感，有利于促进自身发展和个性化教学。

第三，有助于构建高效化物理实验教学课堂。在物理创新实验探究课堂中，师生共同参与其中，创新性地开发和利用各种与生活、社会、自然的实验资源，使得原本枯燥、乏味的实验教学融入了师生的生活体验，成为师生共同探求新知的过程，加强了师生之间的交流、沟通，真正实现了师生共研、积极互动、共同发展，学生也逐渐消除了对教师的畏惧心理，促进了民主、平等、和谐的课堂形成。

第四，有助于促进物理新课程改革工作。学生通过参与高中物理创新实验开发活动，有利于节约实验经费开支并为研发教具打下基础，为教师在实际实验教学中应用“自主探究”实验教学模式开展实验教学提供参考素材，成为物理新课程改革方面的一条新思路[3]。

二、高中生科学探究素养培养现状

（一）学生科学思维意识不强

学生已经初步形成抽象思维，能基本完成对抽象理论的理解甚至表达，但在实际操作过程中，不能有效地进行科学分析，对实验操作、实验方案等缺乏批判意识，物理模型构建的水平太低，更没有积极思考创新的习惯。足以看出在日常的实验活动中，教师在对学生思维方法、品质的培养这一方面是欠缺的，更有甚者，教师与学生对核心素养的了解程度都不高。

（二）学生物理观念固化

学生对物理实验的作用认同度很高，普遍对物理实验抱有很大的热情，但实际操作时又显得有所顾虑，畏首畏尾。对物理知識的理解深度不到位，知识掌握的精度与深度完全不够；所学知识零散不系统，严重缺乏综合性，学生无法形成物理观念，导致其应用能力不强；学习缺乏自己的主观思维，习惯于学校灌输的学习方式，部分学生甚至认为这种方式更快捷、有效[4]。

（三）学生科学探究能力不足

目前，由于多方面因素的影响，国内诸多学校的物理课程仍以传统应试教育模式进行讲授，师生对科学探究的态度不端正，认识不足，教师讲实验的情况时有发生，导致学生探究能力不足，实验教学的结果不明显；部分学生实验前缺乏准备，实验中出现问题不提问、不思考，实验结束后不总结、不反思，没能有效地利用实验机会。实际上部分教师在这方面也存在短板，教师相关的实验培训较少，甚至教师资格证考试和教师招聘考试，实验的考查都很少，甚至不考查。很多学校的实验教师与理论教师并非同一人，双方直接的沟通交流也较少，所以时常出现实验课程、理论内容“不匹配”的问题。

三、基于科学探究素养观培养的物理创新实验开发策略

（一）基于生活实践创新物理实验，激发学生科学探究思维

物理学知识“遍布”生活的方方面面，物理教材中的文本内容也可以在现实生活中找到与之相对应的物理现象。所以，教师在对物理实验进行设计的过程中，可以把其中的一些生活现象用物理实验模型直观地表现出来，更好地开展物理教学工作。例如：教师可以把打篮球时的投篮动作转变为物理学中的“斜抛”，引导学生基于物理知识思考通过何种动作、如何发力才可以提高篮球投射过程中的命中率，以便强化学生关于物理理论知识的理解与记忆，实现物理知识的灵活化应用，并以此为基础设计一个与之相关的实验模型，基于学生生活实际创新设计的实验模型，将可以激发学生在物理学习方面的兴趣以及科学探究思维[5]。

比如：当对“力与平衡”方面的内容开展实验教学的过程中，教师便可以引导学生回想自己在日常生活中做出稳定身体动作过程中，哪些因素能够帮助自己更好地完成这些动作，当学生自主分享答案之后，教师便可以引出最终结论，同时教师可以让学生利用橡皮筋、铅笔、文具盒等工具现场建构一个简单的“力平衡模型”，使学生切身感受到“力与平衡”的现象。再比如：开展《超重与失重》一课教学的过程中，首先让学生思考如何让重锤扯断纸带并进行实际操作，其次让学生观察电梯向上运动过程中，粘在电梯上的手机传感器拉力示数的变化，引发关于超重和失重的思考。同时，在课堂上让学生拿着手机做“下蹲—起立”的动作，利用手机传感器所测得的实验数据验证学生的猜想，并检验学生的学习效果。引导学生建立失重与重力之间的逻辑关系，为后面的分析奠定基础，通过将创新实验引入物理新课教学的模式，可以深化学生关于物理知识的理解，进一步拓宽学生的认知范围，让学生在学习物理知识的过程中不再仅仅局限于教材内容，而是找出现实生活中与之呈对应关系的模型，激发学生科学探究思维。

（二）创新模拟实验，端正学生科学态度

基于课本内容创新模拟实验，并将物理知识应用于现实生活，实现学以致用的效果，使学生形成科学态度以及责任感。比如：当对“光导纤维及其应用”方面的内容进行教学的过程中，若教师直接向学生讲授光导纤维方面的内容，即便学生掌握了最终的结论，也是通过死记硬背的形式掌握的，不但不能激发学生在学习方面的兴趣，也不利于培养学生的科学探究素养观。基于此，教师可以针对该方面内容精心设计一个创新型实验，用激光照射从矿泉水瓶和弯曲的吸管流出的水产生的现象对“丁达尔实验”进行模拟。首先用剪刀在矿泉水瓶底部侧壁剪开一个小孔，然后将一小段弯曲的吸管插入其中，并利用胶带进行固定，然后向瓶子内部灌水，当瓶中的水装满之后，吸管便会喷射一股水流，将激光笔对准水瓶下部的吸管小孔，并利用手指直接挡住吸管另外一端的水柱，手指上便会形成十分明亮的光斑。

当学生观看到该物理实验之后，便会发现激光可以从流着水的弯曲吸管中射出来，一些学生发现该种现象之后便会提出疑问，即光不是直线传播吗？为什么手指的位置会显现出光斑呢？而激光笔照射的光束为什么会沿着水柱呈现出“弯曲传播”呢？此时学生的心中将充满疑问，教师便可以引入光的全反射原理，同时教师还可以借此继续向学生提问，即光沿着水柱进行“弯曲传播”可以应用在现实生活中的哪些方面呢？开展光纤应用方面的教学，将可以使学生直观地感受到物理知识在现实生活中的应用，培养学生学以致用的思维，强化学生的科学探究思维，端正物理实验学习方面的态度。

（三）引导学生自创实验，强化学生科学思维能力

物理实验包含两种类型，其一是验证性实验，其二是探索性实验。其中对于验证性实验来讲，主要是对物理概念、物理规律等进行验证，此种实验虽然可以帮助学生深化物理知识的理解，但是不利于培养学生的创新与探索能力。而对于探索性实验来讲，主要是由学生基于问题设计实验方案，积极主动地探究相关物理问题，获取物理知识，此种实验类型有助于培养学生的独立思考意识、科学探究能力，使学生掌握物理实验研究方法。而教师在开展物理实验教学的过程中，要引导学生对验证性实验进行创新，鼓励学生将验证性实验转变为探索性实验，提高学生在参与物理创新实验方面的成就感以及价值感。另外，教师也可以将物理作业作为切入点，由学生自主设计一个简单的物理创新实验。

比如：当对“重力与重心”方面的知识进行讲授的过程中，教师可以针对稳度影响因素探究方面的课后作业，引导学生利用控制变量法的形式设计一种演示器，并基于控制变量法开展实验活动。其中学生可以利用胡萝卜、胶水、瓶盖等器材開展创新型实验。首先用一根竹签串上半根胡萝卜，然后将竹签的另一端插入瓶盖之上，当把胡萝卜向下移动至瓶口位置时，瓶子整体相对较为稳定。若将胡萝卜移动至竹签顶端位置时，瓶子整体将不再稳定，轻微一碰便会倾斜，由此可知，当支持面保持不变时，重心越高，那么稳度便越差；此时若将一大块泡沫中间挖出一个空洞，并把水瓶底部放入其中，那么此时瓶子的底部面积将明显增大，瓶子便不再容易倾倒，由此可知，当重心高度保持不变时，底部支持面积越大，则稳度越好。在开展该探究性实验的过程中，学生需要思考多个问题，比如：如何通过控制变量法使支持面不变对重心进行调整；如何保持重心不变改变支持面；选取何种材料才可以获得更好的实验效果。此过程不但可以强化学生动手能力，还可以提高学生的科学探究能力。

（四）依托于先进技术创新实验方法，培养学生的科学探究素养观

物理是一个充满独特魅力的学科，可以利用让学生参与物理创新实验的方式帮助学生深化关于物理知识的理解，提升学生的科学探究能力，培养学生的科学探究素养观。但是，教师在开展高中物理实验教学时，个别实验载体相对较为复杂或者课堂时间不充足，导致无法完成整个实验过程，对实验教学效果形成了一定的不良影响。而在教育信息化快速化发展的时代环境下，高中物理教师要树立开放、自由的教育理念，积极利用现代化先进教学技术开展形式多样化的演示实验，调动学生在物理实验学习方面的积极主动性，培养学生的科学探究素养观。

比如：当对“分子及其热运动”方面的内容进行讲授的过程中，大部分比较关注布朗运动，但是关于布朗运动的实际情况，因无法用肉眼对布朗运动进行观察、分析，学生只能进行猜测、想象，即便在实验过程中利用光学显微镜进行分析，但是由于课堂时间较短，学生也表示“不过瘾”。针对该方面状况，教师可以利用微机室中的电脑来通过虚拟实验软件让学生自主探究，学生可以基于个人兴趣爱好选取不同的颗粒，然后利用虚拟软件模拟不同颗粒的运动形态，让学生更加仔细地观察布朗运动形式，改善课堂教学效果。再比如：当对“摩擦力”方面的内容进行讲授的过程中，可以利用拉力传感器、计算机软件的方式开展教学，使学生在计算机软件的辅助之下感受摩擦力的变化情况，得到清晰的实验图像，学生可以感受到物理的神奇之处，激发个人在科学探究方面的兴趣，逐步培养学生的科学探究素养观。

结束语

总而言之，物理教师应立足于教材内容对物理实验进行创新，并引导学生积极探究物理实验，逐步形成物理观念以及科学思维，强化学生的科学探究能力、端正科学态度，实现提高学生科学探究素养观的目的。在未来教学过程中，教师、学生应当继续以科学严谨的态度继续探索，用心领悟、亲自实践，以便让学生在参与物理创新实验的过程中逐步形成科学探究素养观。

参考文献

[1]刘春宇，张莹，张挺耸.近代科学发展中的物理实验变革探索：评物理与化学实验教学思维创新[J].中国高校科技，2023（Z1）：141.

[2]侯伟杰，陈善珂，邵渭泉.高中物理实验教育研究热点与趋势：基于CiteSpace的可视化分析[J].中国现代教育装备，2023（2）：69-72.

[3]张璇，韩哲，黄洪云.在物理实验教学中培养大学生的科学精神[J].科技风，2022（32）：49-51.

[4]胡文峰.高中学生对物理实验中科学方法认知水平的测评研究：以等效替代法为例[J].华夏教师，2022（27）：64-66.

[5]于海波，张敏书，陈留定.中学物理实验教学研究的国际经验与趋势展望：基于HistCite的图谱量化分析[J].物理实验，2022，42（7）：50-62.