涵养实验素养 变革育人方式

莫海浪

【摘 要】科学探究是物理学科核心素养之一，中考物理试题对初中物理教学具有重要的导向作用。本文以2023年广西中考物理试题为例，结合物理课程标准分析了广西中考物理实验探究题命制的理念、特点、评价功能和育人功能，提出物理教学应把握科学探究内涵、重视实验教学、涵养科学思维的建议。

【关键词】科学探究；科学思维；中考物理；实验教学

2023年广西初中学业水平考试（以下简称“中考”）实行统一命题，其中物理学科的实验探究题在学科试卷中涉及内容、所占分值比例比各地市独立命题时相应比例都要大，这也是2023年广西中考物理试卷（以下简称“物理卷”）与往年试卷变化最明显的地方，引起了广大物理教师的关注。物理是一门以实验为基础的学科，科学探究是物理学科最具学科特征的内容，对科学探究能力的测评一直是科学教育工作者关注的焦点。物理卷实验探究题的设计，充分体现了广西中考突出学科特点，注重物理学科核心素养的考查，凸显中考的评价功能和价值引领作用。

一、初中物理科学探究内涵解读

在《义务教育物理课程标准（2011年版）》（以下简称《2011版课标》）中，科学探究被纳入课程内容，与科学内容并列，旨在让学生经历与科学工作者进行的相似的探究过程，领悟科学探究方法，发展科学探究能力。《义务教育物理课程标准（2022年版）》（以下简称《2022版课标》）进一步提出，科学探究是物理课程应培养的核心素养之一。显然，物理课程标准凝练了物理课程独特的育人功能，科学探究能力的培养是物理课程育人价值的重要体现。

1.科学探究的要素

在《2011版课标》中，科学探究既是学生的学习目标，又是重要的教学方式，通过七个要素（提出问题、猜想与假设、设计实验与制订计划、进行实验与收集证据、分析与论证、评估、交流与合作）提出了关于科学探究的基本要求。《2022版课标》对上述七个要素进一步凝练，明确科学探究主要包括问题、证据、解释、交流四个要素，具体指基于观察和实验提出物理问题，形成猜想与假设，设计实验与制订方案，获取与处理信息，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。这使得中学阶段科学探究的要素更加聚焦、清晰，在教学实践中操作性更强。

2.学业质量中的科学探究

学业质量是《2022版课标》新增内容，以核心素养为主要维度，是对学生学业成就具体表现特征的整体描述，也是中考命题的重要依据。其中科学探究维度表现为：能针对一些现象，发现并提出要探究的物理问题，能根据经验和已有知识作出猜想与假设；能针对提出的问题，运用控制变量法等制订比较合理的科学探究方案，会正确使用学生必做实验所涉及的实验器材，并根据实验方案进行规范、安全的实验操作，会正确读取和记录实验数据，能排除简单的实验故障；能根据实验目的整理信息，会用简单的图像或表格描述信息，能通过信息比较或图像分析发现其中的特点，进行初步的因果判断，形成结论并作出解释；能表述物理问题，会用物理学术语、符号、图表等描述探究过程，说明探究结果，撰写简单的科学探究报告。［1］这段文字分别对科学探究的问题、证据、解释、交流四个要素进行了具体描述。

3.科学探究的考查路径

在心理测量学中，考试是一种测量。能力测量主要是通过对学生解决问题的外显行为来鉴别其能力水平。科学探究能力的高低根据学生解决科学探究问题时所发生的探究行为表现来衡量。科学探究的考查方式不止一种，若以纸笔测验进行考查，科学探究型试题的设计必须让学生在解答问题时经历必要的探究过程，表现出具体的探究行为，从而鉴别其能力水平。因此科学探究型试题不能脱离探究过程来直接对知识进行考查，这也是科学探究型试题与传统试题的不同之处。国内外关于科学探究能力水平考查模型有不少研究，在中学物理测评中的考查模型可参考表1。

二、2023年广西中考物理实验探究考查的特点分析

1.以课标为依据，突出科学探究主题

总体而言，物理卷严格依据课程标准科学命题，试题结构设置合理，提高了探究性、开放性、综合性试题的比例。从内容覆盖看，除了专设4道实验探究题，在选择题中也对实验探究相关要素进行考查，具体分布见表2。

表2中的题目总分值为30分，一共涉及9个学生必做实验（含《2022版课标》）和2个重要实验。在实际教学中，教师通常创造条件将重要实验调整为学生分组实验。此外，物理卷还有意识地以教材中学生活动的相关内容为素材设计问题，对实验原理进行间接考查，如第9题制作“爱心”电动机，第20题制作简易验电器。物理卷对实验探究的考查占比为全卷30%以上，符合物理课程标准中科学探究考查的要求，这也是教育部初中学业水平考试命题评估组提供的命题建议。

从考查方式与层次看，实验探究题较完美地体现了三个水平的科学探究情境。如第24、第25题完全取自教材中的实验，问题情境属于“教材原型”。学生只需熟悉教材中这些实验即可顺利作答，相应的能力水平为水平1（回忆）。第26题同样源于教材实验，但实验过程中对原实验进行了变通甚至转型，问题情境属于“变式情境”。学生需要对实验原理、证据获取有深刻认识才能正确回答，能力水平为水平2（综合）。第27题则源于教材又不拘泥于教材，在实验条件的变化过程中产生了全新的问题，问题情境屬于“探索情境”。学生需要领会问题实质，进行合理评估和论证，建立证据与结论之间的逻辑链，方能正确解决新问题，显然能力水平达到了水平3（创新）。由此可以看出，实验探究题的考查与往年广西各地市中考试卷相比有良好的传承，同时有更好的考查占比和层次感。这正是广西中考统一命题关于依标命题、稳中求进基本原则的具体体现。

2.聚焦真实探究，凸显实验证据意识

研究表明，中考物理试题对科学探究七个要素的考查比例最高的前三项为分析与论证、进行实验与收集证据、设计实验与制订计划，占比分别为70.2%、55.3%、43.3%。［2］其中后两项在《2022版课标》中重新整合为“证据”，这说明“证据”是对科学探究考查最频繁的要素。物理卷有多处突出了对实验证据意识的考查，下面以第11题和第26题为例进行分析。

（2023·广西）11.下列实验过程中，用到“控制变量法”的是（）

A.用刻度尺测量课本的长度

B.比较不同物质吸热的情况

C.用温度计测量温水的温度

D.用弹簧测力计测量笔袋的重力

本题为单项选择题，同时也是一道实验探究的基础题，看似是对实验中的“控制变量法”记忆性的问题，实为侧重实验证据的获取，要求学生能针对提出的问题，运用控制变量法等制订比较合理的科学探究方案。此题能够较好地区分做真实验和做实验习题的两类学生。仅通过刷实验习题进行物理实验学习的学生，需要在自身“题库”中检索这几个实验，这需要足够强的记忆才能定位这几个实验是否需要用到控制变量法，因此答对本题的概率不高。而真正动手做过这几个实验的学生，在相应的实验中体验过“控制变量”，因此提取正确信息的难度大大低于做实验习题的学生。

（2023·广西）26.某小组在测量液体密度的实验中：

（1）调节天平横梁平衡时，先把______移到标尺左端零刻度线处，若指针静止时指在分度盘中央刻度线的左侧，则应向______（选填“左”或“右”）调节平衡螺母，使横梁平衡。

（2）用天平测出空烧杯的质量，如图1所示，质量为______g。用天平称量时，天平是 （选填“省力”“费力”或“等臂”）杠杆。

（3）将花生油倒入空烧杯，测出其总质量，

再将烧杯中的花生油倒入量筒中测出其体积，但花生油太多，无法全部倒入量筒中。经小组讨论，只需增加一个步骤：用天平测出______的质量，即可求出花生油的密度。

（4）受《天工开物》中桔槔汲水（图2）启发，小组自制了“杠杆密度计”如图3，将一轻质细硬杆用细线固定在O点并悬挂起来，物块固定悬挂在A点，把不计质量的矿泉水瓶装满水，用细线悬挂在杆上，将悬挂点移至B点，使杆在水平位置平衡。换用相同的矿泉水瓶装满不同液体，重复以上操作，在杆上可标出悬挂点B1、B2、B3……对应密度的刻度值。

①若B1点在B点的左侧，则B1点对应的密度ρ1与水的密度ρ水的关系是ρ1______ρ水（选填“＜” “＝”或“＞”）。

②若测得B、B2到O点的距离分别为l、l2，则B2点标注的密度值为______（用ρ水及题给字母表示）。

测量液体的密度是学生必做实验。本题第（1）—（3）小题都是考查科学探究中的“证据”要素，其中第（1）、第（2）小题属天平使用的常规问题，主要考查规范的实验操作与天平读数，第（3）小题则设置了学生在实验中很可能遇到的一个真实问题：量筒无法全部容纳花生油。实验情境从这里开始发生变化，但没有超出学生的能力水平。真正经历过该实验的学生，会在实验过程中遇到这一真实问题，从而印象深刻，而通过刷题、听实验、背实验、虚拟实验等来完成这一实验的学生，遇到此问题的概率不会太高，即使遇到过一两次，也不会有深刻印象。抽样数据显示第（3）小题难度系数小于0.2。这有力地回答了“花那么多时间做实验真的有用吗？”这个老问题。另外，笔者在阅卷过程中也发现不少学生的表达能力是短板，对测量“剩余花生油和烧杯”的简单表述漏洞百出。第（4）小题实验情境进一步变化，从《天工开物》中的桔槔汲水切入，融入中国传统文化，在问题设置上跨越了等臂天平测密度的思路，以非常规的方法测量液体密度，是在学生关于杠杆平衡条件的认知基础上的一道小综合题。第（4）小题既要求学生会用所学模型（杠杆）分析常见的实际问题，又对学生知识间的关联能力、物理与数学结合能力提出一定要求。

从上述分析可以看出，物理卷突出实验证据的考查，着力以纸笔测试有效区分真做实验与不做实验的学生，努力实现两类学生在这类试题的通过率上的显著性差异，引导实验教学真正开展。

3.注重因果判断，发展科学推理能力

进行深刻的科学探究往往离不开科学思维。事实上，国外有不少学者直接将科学思维和科学探究合并起来，这也说明，进行科学探究活动时，常常需要结合科学思维来完成。如科学探究的“解释”“交流”要素，基于证据进行初步的因果判断，形成结论并作出解释，以及对科学探究过程和结果进行交流、评估、反思等，这些过程离不开分析、综合、归纳、推理等方法的具体运用，离不开通过科学推理对不同信息、观点和结论的检验与修正。物理卷第27题清楚地诠释了这一观点，以下作简要分析。

（2023·廣西）27.实验小组在实验时，不慎将灯泡L2的玻璃外壳碰碎。他们惊奇地发现L2几乎不发光，与其串联的灯泡L1不仅没有熄灭，反而更亮。开关断开后的电路如图4，L1和L2都标有“2.5V 0.3A”字样。

针对上述现象，探究下列问题：玻璃破碎后，L2的灯丝电阻发生了什么变化？玻璃外壳究竟起什么作用？

（1）玻璃外壳破碎前L2的电压和电流分别为1.20V和0.20A；玻璃外壳破碎后，两端的电压变为0.40V，通过的电流变为如图5所示，则电流为______A。初步分析可知：玻璃破碎后，L2电阻______（选填“变大”或“变小”）。

（2）为进一步探究玻璃外壳破碎后L2电阻变化特点，对L1、L2的电流和电压进行测量，实验数据记录如表3。分析发现，L1的电阻______（选填“大于”或“小于”）玻璃外壳破碎后L2的电阻。

（3）实验中，对着L2吹气，发现L2两端电压突然变小、电流突然变大，说明吹气加快L2灯丝表面空气流速，加快其散热速度，从而使灯丝电阻变小。由此推断，灯丝的电阻大小与______有关，玻璃外壳可能起到______的作用。

（4）细心的同学在实验过程中发现，灯丝呈螺旋状，于是提出新的问题：为什么将灯丝设计成螺旋状？你认为这样设计的目的是①______；②______。

用伏安法测电阻是学生必做实验。试题由伏安法测电阻切入，全面考查了科学探究的几个要素。题目以“不慎将灯泡L2的玻璃外壳碰碎”为素材，在学生熟悉的情境中下功夫，创设新的探索情境，引发学生思考，实验的逻辑性强，逐层深入。第（1）小题主要考查科学探究中的“证据”：读取数据。第（2）、第（3）小题侧重考查“解释”：通过信息比较发现其中的特点，进行初步的因果判断，形成结论。第（4）小题侧重考查“交流”：用物理学术语描述实验探究后的结果，呈现自己的观点。

第（1）、第（2）小题是常规问题，学生对此相对熟悉，抽样分析表明学生得分较好。其中第（2）小题要求学生对测量的一系列数据进行对比分析，提取出L1和L2的电阻变化趋势，得出结论。这是科学思维中典型的归纳推理。从第（3）小题起，问题逐渐开放，考查学生识别证据与结论之间的逻辑关系。如第（3）小题，特别强调学生关注“对着L2吹气，发现L2两端电压突然变小、电流突然变大”的细节，剖析真实原因，合理使用證据，应用欧姆定律将其原因与L2灯丝电阻变小的结果进行关联，进行因果判断，做出正确解答。

第（4）小题是前面研究过程的延续，进一步创新探究情境，基于灯丝呈螺旋状的事实提出问题，要求学生对“灯丝设计成螺旋状”的原因进行关联分析，结合前面实验研究，阐明自己的观点。第27题与第26题在问题设计上有相似之处，层层递进，由浅入深，逐渐强化科学思维在科学探究中的作用，考查的科学探究能力水平逐渐提高，不同小题区分不同的学生群体。

科学探究不是物理核心素养中孤立的一条，它与物理观念、科学思维、科学态度与责任共同形成核心素养的有机整体，各维度各有侧重、相互联系、相互促进、相辅相成。上述分析提示我们，科学探究与科学思维二者并没有绝对的界限，解决实际问题时，通常同时用到。

4.增强试题开放度，刻画学生思维层次

实验探究题有多种开放类型，如实验条件开放型（不限制实验条件）、操作方法开放型（不限制操作方法）、目标开放型（不限制目标结果）等。不提供备选信息，是试题开放性的特征之一。物理卷第26（3）题和第27（3）、第27（4）题是实验探究题开放性的典型代表。对此进行简要分析如下。

第26（3）题在花生油无法全部倒入量筒的背景下，要求学生用现有器材设计新的实验操作来解决问题，属于操作方法开放型。如前所述，由于没有备选答案，学生的表述漏洞百出，反映了学生表达能力的欠缺。第27（3）、第27（4）题的回答不涉及实验问题和实验操作，而是对实验可能产生的结果多方位地评估，属于目标开放型。学生的作答反应与第26（3）题类似。对于第27（3）题，即便在题干提供了提示性参考信息的情况下，不少学生填答仍不能聚焦到问题上。第27（4）题的开放程度更高，学生的回答更体现了不同的能力水平，有答非所问的，有基本能针对题目指向的问题对象灯丝进行回答的，有结合灯丝结构产生的工作效果和安装使用两方面完整回答的。

第27题的设计在实验探究题中代表了试题设计的一个方向：基于具体的实验情境，从熟悉的事实、现象中深挖问题，在学生认知水平层面上将题目的开放性体现出来，试图展现出不同学生的科学探究和科学思维水平。这一点也与国家义务教育质量监测、国际著名的大型测评项目的试题设计理念一致，值得教师进一步分析和研究，并有针对性地调整实验教学。

提高开放性试题比例是教育部对提高中考命题质量的要求之一，这同样是对实验探究题提高开放性的要求。在以往考试中，常见通过隐藏实验数据，增加所需知识点数量和计算步骤的复杂程度来进行创新设计试题，以区分学生的思维层次，这会误导师生对科学探究素养的理解。物理卷第26、第27题通过开放性设计破解了这一问题，对教师更好地理解科学探究的内涵有很好的导向作用。

三、教学建议

1.把握科学探究内涵，突出探究素养设计

在教学实施中，实现科学探究素养真正落地的前提有两点，一是教师准确把握科学探究的本质，二是教师有针对性地做好教学设计。《2022版课标》将科学探究从原来的课程内容提升到核心素养，将原来的七个要素凝练为四个要素，教师需要结合原有理解对科学探究进行再认识。教师除了以课程标准为纲，对课程标准进行一字一句仔细研读，还可以结合课程专家对物理课程标准的解读深入学习。教师只有真正领会了科学探究的内涵，才能在教材中挖掘出更丰富的科学探究要素。比如，教材在给出“光在同种均匀介质中沿直线传播”这一规律时，只提供了光在空气和水中沿直线传播的实验证据，然后以“更多实验表明”进行归纳。有些教师也就照本宣科地演示上述两个实验，并给出光的传播规律，接着进行大量的规律运用练习。实际上教材留给了我们足够的教学设计空间：这两个实验提供的证据充分吗？能支持结论了吗？空气和水能代表所有介质吗？……如果教师理解了学业质量中对科学探究的具体描述，就能意识到这正是培养学生证据意识的良好素材。教师可以将它融入科学探究教学目标进行有侧重地设计，课堂教学中引导学生扎实地经历从证据到结论的“解释”过程。长此以往，学生在面对真探究时自然而然要评估证据链是否完整，这正是具备科学探究素养的表现，也能帮助学生在科学探究的考查中获得好成绩。

2.重视实验教学，让学生亲历科学探究

科学探究试题的命制依标命题，紧扣物理课程标准。学生必做实验在科学探究试题模块分布均衡，且大部分科学探究试题的素材源于课堂教学、课外活动、小制作等学生熟悉的情境。教师要用好、用活物理教材。《基础教育课程教学改革深化行动方案》明确要求聚焦核心素养导向的实验教学，加强实验教学，强化学生动手操作实验。国家义务教育质量监测结果表明，在科学课上学生动手实验的频次与其科学成绩成正相关。充分重视实验教学，需要注意以下几点。（1）保证实验课的课时。（2）不以模拟实验、虚拟实验室、动画视频、讲实验、做实验题代替动手实验。这在电脑网络和媒体资源如此丰富的背景下，对教师来说是一个很大的考验，毕竟播放一个视频比自己亲自上阵轻松多了，但动手实验的效果是其他手段难以比拟的。以“加热使钢针消磁”这个小实验为例，笔者在一次观摩赛课活动中注意到，多数教师是通过播放现成视频呈现的，学生表现为目不转睛地看，表情有点兴奋。而当一位教师花了仅仅比播放视频多一点的时间来现场演示时，学生不由自主地发出惊叹，甚至有学生直接站起来观察，我们可以设想如果是学生自己动手来完成这个小小的实验会给他们留下怎样的印象。（3）尽量让学生亲自经历实验探究的过程。也许教师会有所顾虑，认为一节课时间往往不足以充分地完成科学探究的各个要素，并且学生经常会出乱子不好控制。应该明确，一个实验不是平均分配精力在科学探究的四个要素上，一般一个实验只需要侧重一两个要素即可。只要明确了一个实验的研究侧重点，教学设计就可以把学生可能出现的问题限定在一个可控范围之内。学生在动手实验中遇到的问题才是真问题。学生经历实验操作，解决真问题，长期积累才能形成实验能力，即学生能规范、安全、合理地操作及灵活地解决实验（实践）中遇到的各类问题。

3.涵养科学思维，助力科学探究能力提升

基于物理学科的关键能力是以物理概念和规律为载体的科学思维和科学探究，这就要求我们以整体的眼光来看待科学探究。如前文所述，由于科学思维与科学探究的特殊关联，科学探究活动中有科学思维的支撑才能顺利而有深度地完成，科学思维的养成对科学探究能力的提高有莫大帮助。在进行物理概念教学时，第一阶段往往要经过创设真实情境使学生获得直接感知，引导学生进行思维加工，形成物理概念。例如，对于“平面镜成像”一课，教师一般是以描述生活经验、展示图片（视频或动画）、演示小魔术等诸多素材引导学生归纳平面镜成像的共同特征。像这样从经验中概括、提炼事物的共同属性，抽象事物的本质，就是科学推理中的归纳推理，这种归纳推理在科学探究对证据进行解释时是不可或缺的，因为分析数据得出结论本身就涉及了归纳推理。教师常将实验探究等同于科学探究，很多情况下是可以的，但应该注意并非只有做实验才是探究，科学探究比实验探究的外延大。因此，当教师组织学生进行非实验的实践活动，对活动中的信息进行归纳，利用证据进行论证形成自己的看法时，同样要注重融入科学探究中的“证据”“解释”等要素，促使学生的科学思维与科学探究双向而行，共同提高。

参考文献：

［1］中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准（2022年版）［M］.北京：北京师范大学出版社，2022.

［2］廖伯琴，董源莉，廖文婧.从中考物理试题看对科学探究能力测试的探索［J］.物理教学探讨，2023（7）：1-8.

（责任编辑：罗小荧）