初中物理实验探究主题下学生科学思维培养思考与实践

董清华 杨 皎

湖北省松滋市南海镇南海初级中学(434201)

《义务教育物理课程标准(2022年版)》课程内容在2011年版的基础上新增了“实验探究”主题,包含21个学生必做实验。实验探究是初中物理教学的重要内容,也是一种重要的教学手段和方式。落实好实验探究主题教学,充分发挥实验探究育人功能,可有效促进学生核心素养的养成。

1 实验探究、科学探究和科学思维

1.1 实验探究

《义务教育物理课程标准(2022年版)》在2011年版“注重实验探究”“倡导科学探究式教学”[1]要求的基础上,结合初中学生核心素养培养实际新增了实验探究。这个主题下设2个二级主题,包括9个测量类必做实验(6个直接测量实验和3个间接测量实验)和12个探究类必做实验。

实验探究的2个二级主题的侧重点不同,其中测量类学生实验侧重于培养学生的实验技能,包括动手能力、观察能力、记录能力、操作能力以及安全实验能力培养等。探究类实验侧重于培养学生的科学探究能力,特别是提出问题做出合理猜想、实验方案设计和遴选、收集处理数据、解释总结和表达交流评估以及团队合作等能力的培养。但是这2个类型的必做实验是无法严格区分的,他们之间虽然侧重点不同但是相互联系,测量性学生实验可能包含科学探究的步骤,而探究类实验又离不开各种测量[2]。

1.2 科学探究

科学探究,在初中物理教学中有3个方面的含义:

(1)科学探究是一种重要的学习方式,也是培养学生探究能力的有效途径。《普通高中物理课程标准(2017年版2020年修订)》中明确指出:“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、设计实验与制定方案、获取和处理信息、基于证据得出结论并做出解释,以及对科学探究过程和结果进行交流、评估、反思的能力。同时,科学探究也是学生学习物理知识、培养学习能力的一种学习方式[3]。

(2)科学探究是物理教师的一种教学方法。探究式教学方法是初中物理的一种常见教学方法,两版《义务教育物理课程标准》都强调教师要科学合理地选用教学方式,其中要特别注重科学探究式教学[4]。

(3)科学探究是学生核心素养培养的一个重要方面。2022年版的《义务教育物理课程标准》,将三维目标全面提升为学生核心素养的培养,结合义务教育物理课程设置要求,根据发挥学科育人功能并利于学生终生发展的要求凝练为物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任4个核心素养。科学探究主要包括问题、证据、解释、交流等4个方面[4]。

1.3 科学思维

科学思维是具有意识的人脑对科学事物(包括科学对象、科学现象、科学过程、科学事实等)的本质属性、内在规律及事物的相互联系的间接和概括的反映,是物理课程要培养的核心素养的核心内容[2]。义务教育物理课程要培养的科学思维主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等。

1.4 实验探究与科学探究

对比2011年版和2022年版的《义务教育物理课程标准》,实验探究和科学探究两个概念还是有区别的。《义务教育物理课程标准(2011年版)》强调“科学探究既是学生的学习目标,又是重要的教学方式”[1],同时科学探究也是课程内容之一。《义务教育物理课程标准(2022年版)》,指出科学探究是物理课程需要培养的学生核心素养之一,另外新增了实验探究并将其作为主题教学的课程内容之一,可以看出新课标将科学探究和实验探究区分开了。

但在实际教学中,科学探究、实验探究、探究式教学3个概念是有一定联系的。①探究式教学包括7个基本步骤: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;②《普通高中物理课程标准(2017年版)》中强调科学探究需要培养6个能力:基于观察和实验提出物理问题、形成猜想和假设、设计实验与制定方案、获取和处理信息、基于证据得出结论并做出解释,以及对科学探究过程和结果进行交流、评估、反思的能力[1];③《义务教育物理课程标准(2022年版)》中科学探究素养目标包括问题、证据、解释、交流4个要素;④实验探究主题教学强调的“实验探究可以有效培养学生的各种探究能力,包括发现问题和提出问题的能力,动手操作及收集、分析和处理数据的能力,解释数据的能力、表达和交流的能力等”[4]。以上4种说法虽然不同,但是内容大同小异,可以统一到核心素养目标中关于科学探究的4个要素中来。

因此,我们认为:初中物理教学中,实验探究教学就是以物理实验为教学内容,采取探究式为主的教学方式,借助科学探究的教学手段,培养学生科学探究能力的教学。那么,教师不要拘泥于实验探究与科学探究关系问题,而应将重心放在实验教学中如何围绕问题、证据、解释、交流等4个方面设计和组织教学过程上。

1.5 科学探究与科学思维

科学探究与科学思维是义务教育课程标准需要培养的核心素养的2个方面。和物理观念、科学态度和责任一起构成核心素养这个整体,相互之间既有联系又能相互促进。应该说,每一个方面素养的加强都会对学生整体素养的提升起到促进作用,并触发其他素养的进一步发展。

1.6 实验探究与教育信息化

新课标下的实验探究主题教学十分注重教育信息化手段的应用。在21个实验探究主题教学中,有15个实验可以借助传感器、手机软件、数显电子仪器完成,如静力传感器可以完成力学大部分实验,温度传感器可应用于热学实验,位移传感器、手机距离和时间测量软件可以进行机械运动相关物理量测量,电流、电压传感器、示波器用于电学探究性、测量性实验,电磁传感器可以完成电磁场的相关实验。教育信息手段在实验探究教学中的应用,可以让学生体会到科技进步对我们生活的积极影响。

2 实验探究主题下科学思维培养的基本模式

在教学实践中,我们可以采取图1中模式开展实验探究主题教学。

图1 实验探究主题下科学思维培养的基本模式

可以看出,教师在课堂教学中要充分体现学生主体地位,给学生留出适当的时间和空间,让学生自主完成思考、操作、合作、交流等学习活动,在解决问题过程中建立物理观念,在不断进行的思辨、讨论、分析、论证、评估等活动中培养科学思维,从而培养核心素养。同时还要主要发挥教师的指导作用,让教师灵活合理的选用各种教学方法,比如讲授法、实验法、提问法、小组活动法等达到预定的教学目标。当然在教学过程中,我们还应该充分发挥现代信息教育手段的作用,高效实施课堂教学。

3 实验探究主题下科学思维培养的实施策略

3.1 创设真实情境,激发探究兴趣

教师在实验探究主题教学前,一定要根据实验探究的内容和目的,结合生产、生活的实际创设真实情境。情境的选择要体现真实性、生活性和趣味性,注重从学生身边常见的现象和事例中选取,要能够体现“生活—物理—社会”的要求,应为真实有趣的情境,从而充分调动学生的探究欲望,让学生乐于去探究真实的物理问题。

案例1:“探究影响压力作用效果的因素”情境创设。

活动1:(多媒体课件)播放传说中的“气功”表演:胸口碎大石视频。

活动2:(多媒体课件)播放爸爸用钝刀和小男孩用切果器切苹果的广告视频。

活动3:教师出示牙签、厚黄瓜片和气球。先将1根牙签插入黄瓜片上,请同学上台将气球放在牙签上,轻轻用力,结果气球破裂。教师再将很多根牙签紧密插在黄瓜片上,请同学上台将气球放在牙签上,轻轻用力按压气球,气球完好无损。继续用力按压,结果一样。教师让学生推荐的“大力士”上台,用了很大的力气才让气球破裂。

教师:视频中表演者在钉床上表演胸口碎大石为什么没有受伤?爸爸用钝刀时采用什么方法将苹果切开?我们怎样让气球不容易破裂?结合压力的概念,请学生猜想一下影响压力作用效果的因素有哪些,并借助生活经验证明猜想是否合理。

分析:这个实验探究中,教师先是用胸口碎大石的视频和切苹果广告视频激发学生探索生活奥秘的兴趣,特别是钉床表演给学生造成视觉震撼,用新奇的现象激发了学生的兴趣,让学生经历认知冲突到深入思考:表演者没有受伤的原因是什么?两个视频共性问题是什么?从而引导学生发现问题,提出问题。接下来的活动,教师选取了生活中常见的物品(牙签、黄瓜片和气球),让学生动手实践,一方面是验证前面事例的真伪,另一方面引发学生针对提出的问题作出合理的猜想:压力的作用效果与压力大小和受力面积大小可能有关。情境的选择和设计体现了“从生活到物理,从物理到社会”的思路。

3.2 设计合理方案,培养思维能力

在实验探究教学的证据阶段,教师要引导学生解决好两个问题:完善实验方案和正确收集数据,而其中的重点是实验方案的设计,要结合实验器材实际情况和教学时间选择合理、科学、时间短、易于操作和数据收集的实验方案。在这个阶段,我们一定要注重培养学生的科学思维能力,特别是模型建构和科学推理能力。

案例2:“探究滑动摩擦力大小与哪些因素有关”的实验设计。

教师:刚才我们通过讨论,猜想出滑动摩擦力的大小可能与压力的大小、接触面的光滑程度、接触面积的大小以及物体运动的速度有关。那么,请同学们结合教师为大家准备的实验器材思考一下:你准备用什么测量滑动摩擦力?

学生:用弹簧测力计来测量。

教师:滑动摩擦力产生在接触面上,方便用弹簧测力计测吗?前面我们学习过画受力分析示意图,哪位同学来画一画我们拉着木块在木板上运动时的受力情况?

学生上台画图后,教师引导学生分析木块在竖直方向受到的重力与支持力是一对平衡力,根据二力平衡知识,可以根据重力大小知道支持力的大小。

教师:木块在水平方向上受到两个力:拉力和滑动摩擦力,我们可以用弹簧测力计测量拉力的大小,能不能间接测量出滑动摩擦力的大小?

学生:如果木块受到的滑动摩擦力与拉力是一对平衡力,只要测出拉力的大小就可以测出滑动摩擦力的大小。

教师:滑动摩擦力与拉力在什么情况下才是一对平衡力?

学生:让弹簧测力计拉着木块在木板上做匀速直线运动就行了。

教师:滑动摩擦力的大小可能与压力的大小、接触面的光滑程度、接触面积的大小以及物体运动的速度有关,那么我们要探究滑动摩擦力与压力的关系,需要怎么做?与其他几个因素的关系呢?请大家分组讨论并汇报。

学生:我们可以采用控制变量法的思路设计实验。比如,我们使用同一木块的同一面在同一个木板表面来控制接触面积和接触面粗糙程度相同,分别在木块表面放1个钩码、2个钩码和不放钩码来改变压力的大小,看滑动摩擦力是否变化。

分析:案例的前一部分教师通过构建“二力平衡”和“匀速直线运动”模型,引导学生运用转换法的思路来间接测量滑动摩擦力。在实验探究教学中,我们还可以借助杠杆、光线、磁感线、串并联电路这些常见模型帮助设计实验,进行实验分析和验证。案例的后一部分教师引导学生借助“控制变量法”的思路来设计实验。在初中阶段,控制变量法、转换法、类比法、等效替代法、理想实验法等都可以为我们设计实验方案提供帮助。

3.3 注重逻辑分析,科学推理论证

在学生收集相关证据后,教师要引导学生处理数据和相关信息,为解释打好基础。在解释阶段要培养学生科学推理和科学论证能力,比如利用分析与综合,抽象与概括,比较与分类等思维方式,结合归纳推理、演绎推理、类比推理等推理形式,对收集到的数据和信息进行处理,形成解释所需要的完整证据。同时根据收集到的证据引导学生对所研究的问题进行描述、分析和解释并表达出来,培养学生的科学论证能力。

案例3:“探究凸透镜成像的规律”数据处理。

经过实验,某实验小组得到的实验记录见表1。其中,凸透镜的焦距f=10 cm。

表1 凸透镜成像规律实验记录表

教师:结合上面的实验数据,引导同学们根据像的性质将收集的数据进行分类。

学生1:第1到5次实验为一类,是实像;第6次实验为一类,是虚像。

学生2:第1、2次实验为一类,是缩小的像;第3次实验为一类,是等大的像;第4、5、6次实验为一类,是放大的像。

教师:根据回答引导学生进一步细分类。

学生3:第1、2次实验为一类,特点是倒立缩小的实像;第3次实验为一类,特点是倒立等大的实像;第4、5次实验为一类,特点是倒立放大的实像;第6次实验为一类,特点是正立放大的虚像。

教师:我们结合焦距的大小与刚才分的4类中物距、像距大小进行分析,看你是否发现什么规律?

学生:u>2f时,成倒立缩小的实像;u=2f时,成倒立等大的实像;2f>u>f时,成倒立放大的实像;u

分析:初中学生因为年龄的特点和思维发展水平原因,对数据和信息的处理是缺乏经验和能力的。案例中教师教给学生数据和信息常用的处理方法:分类和比较、分析和综合。教师在教学实践中,要结合学情,有意识地进行科学思维能力培养训练,培养学生初步的逻辑推理能力;同时加强学生科学论证能力培养训练,培养学生收集证据、运用证据解释的能力。

3.4 指导交流评估,强化质疑创新

很多教师实往往不重视验探究的交流环节,觉得交流评估只要走走形式就行了,忽视了这是学生进行自我反思、相互交流的重要环节,也是培养学生对实验的可靠性、合理性进行思考和发表见解提出新方案的重要环节。

案例4:传感器实验“探究水在沸腾前后温度变化的特点”交流评估。

使用传感器测量水在沸腾时温度的变化,实验器材及实验数据如图2、图3所示。

图2 使用传感器测量水在沸腾时温度变化实验装置(加盖)

图3 使用传感器测量水在沸腾时温度变化实验装置(不加盖)

教师:在刚才的实验中,我们借助传感器和专业软件探究了水在沸腾前后温度变化的特点,你发现了什么?

学生1:水在沸腾时继续吸热但是温度保持不变。

学生2:我发现在烧杯上加盖和不加盖,水沸腾时的温度不同。加盖后水沸腾时的温度高一些。

教师:那么在烧杯上加盖对实验有哪些影响?请同学们结合教材中实验装置图,分小组进行交流讨论。

学生3:加盖可以防止热量散失,从而加快水的沸腾,缩短实验时间。

学生4:加盖方便固定温度计。

学生5:加盖可以防止水沸腾时大量水蒸气在温度计上液化形成小液滴,影响读取温度计示数。

学生6:有坏处,会使得水沸腾时的温度比正常情况下高,浪费燃料。

教师:为什么加盖后,水沸腾时的温度比不加盖的高呢?师生共同分析得出:当烧杯加盖后,水蒸气聚集在烧杯内,使烧杯内气压升高。这说明液体的沸点与气压有关系,当液体上方气压升高,液体沸点升高。所以,加盖后沸腾时的温度比不加盖时高。

分析:案例中,教师借助传感器让学生体会到现代信息教育手段给物理教学提供了便利,让学生将学习的重心放在水沸腾时温度变化的特点,而不是放在记录数据、处理数据(绘制坐标图)等步骤上。在交流评估环节,通过分析专业软件处理好的图像,找到突破“烧杯上加盖的利和弊”这个教学难点的契机,打开学生的思路,结合常规实验和传感器等信息技术参与的实验,科学有效地组织了实验探究后的反思。

4 结语

通过实验探究主题下科学思维培养的实践研究,我们认为在初中物理教学中,物理观念是基础,科学思维是核心,而科学探究是我们学习物理观念、发展科学思维、培养科学态度与责任的手段和途径。实验探究主题为初中物理课堂教学中发展学生核心素养提供了一个很好的实践机会,借助实验探究我们可以抓住科学思维和科学探究这两个核心素养,让物理观念在学生心里扎根,同时培养学生严谨、实事求是的科学态度和责任。