高中物理教学中思维引导性实验设计策略研究

摘 要：物理实验是高中科学教育的关键组成部分，其设计与实施对学生理解物理法则及其应用至关重要。传统物理实验教学多侧重演示基本的物理原理和实验技能，忽略了对学生创新思维与问题解决能力的培养。针对这一问题，本研究采用了四个主要策略：首先是明确实验目标，通过设计引导问题来激活学生的思维；其次是构建与现实世界相连接的情境，激发学生的探索欲望；再次是通过促进学生间的互动，深化其物理概念理解；最后，通过实施反馈和修正机制，持续优化实验设计。上述策略将共同作用，从而达到更有效的物理教学效果。

关键词：高中物理；思维引导；实验

思维引导性实验旨在通过精心设计的实验环节激发学生探索兴趣，促进其主动学习，并深化学生对物理概念的理解。此种实验设计不仅关注理论知识传授，更重视学生思维能力的发展。本研究选题旨在结合理论教学与实践操作，帮助学生更好地理解物理原理，同时激发学生对科学探索的热情。在此基础上，引入思维引导性的实验设计原则和策略，可以有效补充、完善现有教学模式，使学生在实验探索中获得更深层次的认知体验。

一、在高中物理教学中设计思维引导性实验的意义

思维引导性实验强调设定开放性问题和多种解决方案，激发学生好奇心。在思维引导性实验设计中，学生不再是被动接受知识的容器，而是变成了主动探索和解决问题的参与者。思维引导性实验还能够帮助学生建立起实验操作与理论知识之间的联系，从而在实践中培养其科学思维和问题解决能力[1]。其次，思维引导性实验通常需要学生在小组内协作，共同设计实验方案、分工实施、讨论结果和撰写实验报告。这一过程能够锻炼学生实验技能，同时促进团队间的沟通协作。在解决实验中遇到的实际问题时，学生需要集思广益，每个人的独特视角和创新想法都可能成为解决问题的关键。通过这种方式，学生能够在实际操作中感受到物理学的魅力，同时也为将来的深入学习打下基础。

二、高中物理思维引导性实验的设计原则

（一）科学性原则

科学性原则强调实验必须坚守物理科学的理论根基和经验验证的方法论，此原则能够确保实验设计严格遵循物理学的基本法则，并能在实际操作中得到验证和体现。科学性原则要求教师在设计实验时，必须确保实验目标、过程和内容的科学性，排除任何科学依据不充分的假设或方法[2]。此外，实验结果应能够在科学的框架内得到合理解释，支持或反驳现有的物理理论，从而确保学生能在科学严谨的环境中进行学习和探索。遵循科学性原则旨在维护物理实验的严肃性、权威性，确保学生在正确的理论指导下进行实验探究，从而培养其科学思维和实验操作能力。

（二）启发性原则

启发性原则主张通过实验活动激发学生学习兴趣，并引导学生主动进行科学探索和深入思考。启发性原则的核心要求是确保实验不仅是验证物理理论的工具，而是成为学生积极思考、提出疑问、探索未知的平台。实验设计应鼓励学生超越传统的学习模式，促使学生在探究过程中提出自己的假设，探讨物理现象背后的原理，并通过实际操作来测试这些假设的有效性。此外，启发性原则还要求实验内容具有开放性，使学生能在实验探索中遇到并解决实际问题，通过这一过程加深对物理概念的理解和应用[3]。此种开放性的实验环境有助于学生发展批判性和创造性思维，从而在学习物理的同时培养学生解决复杂问题的能力。整体而言，启发性原则强调实验教学应当充分考虑学生的主观能动性，通过科学探索的实践活动，促进学生对物理知识的深入理解与应用。

（三）适宜性原则

适宜性原则在高中物理思维引导性实验设计中要求考虑学生的具体认知发展水平、物理基础以及个体差异，以确保实验难度适合学生实际能力。此原则的核心在于实验内容的设计需要与学生学习阶段相匹配，避免因难度过高或过低而影响学生的学习效果和科学探究的热情[4]。适宜性原则强调教师在设计实验时，需全面评估学生的先验知识、操作技能及理解能力，从而选择最合适的实验主题和难度。实验设计按照适宜性原则进行时，应确保所有学生都能在各自的能力范围内参与到实验活动中，从而有效支持学生学习动机和自信心。

三、高中物理教学中思维引导性实验的设计策略

（一）明确目标，设计引导

制定可观察的实验目标是实验设计的基础，教师需要设定具体、可量化的目标，确保这些目标能够通过实验的操作和结果被明确观察到。实验目标应清晰地对应教学大纲中的关键物理概念，且要求学生能够通过实验活动直接验证这些概念。例如，如果目标是让学生理解力和加速度的关系，则实验设计应要求学生能够测量并计算在不同力的作用下物体的加速度。其次，教师应当引入开放性问题，激励学生在实验开始前提出自己的预测和假设。实施这一策略时，教师应避免提供直接答案，而是通过问题引导学生思考可能的实验结果及其科学依据。此种问题导向设计能够促使学生在实验前进行深入的理论思考，同时能在实验过程中培养学生科学思维。

以“平抛物体的运动”实验设计为例，其主要目标是让学生理解并验证平抛运动是水平方向匀速直线运动与竖直方向自由落体运动的合成。在具体实践中，教师可将实验目标设定为：学生能够通过测量和计算，明确展示物体在水平方向上保持恒定速度，同时在竖直方向上的速度随时间线性增加，从而体现重力加速度的作用。这一目标使学生能够直观看到平抛运动的轨迹为抛物线，同时可以通过实际测量不同时间点的位置坐标，计算出初速度及竖直方向的加速度，进而深刻理解平抛运动的动力学原理。随后，教师可以在学生动手操作之前提出思维引导性问题，“如果平抛物体的初速度增加，你认为它的水平位移会如何改变？”引导学生利用已知物理知识推理初速度变化对水平位移的潜在影响。接下来，教师可以询问：“在平抛运动中，水平速度保持不变而竖直速度如何变化？这两者是如何结合形成最终轨迹的？”此问题可以引导学生思考两个正交分量（水平和竖直）如何相互独立又如何共同作用以形成抛物线轨迹。学生需要基于竖直方向上的自由落体运动（加速度为重力加速度）进行思考，预测在不同时间点的竖直位置，从而在开始实验之前建立对实验结果的预期，此类预期将在实验过程中得到验证，进而增强学生对物理定律的应用能力。

（二）创建情境，激发探索

将抽象的物理概念与学生生活环境中的具体现象相结合，可以增强学生对物理学的兴趣和学习的实际应用感。在设计实验时，教师可以选择与学生日常生活密切相关的物理问题或现象作为实验主题，帮助学生理解物理定律在现实中的应用，同时使得学生能够通过实验观察和实际操作来体验和验证理论知识。其次，在物理思维引导性实验设计中，教师应允许学生选择不同方法来探索相同的物理现象，鼓励学生从多个角度、使用不同的方法来理解物理原理。此种策略能够有效引导学生思维，使学生在解决问题的过程中学会选择最合适的方法。

以“平抛物体的运动”实验设计为例，教师应首先介绍平抛运动的基本理论，解释水平方向上的匀速运动与竖直方向上的加速运动如何合成抛物线轨迹。此后，教师可以提出与学生生活环境相关的实际问题，如：“如果你从移动的滑板上扔出一个球，球会如何移动？”引导学生去思考平抛运动在实际生活中的具体表现和实际应用。随后，教师可以设置从一定高度和不同速度滚下的球的实验，引导学生探索多种实验方法，以充分理解平抛运动的复杂性。具体而言，教师可以让学生从不同的高度和不同的水平速度进行平抛，以观察这些变量如何影响物体落地点的位置，帮助学生理解初始速度和释放高度如何共同影响物体移动轨迹和落点。在此基础上，教师可以鼓励学生使用多种工具来测量和记录实验数据，增强实验的多样性和教育价值。一种方法是利用传统的停表和尺子来测量时间间隔和水平位移，另一种则可以使用智能手机或其他数字设备利用其内置传感器和应用程序来记录精确的运动数据。学生可以对比这两种方法的数据准确性和操作便利性，深入探讨科技在物理实验中的应用。此外，教师还可以引导学生通过理论计算预测平抛运动的结果，然后与实际测量结果进行比较。学生可以使用基本的位移和速度公式计算理论上的运动轨迹，并绘制出预期抛物线图。通过对比理论图和实际轨迹的偏差，学生可以探讨空气阻力、测量误差等误差来源，从而全面理解平抛运动的物理本质。

（三）促进互动，深化理解

实施小组合作和讨论能够在物理思维引导性实验教学中促进学生互动、深化学生对物理概念的理解，教师可以将学生分成小组，每个小组成员共同完成实验任务。此种组织方式使学生有机会在实验过程中交流观点，同时能通过讨论来解决实验中遇到的问题[5]。其次，教师应在实验指导中提出引导性问题，具体问题应关注实验结果的预期与实际，鼓励学生探讨异常数据。在此基础上，教师可以通过问题引导学生思考实验设计的优化方法和改进措施，促进学生在思维引导性实验中将理论知识与实际操作进行有效结合，同时培养自身创造性思维。

以“平抛物体的运动”实验设计为例，教师可以将学生分为三个小组。一个小组可以负责研究物体在相同高度但不同初速度条件下的平抛运动，此小组的任务是观察并记录不同初速度如何影响物体的飞行距离和轨迹形状。通过改变水平初速度，学生可以直观地看到速度如何影响水平位移，并通过数据分析理解物理原理。另一个小组可以探讨抛射角度对平抛运动的影响，尽管理论上平抛运动的角度应始终为零（完全水平），但此小组可以通过轻微调整发射角度，探索即使是微小的角度变化如何影响运动的轨迹。此类实验能够帮助学生理解角度和运动轨迹之间的关系，也能为学生提供思考平抛运动误差来源的方式。第三个小组则可以专注于投掷高度的变化，从不同的高度释放相同质量和大小的球体，测量并比较物体落地点的变化。此实验能够帮助学生探究高度如何影响物体的落地时间以及竖直下落距离，从而深化对自由落体组成部分的理解。为深化学生理解并提升其分析能力，教师可以提出思维引导问题：“如果平抛物体的初速度是已知的，根据你的实验结果，你预计它的轨迹将会如何？”从而提高教学思维引导性，培养学生科学探究能力。

（四）反馈修正，持续优化

实验结束后，教师应引导学生分析实验中观察到的数据与预期之间的差异，评估实验操作的准确性、实验条件的控制以及数据记录的方法等，以确定影响结果的关键因素。其次，教师应鼓励学生根据评估结果提出具体改进建议，并在后续的实验中实施这些改进措施。此种持续的优化过程可以提高实验准确性，同时能培养学生创新思维。

以“平抛物体的运动”实验设计为例，教师应引导学生详细审查实验数据并提问：“你观察到的物体运动轨迹与预计的抛物线轨迹有何不同？这些差异可能是由哪些因素引起的？”促使学生回顾和分析自身的实验设计和执行过程，鼓励学生思考如何解释数据中的异常现象。接着，教师应指导学生评估实验操作的准确性，引导学生探讨：“在进行实验时，你的设备设置是否存在问题？所使用的测量工具是否足够精确？记录数据的方法是否能够有效捕捉到你需要的信息？”通过此类问题引导学生讨论，学生可以识别实验中可能的操作错误或不足之处，从而了解如何在未来的实验中避免类似问题。此外，教师还应鼓励学生思考实验条件的控制，并提出问题：“实验环境中哪些外部因素可能影响实验结果？你的实验是否具有重复性，如果再次进行同样的实验，能得到相同的结果吗？”帮助学生认识到科学实验的复杂性，并学习如何设计更加严谨、可控的实验。接下来，教师应鼓励学生基于这些分析提出改进建议。例如，如果学生发现初速度测量不够准确，可建议使用电子计时器等更精确的速度测量工具，或改进发射机制以保证更一致的发射速度。如果问题在于数据记录的准确性，教师可以建议使用视频记录配合计算机软件进行分析，以减少人为记录误差。通过上述实验引导，学生能够在实验技能上获得提升，同时培养个人科学思维。

结束语

本研究围绕高中物理思维引导性实验的设计策略展开探讨，研究主要发现包括：确立明确的实验目标可以显著提高学生的学习动机和实验效果；创建贴近实际的情境可以激发学生探索兴趣；促进学生互动交流有助于深化学生对物理概念的理解；持续的反馈与修正机制能够有效提升实验设计质量。因此，本研究认为，通过精心设计的实验活动能够加强学生对物理知识的掌握，同时能够培养学生科学探究能力和创新思维。这一观点强调了教育实践中对学生主动学习态度的重视，以及在实验教学中对思维训练的必要性。在教育理论方面，本研究强调了实验教学中的学生中心理念，倡导通过思维引导活动来帮助学生建立知识的深层次理解，进而促进创新教学方法发展。

参考文献

[1]甘秉洪.新高考背景下构建高中物理实验教学高效课堂的实践研究[J].中国教育学刊，2022（S1）：152-154.

[2]曹雅萍，韩海生，裴魏魏，等.新课程标准背景下高中物理探究式实验教学案例[J].中学物理教学参考，2022，51（20）：4-6.

[3]樊小莉，王正全，冯洁，等.科学思维指向下的高中物理探究实验教学设计：以“楞次定律”为例[J].中学物理教学参考，2023，52（5）：42-45.

[4]王然.新人教版高中物理实验探究类课程落实核心素养分析：以“实验：探究加速度与力、质量的关系”为例[J].物理通报，2023（4）：94-97.

[5]刘耀民.思维进阶视域下高中物理实验教学路径探索：以“用单摆测量重力加速度”为例[J].中学物理教学参考，2022，51（36）：11-13.