基于问题解决的高中物理实验设计与实施

摘 要：问题解决作为教学中一种常见的策略，主要以学生为中心，通过提出问题，引导学生自行探究、分析和处理问题。在高中物理实验中引入问题解决教学策略，有助于帮助学生掌握物理知识、提升学生科学素养。本文采取文献研究法等方法，首先，分析高中物理实验教学现状，随后提出创新资源利用、优化课程设置、改进教学模式、全面优化评价体系等策略，以期为高中物理实验教学的改革和实践提供可参考经验。

关键词：高中物理；问题解决；实验设计与实施

《普通高中物理课程标准》（2017年版2020年修订）明确指出，学校应注重物理学科本质，注重课程基础性和选择性及过程性评价，培养学生物理学科概念、科学探究、科学思维、科学态度与责任等核心素养。物理实验是高中物理教学的重要环节，对于培养学生的科学素养和实践能力具有重要作用。传统的物理实验教学模式往往侧重验证性实验，学生被动接受知识，缺少主动探究精神。随着教育理念的更新和素质教育的推进，基于问题解决的实验教学模式逐渐受到重视。这种模式通过创设真实问题情境，激发学生的学习兴趣，鼓励其自主设计实验、收集数据、分析问题并得出结论，有助于培养学生的探究能力和创新思维。

一、高中物理实验教学的现状

（一）实验设备及教学资源有限

高中物理实验教学中，一方面，由于学校教育经费有限，影响实验设备更新和维护力度，部分实验器材陈旧甚至无法正常使用，影响实验教学的正常开展。同时，物理实验室的空间有限、设备种类不全，难以满足多样化实验需求，制约实验课程的广度和深度。另一方面，部分学校教学资源分配不均衡，在配备教学资源时，倾向于满足理论教学的需要，使得物理实验资源短缺问题加重[1]。此外，常规物理教学模式强调理论知识的传授，往往忽略实验课需求，学生关注课本知识的学习以及练习，缺少动手操作的机会，影响其参与实验的积极性和动手能力。以上因素综合作用下，导致部分高中存在物理实验教学中实验设备及教学资源有限的问题。

（二）实验课程设置较为不合理

高中物理课程设计中，对实验课时的安排较为不足，学生没有充足的时间进行实验操作和探究，影响实验教学的效果。并且，实验课程与理论课程的衔接不紧密，学生在学习理论知识后，可能无法及时通过实验，对所学内容进行验证和巩固，理论与实践脱节严重。同时，多数物理实验课程内容设计缺少系统性、连贯性，实验项目选择不合理，未能充分覆盖物理学科的核心概念和技能，限制学生对知识的全面理解和应用能力的提升。再者，部分学校在实验课程设置上缺少灵活性，无法严格按照教学进度和学生的实际需求进行动态调整，导致实验教学与学生的学习需求不匹配。此外，物理实验课程缺少创新性和多样性，实验内容过于传统和单一，也无法充分激发学生的兴趣和探究欲望。教师在实验课程设计中缺少足够的自主权和创新空间，不能完全根据具体教学环境和学生特点进行个性化实验教学设计。上述原因综合作用，导致高中物理实验课程设置不合理的问题普遍存在，亟须通过优化课程设计、增加实验课时、加强理论与实践结合等措施进行改进。

（三）实验教学模式传统，学生探究能力不足

高中物理实验教学中存在实验教学模式传统、学生探究能力不足的情况，主要原因如下：第一，传统教学模式注重教师演示、学生按部就班操作，学生在实验中缺少自主探究和设计实验的机会，无法有效培养其创新思维和探究能力；第二，教师在实验教学中往往更关注实验结果的准确性，而忽视实验过程中的思维训练和探究方法指导，使学生在实验中缺少独立思考和问题解决的机会；第三，教师专业发展和培训不足，许多物理教师在探究式教学方法和实验设计方面缺少系统的培训和实践经验，难以有效地引导学生进行探究性实验。

（四）实验内容较为单一且评价体系尚未完善

实验内容是指在实验教学时，教师根据特定的教学目标设计并安排的实验活动，在实验教学过程中，确保实验内容与课程教学的一致性、有效性，结合行之有效的评价体系，可帮助学生理解并掌握相关理论知识及操作技术。而在目前物理实验教学中，教材内容和实验项目的设计相对传统和固定，缺少与实际生活和科技前沿相关的创新性实验，这导致实验内容未能充分激发学生的兴趣和探究欲望[2]。同时，高考压力使得教师倾向于选择标准化和安全性高的实验项目，避免实验过程中可能出现的复杂性和不确定性。再者，现行的评价体系主要关注学生的实验操作规范和实验结果，缺少对学生实验过程、思维过程、创新能力和团队合作精神的全面评价，使得学生在实验中往往只关注结果，忽视实验探究的过程和方法。教师在实验评价方面的培训和指导不足，难以全面和客观地评估学生的实验表现，评价手段和方法相对单一，很难充分反映学生的综合素质和探究能力。

二、基于问题解决的高中物理实验设计与实施策略

（一）创新资源利用，拓展实验设备和教学资源

创新资源利用是指优化并整合现有教学资源，最大化其使用效率和效益，以满足教学需求，解决物理实验资源有限的问题。为弥补物理设备及资源不足的短板，提供更多实验操作机会，教师可展开跨学科合作，整合其他学科的实验资源和内容，设计综合性实验项目，增强学生的实践能力和创新意识[3]。同时，优化现有资源配置，合理调配和更新实验设备，确保实验教学所需的基本设施和条件，并充分利用线上实验资源，通过播放实验视频、游戏模拟物理实验等方式，积极引入虚拟实验室和在线模拟实验平台，拓展实验教学的多样性和深度。再者，教师也应积极参与培训和学习，掌握新型实验仪器和技术，提升自身的实验指导能力和创新意识。

例如，人教版高中物理必修二“探究平抛运动的特点”实验教学时，教师可使用弹簧和滑轨制作简易平抛运动装置，并安装激光指示器，引导学生通过光点移动，观察平抛运动轨迹，并询问“在水平、竖直方向下，平抛运动轨迹有什么特点”，随后，教师于多媒体中播放小球平抛运动视频，借助线上媒体资源分析运动轨迹和速度，帮助学生更为直观地理解运动规律。再如，必修二“验证机械能守恒定律”实验时，教师可将学生分成4～5人小组，每组准备小车、测距仪、相机、滑轨等材料，根据实验材料数量，教师分别指导学生完成不同实验内容：实验一，将小车置于滑轨上，释放小车后组内成员使用光电门等传感器，记录不同位置小车速度及高度，分析小车在不同位置的动能和势能，分析机械能是否守恒；实验二，小组使用弹簧装置，将小球放置弹簧上压缩后释放，使用高速相机，记录小球运动高度及速度，计算小球动能和弹性势能，验证机械能在转换过程中的守恒性。最后，教师引导学生分析数据，讨论实验现象。

（二）优化课程设置，合理安排实验

要优化课程设置，合理安排实验，完成基于问题解决的高中物理实验设计与实施，首先应将实验课程与理论课程有机结合，使学生在学习理论知识后能够及时进行实验验证，强化理论与实践的紧密联系。其次，增加实验课时安排，确保学生有充足的时间进行实验操作和探究，深化对物理知识的理解和应用。课程设计应灵活调整，根据教学进度和学生的实际需求进行动态调整，确保实验课程内容的合理性和适应性。为培养学生的独立思考和创新能力，教师需灵活使用问题驱动教学法，通过设置具有挑战性的问题，引导学生自主设计实验方案和解决问题[4]。再次，教师在实验教学中应发挥指导作用，提供必要的理论支持和现实指导，引导学生顺利完成科学探究和数据分析。最后，教师可结合日常生活中的物理事件以及教材实验模块内容，创设教学情境。可以要求学生基于教材实验内容，设计一个小实验，完成问题探究，有效结合学生直观思维及抽象思维，使其通过亲身体验和实践，感受日常生活中的物理现象。

例如，人教版高中物理必修三“导体电阻率的测量”实验教学时，教师讲解电阻、电阻率概念及其关系，详细讲解导体电阻率测量的实验原理，提问学生“不同材料导线电阻率差异？”教师准备铜、铁、铝等材料的导线、电流表、直尺、电压表等实验仪器，示范并指导学生进行实验。首先，引导学生使用伏安法测量不同材料导线的电阻。将导线连接在电路中，通过电流表和电压表测量电流和电压，计算导线的电阻，并记下不同电流和电压下的多组数据，取平均值。其次，使用直尺测量导线长度，借助螺旋测微器测量导线的直径，计算导线的截面积，借助公式计算出电阻率，并对比不同材料数据。再次，询问学生“不同材料电阻率的差异和应用”，引起讨论。最后，教师给出日常生活中示例，如家用电线材料选择、电热器设计等，询问学生“不同材料电阻率对电器性能的影响”，将抽象理论与实际融合，加深实验印象。同时，引导学生思考环境中湿度、温度对电阻率的影响，以及现实生活中该如何应对这些现象。

（三）改进教学模式，注重培养学生的探究能力

教师引导学生通过实际问题进行自主探究和学习，旨在培养学生问题分析及解决能力。这需要教师强调问题驱动的教学模式，改革传统的实验教学方法，引导学生围绕实际问题进行自主探究和实验设计。一方面，教师应鼓励学生提出问题、设计实验方案，并在实验过程中自主操作和调整，通过实践探索解决问题的路径。实验教学中，应更多地关注学生的思维过程和探究方法，而不仅仅是实验结果，以期培养学生的独立思考和创新能力。另一方面，在学生解决问题、开展实验过程中，适时指导，帮助学生克服困难，提升其问题解决能力。此外，实验项目设计应注重多样性和创新性，结合实际生活和科技前沿，激发学生的兴趣和探究欲望，有效培养学生的探究能力，提升物理实验教学的质量和效果。

例如，高中物理必修一“探究加速度与力、质量的关系”模拟实验时，教师可根据教材内容进行实验示范，并将学生分为不同小组，提出“如何探究加速度与力、质量之间的关系？”鼓励小组学生自行选择合适的器材和方法，设计实验方案。学生可在教师启发下，选择桌面、地面等平滑表面，玩具小车、瓶子等可滑动物体，用橡皮筋和标尺自制测力装置等物品，完成实验，并记录力、加速度、质量等相关数据。随后，教师指导其计算数据平均值，自行绘制力——加速度图和质量——加速度图。学生选择简单的替代器材和方法，可以在有限的条件下完成实验，培养其探究能力和动手能力。

（四）丰富实验内容，全面优化评价体系

实际教学中，教师通过对学生学习表现、学科能力等方面的评价，了解该生学习状况，引导学生全面发展。同时，教师可以借助评价体系，明确自身教学缺陷，改进教学方法。针对高中物理实验课程而言，教师可结合实际生活、科技前沿，设计出一系列富含多样化和有趣的实验内容，激发学生的学习兴趣和探究欲望。同时，采用多元化的评价方法，既关注实验结果，又注重对学生实验过程、思维过程、创新能力和团队合作精神开展综合性评价，结合学生自评、互评和教师评价内容，形成综合评价体系，全面反映学生的实验表现和综合素质，有效提升高中物理实验教学的质量和效果[5]。

例如，高中物理必修一“探究小车速度随时间变化的规律”实验过程中，教师可设计多种实验，要求小组学生在自由下滑、恒定推理、设置阻力等情况下，探究小车速度随时间变化的规律，或要求小组学生使用光电门和秒表、手机加速度传感器和计时器，测量小车速度和时间，并在小组完成实验后，引导学生结合实验过程，分析现实生活中汽车刹车距离的设置理念，进一步讨论速度随时间变化的规律。教师则时刻关注学生在小组实验中的状态、实验过程以及实验结果，记录学生在实验中操作、讨论及合作情况，对其实验步骤、数据记录及分析进行即时指导，明确优缺点，根据学生实验报告评估其数据分析和处理能力，尤其是对速度随时间变化规律的理解，使学生个体能通过教师及同伴互评，反思自身学习过程。

结束语

总之，问题解决策略实施及落实，在高中物理实验教学中，一方面促进学生物理学科素养的提升，另一方面，要求高中物理实验课堂积极转变教学策略。全文通过对物理实验教学现有问题的探讨，认为该教学方法面临实验设备及教学资源有限、实验课程设置不合理等问题，并建议教师通过拓展实验设备和教学资源、丰富实验内容、改进教学模式等策略，引导学生在实验探究过程中掌握物理学知识，培养自主学习能力和团队合作精神，提升其科学素养。

参考文献

[1]王金花.巧设物理实验提高高中物理教学实效[J].数理化解题研究，2024（15）：97-99.

[2]张彦文，吴家盛，成涛，等.基于原始问题的高中物理探究性实验教学案例分析：以“网球塔”的搭建为例[J].物理之友，2023，39（8）：55-58.

[3]檀辰馨.指向问题解决的高中物理实验教学[J].中小学班主任，2022（4）：43-46.

[4]余莉莉，连彬星.从问题情境出发培养高中物理科学思维能力：以“球槽模型”仿真实验为例[J].物理通报，2021（7）：63-66.

[5]赵胤飞.多元化评价在高中物理实验教学中的应用[J].甘肃教育，2024（11）：112-115.