实验教学：培养学生科学精神的实效路径

霍晓宏，享受国务院政府津贴专家，全国优秀教师，天津市中小学首批正高级教师，中学物理特级教师。曾任原天津市中小学教育教学研究室副主任，天津市第一中学党委书记、校长，天津市教科院基础教育研究所与体美劳教育研究中心书记、体美劳教育研究中心主任，主要从事基础教育研究。

主持人：霍晓宏

实验作为自然科学理论建立的基石，它不仅是传授知识、方法的有效手段，而且是培养学生科学精神的重要途径。在《中国学生发展核心素养》中，科学精神被明确列为六大核心要素之一，强调对学生理性思维、批判质疑、勇于探索的素养要求。

实验教学能够培养学生的理性思维。在实验过程中，学生需要遵循科学的方法和规范，对实验现象进行客观的观察和记录，对实验数据进行理性的分析和推理。这种训练有助于学生形成严谨的思维方式，增强处理问题的逻辑性和条理性。

实验教学能够激发学生的批判质疑精神。在实验中，学生可能会遇到与预期不符的现象或数据，这时就需要勇于提出疑问，敢于质疑已有的结论或理论。这种批判性思维的培养，有助于学生形成独立思考的能力，不盲从、不迷信，能够用科学的眼光审视世界。

实验教学能够鼓励学生勇于探索的精神。在实验中，学生需要自己动手操作，亲自验证理论知识的正确性。这种实践过程能够让学生体验到科学探索的乐趣，激发他们对未知世界的好奇心和求知欲。同时，实验中可能会遇到的困难和挑战，也能够锻炼学生的意志力和解决问题的能力。

实验教学与科学精神的培养是密不可分的。为此，今特邀红桥区教师发展中心物理教研员郜建辉和天津市东丽区英华学校物理教师王品品，请他们谈一谈有关物理实验教学助力学生科学精神培养方面的一些看法、做法和反思。

一、我们的体会

王品品

物理实验教学强调通过实际操作来学习，使学生能够亲身体验物理现象和原理的形成过程；通过实验观察，使学生感受到物理规律的作用，锻炼动手能力和观察力，加深对抽象概念的理解。在此过程中，理性思维、批判质疑和勇于探索的素养提升是学生科学精神的重要体现。

理性思维是科学精神的本质和特征。科学的理性精神认为，客观世界是有规律、有秩序的。理性思维主要表现为崇尚真知，能够理解和掌握基本的科学原理和方法；尊重事实和证据，有实证意识和严谨的求知态度；逻辑清晰，能够运用科学的思维方式认识事物、解决问题、指导行为等。例如：《义务教育物理课程标准（2022年版）》的课程目标中提出的科学思维要求，就直接指向模型建构和科学推理。

批判质疑主要表现为具有问题意识，能够独立思考、独立判断；思维缜密，能够多角度、辩证地分析问题，作出选择和决定等。它不仅是科学精神的重要组成部分，而且是学生提升创新能力的重要前提条件。批判质疑的科学精神一旦被激发，学生就会拥有独立思考、怀疑批判的思想，将有利于提高他们的认知水平。例如：物理实验教学中，在形成物理规律的认知过程中，利用验证实验就能有效激发学生的批判质疑意识。

勇于探索在物理教学中可以体现在实验探究教学过程中。探究是学生认识问题、科学实践的关键一环，它能够让学生在真实的情境中动起来，在实践探究活动中形成坚持不懈的探索精神，并尝试自主解决问题。例如：实验探究教学中，教师可以鼓励学生提出问题、作出猜想、设计并进行实验、收集数据并分析结果。在实验过程中，学生可以综合运用所学知识，通过知识间的关联尝试，用不同的方法来解决问题，这些都有助于培养假设检验、逻辑推理和批判性思维能力，进而有助于培养科学精神。

郜建辉

实践是检验真理的唯一标准。人的认知发展总是遵循从感性—知性—理性的过程。感性是现象的、浅层的、个性的感觉；知性是对事物本质、规律系统体系的认知；理性则是在知性基础上，通过实践逐渐发展的。所以，在物理实验教学中，教师要基于知识内容，适恰、精妙地设计实验内容，引导学生通过一些表象提出问题、有效猜想、大胆实验验证，从而得出结论，真正走一条从感性到知性、从知性到理性的道路，并在这条路上“博学之，审问之，慎思之，明辨之，笃行之”。

在《中国学生发展核心素养》中，学生的理性思维、批判质疑、勇于探索作为科学精神的要素，是完全可以通过物理学科的实验教学得到有效提升的。我们知道，科学概念和科学理论必须是可证实或可证伪的。人们为获得可靠的自然知识，势必要经历从观察到实验、从定性走向定量的过程，并在此过程中将科学的实验方法和数学方法进行有机结合。所以，在物理实验教学中，教师要善于通过演示实验、探究实验、设计实验、不确定的扩展实验，以定性分析和定量研究作为知识内容认知的一种方法，鼓励学生勇于探究未知。

《义务教育物理课程标准（2022年版）》中，在课程目标的四个维度中将科学探究单列出来，强调要基于问题、证据、解释、交流等要素，具备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。在课程内容中，将实验探究独立出来，作为一级主题出现，并列举12个学生必做的探究类实验，旨在体现物理课程实践性的特点，培养学生发现问题和提出问题的能力、动手操作和收集数据的能力、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，引导学生学会学习、学会合作，培养学生严谨认真、实事求是的科学精神。

霍晓宏

两位老师说得都挺好。科学精神是指在科学活动中的基本精神状态和思维方式，是科学的灵魂，其丰富的内涵体现了科学家们在长期科学实践中积累下来的宝贵精神财富，现已经成为社会发展不可或缺的无形精神要素。科学精神如此重要，那么请两位老师谈一谈在日常教学教研中是如何做的。

二、我们的做法

王品品

物理学科的实验教学作为培养学生科学精神的有效途径，在实际教学过程中得到有效利用。以我们学校的物理实验教学为例，具体做法有以下几个方面。

（一）加大实验占比，发展学生理性思维

学校配备足够的实验器材，设有专人进行有效的管理和维护，制定科学的安全规范和应急预案，确保学生在实验中的安全。同时，规范实验课流程，以满足不同实验的需求。

一是开足学生分组实验。义务教育物理课程中要求的9个测量类学生必做实验和12个探究类学生必做实验相互关联、各有侧重，旨在体现物理课程实践性的特点。实验教学中，我们严格按照实验的流程，预设标准自悟单、实验报告单、数据记录单等，要求学生在实验课上带着问题进行合作探究，规范操作，记录数据，总结结论；进行小组展示，质疑并补充完善实验过程，不断发展学生理性思维。

二是坚持推进项目式课程。我们每学期用4—6节物理课开设物理跨学科实践项目式课程，以问题的解决过程为线索，设计实验方案，分解若干驱动性任务，旨在发展学生跨学科运用知识解决复杂问题的能力，培养学生乐于实践、敢于创新的精神。例如：物理项目式课程《声如夏花，聆听成长的声音》，学生以人教版八上物理第二章《声现象的知识》为依托，以解决“如何聆听到成长的声音”这个问题为线索设计方案，设置三个分解的驱动性任务：“成长的角度有哪些”“如何用声音的变化体现成长”“聆听成长的声音带给我怎样的思考”。学生从生活中发现成长的声音，综合运用物理的声学知识和美术、音乐、信息等学科知识构建一次完整的成长经历，制作作品并进行展示，培养独立思考、敢于创新的精神；深入理解物理概念，迁移运用所学知识，同时通过多元内容和多种形式满足个性充分发展，养成良好的学习习惯，在提升物理学科核心素养的过程中，不断发展理性思维。

三是突破物理实验的条件限制。学校配备NB物理实验室（NOBOOK虚拟实验室是一款初高中物理实验模拟软件，包含电学、力学、声学、光学等所有物理实验的仿真演示），克服了现实中因实验场地、时间、实验器材等的局限性，实验效果逼真，可以随时随地进行实验探究和交流学习。学生可以自由搭配实验器材，进行DIY探索实验（“Do it yourself”的英文缩写，意思是自己动手制作）。例如：学习“利用浮力测密度的设计实验”时，学生利用课间和自由活动时间，在NB实验室选取实验器材，设计并操作有天平无量筒、有天平无砝码且有量筒、无天平有量筒等多种特殊方法测密度的实验，在激发兴趣的同时，不断发展理性思维。

（二）创设实验情境，培育学生质疑精神

规律的探究需要创设问题情境，应用物理知识解决问题应结合具体的实际情境，这就对每节课的核心问题提出了更高要求。为此，我们采用科学的教学理念——PDC理念（“Problem-Driven Classrooms”的英文缩写，即问题驱动下的课堂学习），实施核心问题驱动下的课堂，形成PDC理念指导下的物理实验课主要流程：导入→自悟→探究→展示→点拨→延伸，并在此过程中培育学生的质疑精神。例如：初中物理人教版第四章《光现象》第三节《平面镜成像》一课，虚像概念的理解是一个教学难点，我们将核心问题设计为“如何才能做出水浇不灭的烛焰”。教师以魔术表演“水浇不灭的烛焰”导入，激发学生好奇心，发现魔术的关键器材——一面亚克力板，联想亚克力板与平面镜的相似之处，提出疑惑“为什么亚克力板能够成功实现魔术，用平面镜行不行”，进而通过探究和展示平面镜成像的规律，解答疑惑，最后引导学生做出“水浇不灭的烛焰”并总结得失。整堂课在核心问题的引领下，以学生的质疑思考为线索，有效提高了实验课质量。

（三）扩展实验渠道，提升学生探索能力

一是丰富实验教学内容。利用多媒体、互联网等现代教育技术，丰富实验教学内容；利用学校大组教研，发挥集体智慧，持续更新与生活现象相关的演示或分组实验，利用日常用品改进实验或开发新实验。例如：演示压力大小的变化，可以把砝码放在弹性钢片上，逐渐抬起钢片一端，观察钢片的形变程度；用钢丝棉连通电路，钢丝棉起火引出焦耳定律的实验等，以提高教学效率和学生学习兴趣。

二是建立实验室开放制度。以学科活动为载体，搭配实验室开放制度，为学生提供更多锻炼机会。学校积极创造条件开展开放性实验探究，旨在通过学科活动搭建培养学生科学思维的桥梁，经历实践探究的过程，应用科学方法迁移解决生活中的实际问题，在解决实际问题的过程中，培养学生探索能力。例如：在物理学科活动“物理实验大练兵”中，学生从“测量太阳的直径、看见声音的变化、比一比大气压”等六项开放性任务中自选其一，自选器材，按照实验室开放制度提前预约，提交设计方案，小组合作完成实验探究和展示。学生从被告知的学习方式转变为亲身经历，观察能力、动手实践能力、创造性思维能力和团队合作能力等都有所提升。

三是开拓实验创新空间。在物理学科活动中，涌现出很多实验创新点。例如：在“看见声音的变化”任务中，学生用激光束反映薄膜的振动，进而看到声音在音调、响度等方面的变化。具体操作是在薄膜上装了一面平面镜，声源振动引起薄膜振动，进而带动平面镜振动，引起照在平面镜上的激光往复变化。小组分工明确，初次组装器材时，平面镜太大，声源响度小，导致光束变化不明显。大家遇到问题不退缩，一起合作想办法，通过讨论把平面镜改成小块，声源用音箱播放声音，效果得到明显改善。探究过程中注意控制变量法和转换法的使用，展示时从控制变量的角度看到只改变音调和只改变响度时光波的形状，从情感升华的角度还播放了学生们爱听的歌曲，看到声音带来的变化，带来一场听觉和视觉的盛宴。我们把这次学生实验的经历拍成纪录片，一可作为开放性实验探究的优秀案例，为一些科技比赛提供素材；二可为学校进行开拓性创新实验的反思提供素材。物理学科活动作为初中物理实验教学的补充和拓展，对于学生综合素质的提升和科学精神的培养发挥不可替代的作用。

（四）完善实验评价，激发学生科学精神

教师要充分发挥评价的诊断和激励功能。在物理实验教学评价中，以物理课程要培养的学生核心素养和学业质量标准的具体要求为依据，创设真实而有价值的问题情境，引发有利于核心素养表现的评价任务，以学业质量为依据，制定详细、可操作的评价指标。注重采用主体多元、形式多样的评价方式，全面客观地了解学生核心素养的发展状况。例如：在“物理实验大练兵”学科活动中，以师生共同评价的方式，从参与态度、实验技能和成果展示三个维度进行评价，每个维度各有不同视角，不仅评价学生的实验操作，还要评价他们的思考过程和创新能力。在此过程中，教师要帮助学生改进提升，并及时提供反馈，以激发学生科学精神。（具体评价方式参见表1。）

郜建辉

实验教学能力是物理教师应具备的基本素养，也是培养学生科学精神的实践基础。在实际工作中，教师实验教学能力的提升，有助于学生科学精神的培养。所以，物理教师在开展实验教学过程中应该注意以下几点。

（一）在演示实验中，加强学生理性思维的培养

所谓演示实验，就是为了展示物理现象，揭示问题的发生、发展过程，引导学生观察、思考，并配合教学内容，由教师操作示范的实验。它是物理实验，也是物理教学中不可或缺的一部分。演示实验的效果与作用，不仅反映了教师的学科专业技能和素养，也会影响到学生的物理学习。

演示实验是教师讲授物理概念、物理规律的基础，是培养学生科学素养的重要手段。因为它有助于引导学生观察、思考，使学生对某一物理现象有最为直观、最为清晰的了解。它可以将枯燥的认知过程变得生动，将平淡的内容变得神奇，将抽象的理解转化为具体的观察。在物理教学中，我们经常为了提升教学效果，采用“提出假设预想，然后通过实验验证”的教学手段。这种情况下的演示实验是在实验前由学生根据自己所学知识对实验现象进行预测，然后由教师演示实验，学生观察实验，最后由学生对所预测的现象进行解释。合理设计演示实验，不仅可以提高学生兴趣，激发学生思维，还可以通过演示实验所遵循的目的性、直观性、科学性等原则，使学生通过对实验现象进行预测、解释，了解物理现象，建立和验证物理概念与物理规律，达到理性思维的实效培养。

（二）在实验操作中，强化学生批判质疑的意识

实验的操作能力是指在解决物理问题、学习物理知识和科学创造中，运用物理知识、借助实验器材、通过实验手段，按计划完成实验方案的动手过程。实验的操作能力主要包括：实验仪器的使用能力、实验设备的组装能力、实验设备的调试能力等。

教师要通过观察、实际操作、排除故障、思维判断、数据分析等，提升对学生实验操作的指导能力等。在此过程中，实验操作各种细节的处理和问题的设置就是良好的契机，教师应有意识地设计能够引发学生质疑、思考的问题，催发他们的内驱力，达到强化学生批判质疑意识的效果。所以，教师只有具备一定的实验指导能力，才能担当实验教学任务，以客观严谨的理性精神、求实求真的实证精神、怀疑批判的创新精神、锲而不舍的探索精神，引导学生通过实验活动培养科学精神。

（三）在实验设计中，促进学生探索能力的提升

实验设计能力是在解决物理问题、学习物理知识和科学创造中，根据一定的目的、任务，运用已有知识、信息及相应的技能，选择适合的实验方法及所需要的实验器材，进行可行性方案设计，并通过实验操作进行实施。它主要包括实验器材的选择、实验方案的设计、实验数据的处理等多方面能力。在物理实验教学中，实验设计经常与实验探究进行整合，既可以全面体现物理学科的核心素养，又能够有效培养学生的探索精神和能力。

例如：在初中物理“测电阻的设计实验”中，教师可以通过这一内容的设计，体现物理学科核心素养的四个要素。一是在物理观念方面，可以基于“运动与相互作用”部分对电流与电压、电阻的关系的知识要求，通过情境设置，促进学生对电阻和测电阻实验的理解，实现对相互作用的观念及其要素的认识。二是在科学思维方面，可以基于学生的经验事实，训练建构理想模型的抽象概括过程，将分析综合、推理论证等科学思维方法进行内化。三是实验探究方面，通过实验设计、获取和处理信息、基于证据得出结论并作出解释，并以开放性的设计，对实验过程和结果进行交流、评估、反思。四是科学态度与责任方面，可以激发学生对科学探究的求知欲，养成实事求是、尊重自然规律的科学态度，促使学生积极参与观察、实验、制作等科学实践活动，体验战胜困难、解决物理问题时的喜悦。如此这般，物理实验教学就有效培养了学生的科学精神。

霍晓宏

两位老师通过采取以上措施，有效促使学生在实验教学中形成理性思维、批判质疑和勇于探索的科学精神，提高学生的实践本领和科学思维能力，从而有效培养学生的核心素养。除此之外，两位老师还有需要补充的吗？

三、我们的反思

王品品

物理实验教学是物理教育中非常重要的一部分，反思我们的物理实验教学，应该注意以下几个方面。

一是要采用多样化的教学方法，如演示实验、小组合作、自主探究等，以适应不同学生的学习风格。鼓励学生提出问题，并引导他们通过实验来寻找答案。这样，可以通过物理学科的实验教学，在学生的科学精神培养过程中做到“因人而异”。

二是要强调实验操作的安全性、规范性的前提下，允许学生进行探索，对实验结果进行批判性思考，理解实验的不确定性。鼓励学生进行创新性实验，探索未知领域。提供开放性问题，激发学生的探究兴趣和创新思维。

三是要确保实验与理论教学相辅相成，让学生看到理论知识在实际中的应用，通过实验来验证和加深对物理定律和概念的理解。

四是要设计合理的评价体系，不仅要评价学生的实验操作，还要评价他们的思考过程和创新能力。及时提供反馈，帮助学生认识到自己的不足，并鼓励他们不断进步。同时，定期对实验教学进行评估和反思，找出存在的问题和改进的空间。

五是要充分利用现有资源，包括实验室设备、网络资源等，提高实验教学的效率和效果。并进行广泛的交流，学习先进的实验教学方法和理念。

综上所述，物理实验教学作为物理教育的重要组成部分，是培养学生科学精神的实效路径，对于学生综合素质的提升和科学素养的培养具有不可替代的作用。

郜建辉

在中学物理实验教学中，教师一定要注重基于学生生活实际和真实情境的问题引导，并以此引发学生真正的思考，形成与教学要求相适应的思维，借此开展教学。就像美国心理学家布鲁纳所说：“教学过程是一种提出问题和解决问题的持续不断的活动。”因此，物理实验教学要从“知识传递”转向“知识建构”，着重培养学生的创新能力与实验操作能力。这样，才能更好地培养学生的科学精神。在实际的实验教学中，应注意以下两点。

一是要做好学生的“思维加工”，建立与解释物理概念。物理概念是人们通过对客观事物进行大量观察、测量抽象出来的，具有抽象性强的特点。所以，通过实验教学可以增加学生的感性认识，促进其理性思维的形成。例如：在初中物理《电压》一课的讲解中，教师可利用水位差的演示实验，用类比的方法引出电压的概念。

二是要做好学生的“认知提升”，了解与验证物理规律。在物理教学中会遇到很多规律，而大多数规律是通过大量实验、事实总结概括出来的。当然，有些规律是通过已有知识推导出来的，但它们需要通过实验来验证。因此，在实验教学过程中，为了使学生更好地学习和理解物理规律，教师教学过程中一定要重视实验。这样，既可以引导学生学习新的物理规律，或者对已学过的规律加以验证，加深对规律的理解和掌握，又可以在此过程中培养学生批判质疑、探索实践的科学精神。

总之，中学生正处于对世界充满好奇和探知欲望的时期。生动鲜活的物理实验能够极大引起学生的兴趣，产生强烈的刺激和欲望，那些奇特的实验现象势必会引起学生积极的思维，这正是我们培养学生科学精神所需要的。

霍晓宏

实验教学在培养学生科学精神方面具有不可替代的作用。因此，教师在开展物理教学的过程中，要把实验作为物理教学的基础。通过实验教学，培养学生的观察能力、动手能力，发展学生的思维能力；引导学生学习科学方法和科学研究方法，激发学生的学习兴趣，调动学生的积极性、主动性，培养学生的科学精神。

（柳艳芳）