淺談初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中科學(xué)探究能力的培養(yǎng)
——從深圳市2020年中考物理實(shí)驗(yàn)題說(shuō)起

賀桐杰 楊 明 王 健

(1. 廣東省深圳外國(guó)語(yǔ)學(xué)校，廣東 深圳 518028；2. 廣東省深圳市南山區(qū)第二外國(guó)語(yǔ)學(xué)校，廣東 深圳 518054)

科學(xué)探究能力是指基于觀察和實(shí)驗(yàn)提出物理問(wèn)題、形成猜想和假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與制定方案、獲取和處理信息、基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋，以及對(duì)學(xué)科探究過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行交流、評(píng)估、反思的能力。[1]2020年深圳市中考第32(2)題是一道開(kāi)放式探究題，通過(guò)實(shí)驗(yàn)器材的選擇和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)來(lái)考查學(xué)生的科學(xué)探究能力，切合物理課程改革理念。

1 試題分析及答題中常見(jiàn)問(wèn)題

1.1 試題呈現(xiàn)

有兩塊邊長(zhǎng)均為4cm的無(wú)色透明的正方體玻璃，一塊是普通玻璃(密度為2.5×103kg/m3)，另一塊是有機(jī)玻璃(密度為1.18×103kg/m3)。請(qǐng)你選用所需題材，設(shè)計(jì)一種方案；在不損壞玻璃的原則下區(qū)分他們。實(shí)驗(yàn)器材：托盤(pán)天平、海綿、細(xì)線、大燒杯、刻度尺、濃鹽水(密度為1.3×103kg/m3)。請(qǐng)將所選器材、操作方法和現(xiàn)象及結(jié)論填入下表(方案不能與示例相同)。

實(shí)驗(yàn)器材操作方法現(xiàn)象結(jié)論示例托盤(pán)天平將兩塊玻璃分別放在調(diào)節(jié)好的天平的兩個(gè)托盤(pán)上天平一端下降下降的一端放的是普通玻璃你的方案

1.2 試題分析

試題從器材選擇到實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、得出結(jié)論等多角度考查學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力，區(qū)分兩塊密度不同、體積相同的玻璃的基本思路是通過(guò)比較兩者的質(zhì)量或所受重力，物理原理是m=ρV或G=mg=ρVg。在此基礎(chǔ)上，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案可以多樣化，試題解答示例就是通過(guò)比較兩塊玻璃的質(zhì)量來(lái)進(jìn)行區(qū)分的。試題涉及的原理簡(jiǎn)單，但實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路卻很廣，給了學(xué)生自由發(fā)揮的空間，考查了學(xué)生的創(chuàng)新思維和科學(xué)探究能力，表1列出了8種實(shí)驗(yàn)方案。這8種方案中雖然操作方法與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不相同，但其設(shè)計(jì)思路是相通的，即比較兩塊玻璃的質(zhì)量或所受重力，學(xué)生在解答中出現(xiàn)的典型錯(cuò)誤可以歸納為以下幾類：

表1

(1)對(duì)實(shí)驗(yàn)原理或?qū)嶒?yàn)器材的用途理解不清，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)器材選擇與組合的錯(cuò)誤。如選了濃鹽水，沒(méi)選燒杯；或認(rèn)為濃鹽水不屬于實(shí)驗(yàn)器材，在選擇器材時(shí)不選用。

(2)對(duì)科學(xué)方法(轉(zhuǎn)換法、控制變量法)的掌握不到位，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)不夠嚴(yán)謹(jǐn)。如采用溢水法時(shí)，沒(méi)有強(qiáng)調(diào)剛開(kāi)始兩只杯子要裝滿濃鹽水；利用判斷液面高度高低的方法觀察物體浸入液體的深度時(shí)，沒(méi)有強(qiáng)調(diào)剛開(kāi)始時(shí)兩只杯中所裝濃鹽水的高度相同。

(3)對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)結(jié)論認(rèn)識(shí)不清，不會(huì)準(zhǔn)確描述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)論。如現(xiàn)象和結(jié)論都寫(xiě)“重的是普通玻璃，輕的是有機(jī)玻璃”，沒(méi)有描述出實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象；再如“高低”“凹陷”“漂”“沉”等用詞不準(zhǔn)確。在實(shí)驗(yàn)結(jié)論的描述中，沒(méi)有說(shuō)明普通玻璃、有機(jī)玻璃分別是哪一塊，仍用現(xiàn)象加以說(shuō)明。

上述問(wèn)題反映了學(xué)生科學(xué)探究能力的不足，筆者針對(duì)本次考試中學(xué)生出現(xiàn)的問(wèn)題，提出改進(jìn)建議，以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。

2 科學(xué)探究能力的培養(yǎng)策略

2.1 巧設(shè)問(wèn)題串，助力學(xué)生思維過(guò)渡

教師有時(shí)為了能讓學(xué)生更快地掌握考點(diǎn)內(nèi)容，會(huì)采用“灌輸式”的演示實(shí)驗(yàn)，忽視了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中跟著教師走，形成知其然而不知其所以然的現(xiàn)象。從培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力的角度來(lái)講，實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要循序漸進(jìn)，本著“是什么”(對(duì)于實(shí)驗(yàn)中的研究對(duì)象進(jìn)行提問(wèn))——“為什么”(對(duì)于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、原理進(jìn)行提問(wèn))——“怎樣做”(對(duì)于實(shí)驗(yàn)操作方法、實(shí)驗(yàn)具體步驟進(jìn)行提問(wèn)，以及對(duì)實(shí)驗(yàn)故障的解決進(jìn)行提問(wèn))——“還能怎樣”(對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)及創(chuàng)新)的邏輯線索進(jìn)行問(wèn)題設(shè)計(jì)，[2]逐步理清實(shí)驗(yàn)的來(lái)龍去脈，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度及探究能力。如在“探究阻力對(duì)物體運(yùn)動(dòng)的影響”實(shí)驗(yàn)中，就要用一系列的問(wèn)題串引起所需要的器材、實(shí)驗(yàn)原理及方法(圖1)。

圖1

2.2 顯化科學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力

學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)不嚴(yán)謹(jǐn)，關(guān)鍵問(wèn)題就是沒(méi)有掌握實(shí)驗(yàn)中的科學(xué)方法。如在采用溢水法時(shí)沒(méi)有控制變量，即控制兩只杯中裝的鹽水體積相同。在平常的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，很多教師容易忽略了對(duì)實(shí)驗(yàn)中科學(xué)方法的挖掘，如在探究“影響壓力作用效果的因素”的實(shí)驗(yàn)中，為了探究壓力的作用效果和某一個(gè)因素的關(guān)系，必須控制其他因素相同，不然實(shí)驗(yàn)得出來(lái)的結(jié)論就缺乏可靠性。在探究“壓力的作用效果”時(shí)，海綿的凹陷程度越大，壓力的作用效果就越明顯，利用轉(zhuǎn)換法把不好判斷的“壓力的作用效果”轉(zhuǎn)換成“海綿的凹陷程度”。再如在牛頓第一定律的教學(xué)中，把“阻力對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響”轉(zhuǎn)換成“木塊滑行距離的長(zhǎng)短”。在教學(xué)中，教師要引導(dǎo)學(xué)生思考：為什么要觀察小車(chē)的滑行距離長(zhǎng)短？為什么要觀察海綿的凹陷程度？讓學(xué)生通過(guò)思考領(lǐng)會(huì)其深層次的原因，學(xué)生只有掌握了其中的科學(xué)方法，他們才可能舉一反三。凸顯科學(xué)方法的作用，提升科學(xué)方法的地位，引導(dǎo)學(xué)生掌握系統(tǒng)的科學(xué)方法，切實(shí)培養(yǎng)其科學(xué)探究能力，這是課堂教學(xué)需要深入開(kāi)展的工作。[3]

2.3 注重從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象到實(shí)驗(yàn)結(jié)論的總結(jié)歸納

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中人的感官可以直接感受到的東西，如運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化、物體形態(tài)變化、顏色、氣味等；實(shí)驗(yàn)結(jié)論是對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行概括、分析、推導(dǎo)得出的本質(zhì)屬性或規(guī)律。學(xué)生在答題中，容易把實(shí)驗(yàn)結(jié)論和現(xiàn)象混淆，或者實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象描述不夠準(zhǔn)確。教師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中要注意讓學(xué)生用自己的語(yǔ)言描述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，而不是直接告訴他們，并且在歸納實(shí)驗(yàn)結(jié)論的時(shí)候要注意把現(xiàn)象和結(jié)論統(tǒng)一起來(lái)，通過(guò)現(xiàn)象可以歸納出普遍的結(jié)論。如在“探究影響滑動(dòng)摩擦力的因素”的實(shí)驗(yàn)中，得出結(jié)論的時(shí)候要分步得出，由哪兩個(gè)步驟得到摩擦力的大小和接觸面的粗糙程度有關(guān)，由哪兩個(gè)步驟得到滑動(dòng)摩擦力的大小和壓力的大小有關(guān)。最后總結(jié)出結(jié)論：滑動(dòng)摩擦力的大小與壓力和粗糙程度有關(guān)。通過(guò)分析現(xiàn)象得出結(jié)論，培養(yǎng)了學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維，得到的結(jié)論有理有據(jù)，這是科學(xué)探究能力的重要部分。

2.4 重視教材實(shí)驗(yàn)，遷移拓展與創(chuàng)新

2020年深圳市中考開(kāi)放式探究題可以從教材上找到原型，在教材的“探究壓力的作用效果”實(shí)驗(yàn)中用的就是海綿，重的物體使海綿凹陷程度大，輕的物體使海綿凹陷程度小。如果教師在這個(gè)實(shí)驗(yàn)后拓展延伸，提出問(wèn)題：利用海綿我們還能做什么？讓學(xué)生充分聯(lián)想每個(gè)器材的作用，加深學(xué)生對(duì)教材實(shí)驗(yàn)的認(rèn)識(shí)，在學(xué)習(xí)中產(chǎn)生正遷移。如在“探究滑動(dòng)摩擦力的影響因素”的教學(xué)中，教師可以在完成教材上的實(shí)驗(yàn)后，提問(wèn)：“這樣做實(shí)驗(yàn)有沒(méi)有缺點(diǎn)？”“用彈簧測(cè)力計(jì)來(lái)拉動(dòng)物體，很難保證物體做勻速運(yùn)動(dòng)，怎么改進(jìn)呢？”通過(guò)設(shè)問(wèn)的方式鼓勵(lì)學(xué)生大膽進(jìn)行實(shí)驗(yàn)改進(jìn)和創(chuàng)新，理解每一步實(shí)驗(yàn)的目的，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中存在的問(wèn)題并想辦法解決，培養(yǎng)他們的科學(xué)探究能力。

2.5 變驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為開(kāi)放式探究性實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式不同，對(duì)學(xué)生提出的實(shí)驗(yàn)探究能力要求也不同。如果從實(shí)驗(yàn)原理、器材到實(shí)驗(yàn)步驟及表格設(shè)計(jì)都是由教材或教師來(lái)確定，這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式不利于培養(yǎng)學(xué)生的探究能力。開(kāi)放式探究性實(shí)驗(yàn)從問(wèn)題到實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、再到得出結(jié)論，都由學(xué)生自主完成，能較好地培養(yǎng)學(xué)生各方面的能力。

在教學(xué)實(shí)踐中，教師可嘗試把一些實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)成開(kāi)放式探究性實(shí)驗(yàn)。比如，可以把“探究影響浮力大小因素”實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為開(kāi)放式探究性實(shí)驗(yàn)。在“探究浮力的大小和浸入液體體積的關(guān)系”時(shí)，采用驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)方式，把問(wèn)題和實(shí)驗(yàn)器材、步驟等告知學(xué)生，讓其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，熟悉實(shí)驗(yàn)方法；在“探究浮力的大小和深度的關(guān)系”時(shí)，讓學(xué)生自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，層層推進(jìn)。前者為學(xué)生提供了可供參考的方案，后者則讓學(xué)生在前者的基礎(chǔ)之上，通過(guò)自主、深化等方式提升實(shí)驗(yàn)探究能力。

3 結(jié)語(yǔ)

初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)要始終將學(xué)生科學(xué)探究能力的培養(yǎng)貫穿于教學(xué)過(guò)程中，積極推進(jìn)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革。在教學(xué)實(shí)踐中，教師要通過(guò)巧設(shè)問(wèn)題串、變驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為開(kāi)放式探究性實(shí)驗(yàn)，通過(guò)從現(xiàn)象到結(jié)論的歸納、科學(xué)方法的顯化，對(duì)教材實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，提升學(xué)生的科學(xué)探究能力，幫助學(xué)生更加深入地理解物理概念和規(guī)律，培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。