高中物理學生實驗探究素養(yǎng)的構(gòu)成和培養(yǎng)路徑

郭義超

（福州教育學院第二附屬中學，福建 福州 350013）

在科學探究中，實驗探究是科學探究的重要組成部分，而實驗探究是以實驗教學為主題驅(qū)動開展的一系列探究活動，包括：問題的提出、猜想與假設(shè)、實驗方案的設(shè)計與實施、獲取信息與處理信息、整合數(shù)據(jù)、總結(jié)結(jié)論等等。實驗探究的過程實際上也是認知物理知識、分析和解決物理問題的過程，是學習高中物理的基本能力。實驗探究素養(yǎng)在整個物理核心素養(yǎng)教育中占據(jù)舉足輕重的地位，是落實物理觀念、科學思維，培養(yǎng)科學態(tài)度與責任的基礎(chǔ)。培養(yǎng)良好的實驗探究素養(yǎng)，要把握“觀察問題、提出問題、發(fā)現(xiàn)問題、分析問題以及解決問題”五大要素，融入科學探究的過程。第一，觀察問題。觀察生活、實踐與學習中的物理事件、物理現(xiàn)象，引發(fā)思考。第二，提出問題。在觀察的基礎(chǔ)上提出問題并表述問題，立足已學的物理知識揭示矛盾。第三，發(fā)現(xiàn)問題?；谖锢碇R、生活經(jīng)驗與科學證據(jù)，發(fā)現(xiàn)問題并合理猜測。第四，分析問題。通過自主、合作、探究多元學習策略，分析問題、設(shè)計實驗方案，處理相關(guān)數(shù)據(jù)，做好有效分析，判斷方案可行性。第五，解決問題。合理設(shè)計實驗方案，利用多種實驗工具，結(jié)合問題或者假設(shè)找出相關(guān)證據(jù)，運用控制變量等方法開展進行實驗探究，通過問題討論、小組互助等一系列探究過程，整理實驗成果，得出實驗結(jié)論。

一、引導自主探究，激發(fā)問題意識

培養(yǎng)高中生良好的實驗探究素養(yǎng)，突出學生主體地位是重要的前提條件。那么如何才能激活學生的主觀能動性？自然要以“問題”為指引，通過“以問激趣”“以問啟思”，讓學生在解決問題的過程中運用歸納、整理、探索、推理、實踐等一系列手段，掌握物理知識，提升實驗探究能力。［1］

例如，學習“用打點計時器測速度”時，先讓學生閱讀使用說明書，基本掌握打點計時器的使用方法，再讓大家動手練習，之后引導學生自主探究：1.紙帶上的點，怎樣對應(yīng)小車的位移與時間？2.根據(jù)這些點的運行軌跡，怎樣計算紙帶打點的平均速度？3.怎樣確定瞬時速度，并繪制v-t 圖像？通過本節(jié)課的自主探究，不僅激活了學生自主學習的問題意識，也鍛煉了良好的實驗探究能力，為良好的實驗探究素養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。

二、立足生活實際，增添學習樂趣

生活中的物理知識無處不在，為了讓學生感受學習物理的趣味性與重要性，教師不妨從生活中探尋物理實驗素材，以生活中的物理現(xiàn)象為教學資源，讓物理教學回歸生活本質(zhì)，潛移默化中滲透實驗探究素養(yǎng)。

例如，學習“機械功”時，為了讓學生感受“功”的存在，并能把握兩個做功的必要因素，新課導入時提出一個趣味性的生活場景：“超市的顧客購買了一袋50kg 的大米，提著大米走向小區(qū)共步行了500 米，這位顧客對手中的大米是否做功？到小區(qū)之后提著大米從1 樓乘電梯到16 樓，這一過程他對手中的大米是否做功？”就此引出本節(jié)課的實驗。為了降低實驗的難度，讓每個學生都能參與實驗過程，要準備一些簡單易操作、生活中常見的工具材料，如石塊、木板、釘子、錘子、鋸條等，邀請學生上臺，動手舉石塊、推木板、錘釘子、拉木鋸條，通過舉、推、錘、拉等一系列的動作，由此總結(jié)出做功的兩個必要元素，一個是“作用在物體上的力”，另一個就是“物體在力的方向上移動距離”，兩個條件共同存在、缺一不可。通過生活案例與動手實驗相結(jié)合，學生親自參與實驗探究的過程體驗，從中提升實驗探究素養(yǎng)。

三、小組合作交流，豐富物理實踐

教師要鼓勵學生多合作、多交流，通過小組探究交流想法、碰撞思維，這樣既能掌握有效學習方法、豐富物理實踐，也能有效培養(yǎng)學生的物理實驗探究素養(yǎng)。

例如，學習“驗證共點力的平衡條件”時，先用多媒體課件展示趣味場景：一根繩子拴著氣球固定在桌腿上，隨著風的方向傾斜。由此引出問題：“觀察氣球，隨風飄動的過程中受到哪些力的作用？氣球是什么樣的狀態(tài)？”在“二力平衡的條件是合外力為零，即F=0”的基礎(chǔ)上，進一步猜想：“那么三力平衡時，需要滿足什么條件才能達到平衡狀態(tài)呢？是否為F=0？”為了驗證這一猜想，將學生分成幾個小組開展合作實驗，在合作探究中，各組使用三個彈簧秤分別沿著三個不同的方向用力拉住物體，分別記錄彈簧秤的作用力方向以及示數(shù)。對于實驗中的細節(jié)問題，小組成員自由地討論，包括如何正確地放置彈簧秤、如何準確地讀數(shù)等等。經(jīng)過觀察、對比實驗結(jié)果，聯(lián)系已有的知識，發(fā)現(xiàn)在三力平衡狀態(tài)下，其中任意兩個力的合力都與第三個力的大小相等、方向相反，且作用在同一直線上。最終得出結(jié)論：三力平衡可以簡化為二力平衡，在共點力的作用下物體的平衡條件是F=0。整個實驗過程中，學生通過分組合作，利用各種實驗器材設(shè)計實驗方案，遇到問題一起討論、一起解決。在小組合作與師生配合下，豐富了學生的物理實踐體驗，也鍛煉了物理思維，有利于夯實實驗探究素養(yǎng)［4］。

四、設(shè)計個性方案，推動創(chuàng)新發(fā)展

實驗探究過程，不是學生機械化地操作實驗，而是開動腦筋、挖掘內(nèi)涵，同時具備自主思考、自主獲取信息與自主創(chuàng)新等綜合能力，所以物理實驗教學要激活學生的發(fā)散思維與創(chuàng)新思維，引導學生設(shè)計個性化的實驗方案，推動創(chuàng)新發(fā)展，有效培養(yǎng)實驗探究素養(yǎng)。

例如，學習“驗證平拋運動的規(guī)律”時，這一部分的實驗難點就是如何描繪運動軌跡、如何分解運動。課堂上，基于平拋運動公式“△x=V0t△y=y2-y1=gt2”為切入點，組織學生展開討論并設(shè)計實驗方案，有的學生提出將小球每次在斜槽的同一個高度上下滑，在末端水平拋出，顯示平拋運動的軌跡；有的學生在實驗中觀察水平噴出的水流，畫出平拋運動的軌跡等等。但是大家在討論方案可行性時發(fā)生困難，通過探討，引導學生發(fā)現(xiàn)個性化的模擬實驗方案，可用手機視頻拍攝模仿頻閃照相：在豎直墻面上墊一坐標紙，讓斜槽與水平槽的組合裝置固定在豎直墻前面并與豎直墻面平行，讓小球從斜槽上某個高度下落至水平槽而做平拋運動，用手機視頻拍攝整個過程，再使用軟件的“慢放”功能播放視頻，假設(shè)小球下落的時長為0.15s，通過“×10 倍”慢放將下落的過程延長到1.5 秒，再按住暫停鍵截屏取點，在坐標紙上對應(yīng)找到小球下落的位置，取多個點，測量多個△x 與△y，從而驗證了從理論上得出的關(guān)于平拋運動在水平方向勻速與豎直方向勻變速的運動規(guī)律。整個設(shè)計個性方案過程中，提出改進意見，嘗試操作實驗，觀察實驗過程，評價實驗結(jié)果，不僅體現(xiàn)了信息技術(shù)在物理實驗中的實用價值，而且融會貫通了相關(guān)的物理知識點，啟發(fā)學生的創(chuàng)新思維。

五、分析實驗數(shù)據(jù)，促進邏輯思維

實驗探究離不開真實、完整的數(shù)據(jù)支持，與此同時也對學生的邏輯思維提出較高要求。因此在實驗探究過程中，我們要啟發(fā)學生精準地獲取實驗數(shù)據(jù)，分析實驗數(shù)據(jù)，應(yīng)用實驗數(shù)據(jù)，促進良好的邏輯思維，潛移默化中夯實實驗探究核心素養(yǎng)。

例如，學習“驗證機械能守恒定律”時，本次實驗中涉及三個最關(guān)鍵的數(shù)據(jù)就是，其中“n”代表打點計時器的點數(shù)。本次實驗中的ghn 比偏大。為了啟發(fā)學生分析實驗數(shù)據(jù)，教師圍繞這些數(shù)據(jù)提問：“為什么ghn 比偏大？”，根據(jù)能量轉(zhuǎn)化和守恒定律討論發(fā)現(xiàn)，是因為阻力做功的情況下造成的。在此基礎(chǔ)上，繼續(xù)分析不計阻力的情況下，得出由此證明：“只有重力做功時，物體的重力勢能和動能可以相互轉(zhuǎn)化，機械能總量保持不變”，這就是機械能守恒定律。通過分析實驗數(shù)據(jù)，培養(yǎng)了學生物理邏輯思維能力，鍛煉數(shù)據(jù)處理能力，也對物理現(xiàn)象有了更深刻的認知。