在意義建構(gòu)中提升高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)價(jià)值

摘 要：學(xué)習(xí)本質(zhì)上是一個(gè)意義建構(gòu)的過(guò)程。在高中物理學(xué)科教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生通常需要借助實(shí)驗(yàn)、觀察、體驗(yàn)等多種手段來(lái)深入理解和建構(gòu)物理概念。因此，物理實(shí)驗(yàn)在物理知識(shí)的教學(xué)中扮演著至關(guān)重要的角色，具有重要的育人價(jià)值。本文強(qiáng)調(diào)了逆向思維對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的重要性，通過(guò)在實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程中建構(gòu)學(xué)科大概念，在實(shí)驗(yàn)評(píng)估中促進(jìn)科學(xué)思維的發(fā)展以及在實(shí)驗(yàn)遷移應(yīng)用中引導(dǎo)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新，確保學(xué)生在實(shí)驗(yàn)活動(dòng)中能夠深度參與并獲得多樣化的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：意義建構(gòu)；高中物理；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

建構(gòu)主義的學(xué)習(xí)觀提出，知識(shí)不能簡(jiǎn)單地通過(guò)教師傳授獲得，而需要每個(gè)學(xué)生在一定的情境下，通過(guò)協(xié)作活動(dòng)和聯(lián)系已有的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)來(lái)主動(dòng)地進(jìn)行建構(gòu)。從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，學(xué)習(xí)是意義建構(gòu)的過(guò)程。學(xué)生可以在知識(shí)的遷移應(yīng)用中感知學(xué)習(xí)的意義，激發(fā)探究的興趣，體悟?qū)W習(xí)的價(jià)值。在高中物理教學(xué)過(guò)程中，對(duì)許多物理概念、規(guī)律的學(xué)習(xí)需要學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)、體驗(yàn)、觀察等多種方式來(lái)進(jìn)行意義建構(gòu)。因此，物理實(shí)驗(yàn)在物理學(xué)科的學(xué)習(xí)中有著重要而獨(dú)特的地位，它直接關(guān)乎學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的培育以及創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力的提升。廣大物理教師需要不斷反思優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方法路徑，切實(shí)提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。

長(zhǎng)期以來(lái)，盡管不少高中物理教師心中知曉實(shí)驗(yàn)的重要性，但受傳統(tǒng)應(yīng)試教育的影響，加上課時(shí)緊張、學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程中管理難度大、學(xué)生動(dòng)手能力不足和實(shí)驗(yàn)設(shè)備陳舊等多種因素的共同作用，不少實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)遭到弱化。具體表現(xiàn)為教師以做實(shí)驗(yàn)題、播放實(shí)驗(yàn)視頻、講解實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象等方式代替實(shí)驗(yàn)。這一現(xiàn)象導(dǎo)致學(xué)生在面對(duì)新高考、新情境、新問(wèn)題時(shí)，難以靈活遷移應(yīng)用知識(shí)，不能真正實(shí)現(xiàn)從“解題”到“解決問(wèn)題”的能力轉(zhuǎn)變。本文結(jié)合人教版（2019年版）高中物理教材中部分實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)以及江蘇省近4年新高考物理實(shí)驗(yàn)真題，探討如何在高中物理實(shí)際教學(xué)中凸顯實(shí)驗(yàn)教學(xué)的價(jià)值。

1 在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中重視逆向思維

建構(gòu)主義作為一種學(xué)習(xí)理論，不僅強(qiáng)調(diào)學(xué)生對(duì)知識(shí)建構(gòu)的主動(dòng)性、情境性，還特別強(qiáng)調(diào)知識(shí)應(yīng)用的意義和價(jià)值引領(lǐng)。這一理論旨在激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和對(duì)知識(shí)的深度思考，提升學(xué)生將所學(xué)知識(shí)融合遷移的能力。從這個(gè)維度來(lái)思考，教師在教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，不僅需要從知識(shí)“輸入”開(kāi)始思考如何教授，更應(yīng)該從“輸出”出發(fā)，思考學(xué)生在學(xué)習(xí)這些內(nèi)容后“有什么用”以及“能做什么”。這就是格蘭特·威金斯（Grant Wiggins）和杰伊·麥克泰格（Jay McTighe）在《追求理解的教學(xué)設(shè)計(jì)》一書中提出的“逆向設(shè)計(jì)”。^［1］

在高中物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，教師往往會(huì)從需要探究的現(xiàn)象和規(guī)律出發(fā)，思考相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方法和活動(dòng)。然而，學(xué)生若只是按部就班參與實(shí)驗(yàn)，將很難自發(fā)地去思考實(shí)驗(yàn)的價(jià)值和意義，譬如思考實(shí)驗(yàn)探究解決了什么問(wèn)題，未來(lái)還可以怎樣繼續(xù)深入探究下去等。唯有從真實(shí)的實(shí)驗(yàn)任務(wù)情境出發(fā)，重視逆向思維，鼓勵(lì)學(xué)生自主探索和積極思考問(wèn)題，才能讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)探究中真正種下熱愛(ài)科學(xué)的種子。

在教授“勻變速直線運(yùn)動(dòng)的研究”這一章時(shí)，教師可以引導(dǎo)學(xué)生自主選擇生活中常見(jiàn)的物體并觀察它們下落的過(guò)程，讓學(xué)生比較鐵球、羽毛球、樹(shù)葉等物體在下落過(guò)程中速度的差異，從而引導(dǎo)學(xué)生思考在真實(shí)情境中如何測(cè)量物體下落的位移、速度和加速度等物理量。教師可提供利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、使用智能手機(jī)加速度傳感器、頻閃拍照等方法，讓學(xué)生在探究中感受到問(wèn)題解決路徑的多樣性。教師可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生思考：“每一種實(shí)驗(yàn)方法的誤差來(lái)源以及設(shè)計(jì)思路是什么？還可以設(shè)計(jì)怎樣的方法？這樣的方法能否作為借鑒來(lái)解決其它問(wèn)題？”這種基于真實(shí)實(shí)驗(yàn)情境逆向反思實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)誤差的設(shè)計(jì)在新高考物理試題中也很常見(jiàn)。例如，2022年江蘇物理高考卷第11題的情境就是通過(guò)手機(jī)測(cè)量當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣?，?lái)考查學(xué)生的逆向思考和邏輯分析能力。

（2022年江蘇省物理高考卷第11題節(jié)選）小明利用手機(jī)測(cè)量當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣龋瑢?shí)驗(yàn)場(chǎng)景如下圖所示，他將一根木條平放在樓梯臺(tái)階邊緣，小球放置在木條上，打開(kāi)手機(jī)的“聲學(xué)秒表”軟件，用鋼尺水平擊打木條使其轉(zhuǎn)開(kāi)后，小球下落撞擊地面，手機(jī)接收到鋼尺的擊打聲開(kāi)始計(jì)時(shí)，接收到小球落地的撞擊聲停止計(jì)時(shí)，記錄下?lián)舸蚵暸c撞擊聲的時(shí)間間隔t，多次測(cè)量不同臺(tái)階距離地面的高度h及對(duì)應(yīng)的時(shí)間間隔t。

此題的實(shí)驗(yàn)情境是以生活中常見(jiàn)的樓梯、手機(jī)、木條等器材進(jìn)行設(shè)計(jì)，需要學(xué)生從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中記錄的擊打聲與撞擊聲的時(shí)間間隔t出發(fā)，逆向思考其與重力加速度g測(cè)量的關(guān)系和誤差，從而將教材中的實(shí)驗(yàn)原理進(jìn)行了有價(jià)值的、生活化的遷移。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)?zāi)嫦蛟O(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)將知識(shí)的遷移應(yīng)用與問(wèn)題的解決作為教學(xué)目標(biāo)的出發(fā)點(diǎn)，從而激發(fā)學(xué)生對(duì)物理學(xué)的學(xué)習(xí)興趣，注重探究性學(xué)習(xí)。同時(shí)，該設(shè)計(jì)倡導(dǎo)結(jié)合實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，有意識(shí)地引入現(xiàn)代化技術(shù)手段，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方法，從而不斷提高學(xué)生的實(shí)踐能力、創(chuàng)新創(chuàng)造能力。

2 在實(shí)驗(yàn)探究中建構(gòu)學(xué)科大概念

意義建構(gòu)理論（Sense-Making Theory）是由美國(guó)學(xué)者布倫達(dá)·德?tīng)栁模˙renda Dervin）于1983年提出的，主要由情境（Situation）、鴻溝（Gaps）、使用（Uses）和橋梁（Bridges）這四個(gè)要素構(gòu)成。它指出人們會(huì)基于不同的內(nèi)部認(rèn)知和外部情境來(lái)建構(gòu)自己的行為。意義建構(gòu)理論對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的啟示在于：為了使學(xué)生形成對(duì)知識(shí)真正的、深刻的、靈活的理解，應(yīng)該基于學(xué)生經(jīng)驗(yàn)背景，設(shè)計(jì)出有思考價(jià)值的、有意義的實(shí)驗(yàn)探究問(wèn)題。通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷概括、分析、推論、假設(shè)、檢驗(yàn)等一系列思維及實(shí)踐活動(dòng)，幫助他們建構(gòu)起對(duì)知識(shí)客觀、全面、深刻的認(rèn)識(shí)。最終目標(biāo)是使學(xué)生建構(gòu)起能夠應(yīng)對(duì)復(fù)雜問(wèn)題和挑戰(zhàn)的學(xué)科大概念。

在進(jìn)行“拋體運(yùn)動(dòng)”一章中的“曲線運(yùn)動(dòng)”這一節(jié)的教學(xué)時(shí)，教師可以通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生建立起力與運(yùn)動(dòng)的學(xué)科大概念。在接觸曲線運(yùn)動(dòng)的概念之前，學(xué)生通過(guò)對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)和牛頓運(yùn)動(dòng)定律的學(xué)習(xí)，對(duì)做直線運(yùn)動(dòng)的物體的受力情況已經(jīng)有了初步的概念，為了讓學(xué)生理解生活中物體為何更普遍地做曲線運(yùn)動(dòng)，教師需要基于學(xué)生的已有認(rèn)知，設(shè)計(jì)出有認(rèn)知梯度的探究問(wèn)題和活動(dòng)。這樣的設(shè)計(jì)旨在幫助學(xué)生完整地、有意義地建構(gòu)起關(guān)于曲線運(yùn)動(dòng)的概念體系。

結(jié)合人教版教材，教師可以嘗試設(shè)計(jì)下列活動(dòng)過(guò)程。

過(guò)程一，觀察生活中各種曲線運(yùn)動(dòng)，思考將手中的物體如何扔出才能使它分別做直線運(yùn)動(dòng)和曲線運(yùn)動(dòng)。初步引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中思考初速度方向與加速度方向?qū)\(yùn)動(dòng)軌跡的影響。

過(guò)程二，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，觀察做曲線運(yùn)動(dòng)物體的速度方向。引導(dǎo)學(xué)生分析物體在曲線某點(diǎn)的速度方向是否為該點(diǎn)的切線方向，并根據(jù)平均速度定義進(jìn)行理論證明。

過(guò)程三，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，探究物體做曲線運(yùn)動(dòng)時(shí)所受合力的特點(diǎn)，從而讓學(xué)生概括出：“當(dāng)物體所受合力的方向與它的速度方向不在同一直線上時(shí)，物體做曲線運(yùn)動(dòng)?！?/p>

過(guò)程四，以拋體實(shí)驗(yàn)為例，引導(dǎo)學(xué)生思考并分析物體所受合力與物體速度在方向上同向、反向、垂直、成銳角、成鈍角等不同情況下，物體的運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)性質(zhì)，掌握運(yùn)動(dòng)的合成和分解。

過(guò)程五，將曲線運(yùn)動(dòng)遷移到實(shí)際生活中，結(jié)合對(duì)扔鉛球、投籃、套圈等活動(dòng)的分析，讓學(xué)生在復(fù)雜問(wèn)題的解決中真正建構(gòu)力與運(yùn)動(dòng)的大概念。

例如，2021年江蘇省物理高考卷第9題就是對(duì)投籃的真實(shí)情境的考查。學(xué)生經(jīng)歷了對(duì)曲線運(yùn)動(dòng)的探究實(shí)驗(yàn)，建立起了對(duì)力與運(yùn)動(dòng)的大概念。通過(guò)對(duì)高考真題的學(xué)習(xí)與解析，他們?cè)谒伎紗?wèn)題時(shí)會(huì)展現(xiàn)出更為深刻的思維層次。

（2021年江蘇省物理高考卷第9題）如圖所示，A、B兩籃球從相同高度同時(shí)拋出后直接落入籃筐，落入籃筐時(shí)的速度方向相同，下列判斷正確的是（" ）。

A. A比B先落入籃筐

B. A、B運(yùn)動(dòng)的最大高度相同

C. A在最高點(diǎn)的速度比B在最高點(diǎn)的速度小

D. A、B上升到某一相同高度時(shí)的速度方向相同

新高考評(píng)價(jià)體系在高考領(lǐng)域?yàn)椤芭囵B(yǎng)什么人，怎樣培養(yǎng)人，為誰(shuí)培養(yǎng)人”這三個(gè)問(wèn)題提供了明確的答案。它強(qiáng)調(diào)試題的基礎(chǔ)性、綜合性、應(yīng)用性、創(chuàng)新性，考查內(nèi)容聚焦于必備知識(shí)、關(guān)鍵能力和核心素養(yǎng)。在此背景下，物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)也需主動(dòng)策應(yīng)新高考改革需求。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師要有意識(shí)地引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)一系列有意義的實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)，從更核心、更上位的視角進(jìn)行觀察和思考，將相關(guān)零散的物理知識(shí)更好地整合起來(lái)，形成對(duì)事物的本質(zhì)、規(guī)律以及關(guān)聯(lián)的綜合理解，學(xué)會(huì)用物理的視角解釋現(xiàn)象，認(rèn)識(shí)世界。

3 在實(shí)驗(yàn)評(píng)估中促進(jìn)科學(xué)思維發(fā)展

學(xué)習(xí)科學(xué)（Learning Science）理論的核心觀點(diǎn)之一就是強(qiáng)調(diào)：學(xué)習(xí)是一個(gè)動(dòng)態(tài)建構(gòu)的過(guò)程。學(xué)生通過(guò)不斷地嘗試、失敗和成功，逐步建立起自己的知識(shí)體系。錯(cuò)誤是學(xué)習(xí)的催化劑，反思錯(cuò)誤的根源是學(xué)習(xí)發(fā)生的基礎(chǔ)。從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，學(xué)習(xí)過(guò)程中的自我評(píng)估，能有效激發(fā)學(xué)生對(duì)知識(shí)的深度思考和理解。然而，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，教師往往更多關(guān)注實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或結(jié)果，忽略了學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的表現(xiàn)和問(wèn)題，對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)方法、結(jié)果等缺乏科學(xué)的論證、評(píng)估。這導(dǎo)致學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中習(xí)慣按照既定步驟進(jìn)行操作，很少去思考和評(píng)估實(shí)驗(yàn)方法的優(yōu)劣以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的偏差。因此，學(xué)生很難通過(guò)實(shí)驗(yàn)提升思維能力、創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力。

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡(jiǎn)稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）中強(qiáng)調(diào)的物理學(xué)科核心素養(yǎng)之一就是“科學(xué)思維”?！翱茖W(xué)思維”是基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)建構(gòu)物理模型的抽象概括過(guò)程；是分析綜合、推理論證等方法在科學(xué)領(lǐng)域的具體運(yùn)用；是基于事實(shí)證據(jù)和科學(xué)推理對(duì)不同觀點(diǎn)和結(jié)論進(jìn)行質(zhì)疑和批判、進(jìn)行檢驗(yàn)和修正，進(jìn)而提出創(chuàng)造性見(jiàn)解的能力與品格。^［2］

本文仔細(xì)分析了江蘇省2021-2024年物理高考實(shí)驗(yàn)題的誤差分析和實(shí)驗(yàn)評(píng)估類問(wèn)題設(shè)計(jì)（見(jiàn)表1），發(fā)現(xiàn)上述問(wèn)題均對(duì)學(xué)生的思維提出了較高的要求。

高中物理實(shí)驗(yàn)評(píng)估方式對(duì)于學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰涂茖W(xué)素養(yǎng)、科學(xué)思維的培養(yǎng)有著重要的作用。為了建構(gòu)多樣化的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，教師不僅要評(píng)估學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，還要考量學(xué)生的器材選擇、實(shí)驗(yàn)方法、數(shù)據(jù)處理、誤差原因和協(xié)作能力等。引導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行科學(xué)評(píng)估，培養(yǎng)其模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等能力。^［3］

4 在實(shí)驗(yàn)遷移中引導(dǎo)實(shí)踐創(chuàng)新

根據(jù)學(xué)習(xí)科學(xué)理論，學(xué)習(xí)的本質(zhì)在于個(gè)體對(duì)新知識(shí)、新技能的掌握和運(yùn)用，這一過(guò)程涵蓋了認(rèn)知、情感、行為等多個(gè)層面。真正的學(xué)習(xí)是在解決問(wèn)題的過(guò)程中發(fā)生的。為了深度挖掘物理與真實(shí)世界的聯(lián)系以及與其他學(xué)科在內(nèi)容、方法及能力上的關(guān)聯(lián)，教師可以從意義建構(gòu)理論出發(fā)，基于學(xué)生已有的生活文化屬性和知識(shí)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)（情境Situation），精準(zhǔn)設(shè)置問(wèn)題、任務(wù)（鴻溝Gaps），接下來(lái)再采用科學(xué)探究的方式，設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)內(nèi)容和實(shí)踐活動(dòng)（橋梁Bridges），幫助學(xué)生在教師指導(dǎo)下，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理知識(shí)和規(guī)律的意義建構(gòu)，實(shí)現(xiàn)問(wèn)題解決（使用Uses）。

以人教版高中物理教材為例，幾乎每一節(jié)新授課開(kāi)篇都設(shè)計(jì)了“問(wèn)題”引入課題，而這些問(wèn)題基本來(lái)源于學(xué)生生活實(shí)際或已有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)（情境Situation）。同時(shí)，教材還配合“實(shí)驗(yàn)”“思考與討論”“做一做”等欄目，精準(zhǔn)且步步深化地將問(wèn)題、任務(wù)（鴻溝Gaps）分解到實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)中，遷移到生產(chǎn)生活及科技前沿等領(lǐng)域。這樣的設(shè)計(jì)旨在引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)實(shí)踐活動(dòng)突破認(rèn)識(shí)誤區(qū)，培養(yǎng)創(chuàng)新思維和科學(xué)精神。本文以人教版“時(shí)間 位移”一節(jié)為例，分析在《課程標(biāo)準(zhǔn)》指引下如何利用實(shí)驗(yàn)遷移引導(dǎo)實(shí)踐創(chuàng)新。

教材中首先以描述一輛正在行駛的汽車的具體位置為引入的問(wèn)題情境，隨后逐步介紹了時(shí)刻與時(shí)間間隔，位置、位移與路程的定義，并讓學(xué)生提出北京去重慶的三種交通方式，初步建構(gòu)其對(duì)路程和位移的概念。隨后教材介紹了直線運(yùn)動(dòng)的位移、位置—時(shí)間曲線，介紹了位移和時(shí)間的測(cè)量方法，并在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)安排了學(xué)生使用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器來(lái)研究位置的變化。最后，教材的科學(xué)漫步環(huán)節(jié)介紹了全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師應(yīng)注重學(xué)習(xí)內(nèi)容和活動(dòng)與生產(chǎn)生活的實(shí)踐融合，對(duì)知識(shí)內(nèi)容的問(wèn)題性、情境性、活動(dòng)性進(jìn)行設(shè)計(jì)，以揭示物理知識(shí)背后的價(jià)值、智慧、倫理、文化、審美等諸多意蘊(yùn)，切近知識(shí)所蘊(yùn)含的意義世界。在“求真”中“求美”“求善”“求志”，從而實(shí)現(xiàn)“成人”。

高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)在很大程度上為學(xué)生提供了一個(gè)更具互動(dòng)性和成效的學(xué)習(xí)環(huán)境，并極大地提升了物理教學(xué)的質(zhì)量和效果。本文旨在通過(guò)不斷創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和方式，使更多學(xué)生主動(dòng)參與物理知識(shí)的探究活動(dòng)，讓他們經(jīng)歷知識(shí)建構(gòu)的過(guò)程，感知物理在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用，從而激發(fā)學(xué)生對(duì)科學(xué)的濃厚興趣，讓他們?cè)趧?chuàng)新創(chuàng)造中體驗(yàn)學(xué)習(xí)的意義和樂(lè)趣，培育更多具備科學(xué)家潛質(zhì)，愿意獻(xiàn)身科學(xué)研究事業(yè)的新時(shí)代青年。

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