指向问题解决的初中物理科学探究途径探析

［摘 要］科学探究是物理核心素养的重要维度之一。初中物理强调科学探究作为物理核心素养的重要性，旨在引导学生形成“提问有依据、猜想有证据、设计有方法、改进有办法”的科学探究途径，以提升学生的物理核心素养。初中物理教师应创设真实情境引导学生进行科学探究，让学生直面困境和解决问题，以提升其解决实际问题的能力和科学探究素养。

［关键词］问题解决；科学探究；浮力

［中图分类号］    G633.7                ［文献标识码］    A                ［文章编号］    1674-6058（2025）02-0039-04

物理学是自然科学领域研究物质的基本结构、相互作用和运动规律的一门基础学科。义务教育物理课程是一门以实验为基础的自然科学课程，具有基础性、实践性等特点[1]。《义务教育物理课程标准（2022年版）》（以下简称《课标》）明确指出，物理课程要培养的核心素养，主要包括物理观念、科学思维、科学探究和科学态度与责任［2］。这凸显了物理学科的育人目标。那么，如何落实新课标精神，让新课标理念真正在一线教学中落地呢？本文以“浮力”教学为例，阐述如何通过创设真实情境，引导学生进行科学探究，从而培养学生的解决问题能力和科学探究素养。

一、科学探究的内涵

《课标》提出：“科学探究是指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。”[3]科学探究主要包括问题、证据、解释、交流等要素（如图1）［4］。

科学探究既是物理课程的重要内容，又是学习物理的重要途径。它能够将物质、运动和相互作用、能量、实验探究、跨学科实践等一级主题内容有机地联系起来，为物理观念的形成、科学思维的培养、科学态度与责任的养成提供实践基础。因此，指导学生进行科学探究，让学生在探究过程中培养核心素养显得尤为重要。

二、科学探究的途径

（一）创设真实情境，引发思考，培养“提问有依据”的问题意识

科学教育的目标是培养学生灵活运用所学科学知识解决新问题的能力。为实现这一目标，教师需要将学科教学生活化，围绕真实情境来提出问题。学科教学的核心在于发展学生的思维，而思维总是与问题密切相关。问题是思维的起点，是点燃学生思维火花的火种。只有当学生置身于真实情境，面对实际问题，陷入思考困境时，他们才会对新知识产生强烈的求知欲，才会为了走出困境而积极思考、探索求解。

[案例1]在“浮力”这节课的引入环节，教师在讲台上放两个烧杯，烧杯中分别盛放水和酒精（事先不告诉学生这两种液体的成分）。每个烧杯中各放入一支蜡烛，但一支蜡烛漂在液面上，另一支却下沉至杯底。学生的前概念是蜡烛在水中应该是漂浮的，因此对蜡烛下沉的现象感到困惑。为了解决这一认知冲突，学生开始寻找原因。一名学生提出猜想：可能是因为两支蜡烛的长度不同。那么，如何验证这个猜想是否正确呢？学生自己想到了解决办法：把两支蜡烛从液体中拿出来擦干净，然后互换位置再放入烧杯中。结果，原本漂在液面上的蜡烛沉底了，这证明蜡烛的下沉与长度无关。接着，另一名学生提出猜想：可能是因为烧杯中盛放不同种类的液体，导致蜡烛受到的浮力不同。并举例：人可以漂浮在死海上悠闲地看报纸，但在游泳池里却做不到，这就是因为液体的密度不同所导致的。

在案例1中，学生面对教师设计的真实情境，产生了认知冲突。这一冲突不仅激发了学生对浮力的深入思考，还为后续提出“浮力大小可能与液体的密度有关”的猜想埋下伏笔。

（二）结合生活经历，作出合理猜想，培养“猜想有证据”的证据意识

《课标》将12个探究类学生必做实验分为两类（见表1）。

在进行这些实验时，需要研究某个物理量与哪些因素有关，以及如何寻找这些变量。如果教师不加以引导，任由学生漫无目的地猜测，那么这不仅对学生的逻辑推理能力提升没有好处，还会给后续的探究活动增加难度。因此，教师需要唤醒学生的前概念或利用他们已有的生活经验，或者在课堂上重现相关生活情境，让学生参与能够切身体验的活动。这样，学生的猜想与假设才能有更明确的方向。有依据的猜想是培养逻辑推理能力的起点。

在“探究浮力大小与哪些因素有关”实验的猜想与假设环节，学生的发散性思维最为活跃。当学生提出猜想与假设时，教师要求学生说出猜想的依据，或者分享切身的生活体验来支撑他们的猜想与假设。

[案例2]在探究浮力大小与哪些因素有关时，学生会根据书上的插图“人可以浮在死海上”猜想浮力的大小与液体密度有关，认为液体的密度越大，浮力越大。他们还会根据木块浮在水面上而石块沉底的现象，猜想浮力的大小可能与物体的密度有关（物体的密度越小，浮力越大）。此外，学生通过比较按压排球和乒乓球入水所需的力气，猜想浮力的大小可能与物体的体积有关（物体的体积越大，浮力越大）。在测量沉入水中的物体受到的浮力的活动中，学生发现物体浸入水中的体积越大，弹簧测力计的示数越小，从而得出“浸入液体的体积越大，浮力越大”的结论。除此之外，学生可能还会猜想浮力的大小与物体的形状、液体的温度、物体与液体的接触面积等因素有关。

以上收集到的影响浮力大小的因素，都是学生结合自身生活经历做出的有依据的猜想。猜想与假设是科学探究的要素之一，其基本环节包括：认清问题事实、分析问题本质、对问题进行预测并推测可能的结论。让学生的猜想有证据，意味着要引导学生在证据的支撑下进行猜想与假设，并在获取证据和分析证据的过程中培养他们的科学思维能力、严谨的学习态度以及解决问题的能力。指向科学论证的猜想与假设，是基于学生已有知识和经验的唤醒，使他们能够做出合理的推测和论证，这是培养学生批判性思维的有效教学实践。在案例2中，学生的前概念对学生理解浮力大小形成了严重的障碍。如果教师不加以引导和纠正，而是直接按照预设的实验安排进行，那么学生的原有认知将会持续影响他们对浮力的正确理解。

（三）科学设计实验，培养“设计有方法”的解释意识

在设计实验与制订方案环节，教师需要加以引导，使学生思维升级，顺利完成探究任务。这就要求教师充分了解学生的认知水平，不能仅仅从自己的角度出发给出探究方案，而应该更多地从学生的角度去思考探究问题，设计好探究方案。这样，学生才能经历一次更接近科学家的实际探究过程，从而把真实的科学探究进行到底。

[案例3]在“探究浮力大小与哪些因素有关”实验中，学生猜想出浮力大小可能与以下因素有关：液体的密度、物体的密度、物体的体积、物体浸入液体中的体积、物体浸入液体中的深度、液体的温度、物体的形状、物体与液体的接触面积[5]。教师需要预设学生的这些猜想，并针对这些猜想设计对比实验，准备好所需的实验器材。通过对比实验，引导学生排除不相干的物理量，进而对相关因素进行整合，进行有效的探究。

在案例3中，问题的解决需要教师提前准备充足的物品，以便学生能选择合适的物品进行实验。比如，教师可以准备好体积相同但质量不同的铁块和铝块，或者提供空的饮料瓶（通过增减沙子来调整质量）、橡皮泥等物品，让学生自行设计实验，逐一检验影响浮力大小的真实因素。

在实验中，学生每次只能改变一个要检验的物理量，而保持其他物理量不变。这对学生控制变量的能力要求较高。

面对众多影响浮力大小的因素，教师应引导学生先进行初步的检验：

针对“液体的密度”这一因素，学生提出实验方案：将同一个物块悬挂在弹簧测力计上，分别浸没在水和酒精中，观察浮力变化。结果发现，浮力不同。教师点评：在控制其他变量不变的情况下，仅仅改变液体的密度，浮力就发生了变化。这说明浮力的大小与液体的密度有关。

针对“物体的密度”这一因素，学生选用体积相同但密度不同的铁块和铝块进行实验。结果发现，虽然铁块和铝块的密度不同，但当它们全部浸入液体时，所受浮力相等。因此，可排除“物体的密度”这一因素。

针对“物体的体积”这一因素，学生发现同一个物体浸入液体中的体积不同，浮力不同。这说明真正决定浮力大小的是物体浸入液体中的体积，而不是物体本身的体积。因此，可排除“物体的体积”这一因素，确定“物体浸入液体中的体积”的影响。

针对“物体浸入液体中的深度”这一因素，学生发现，如果慢慢将饮料瓶浸入液体中，浮力似乎越来越大。这是否意味着浸入液体的深度对浮力有影响呢？然而，此时存在一个问题：物体浸入液体的体积和深度同时在变化，难以确定是哪个因素导致了浮力的变化。为了准确探究深度对浮力的影响，需要设计一个实验只改变物体浸入液体的深度，而不改变物体浸入液体的体积。一个可行的方案是先将物体全部浸入液体中，再改变物体浸入液体的深度。结果发现浮力大小与物体浸入液体中的深度无关。

学生设计出了另一个方案，这个方案能够只改变物体浸入液体中的深度而不改变物体浸入液体中的体积。具体来说，可以将一个长方体先竖着浸入液体中一半，再横着浸入液体中一半，这样两次浸入液体中的体积都是该长方体体积的一半，但两次浸入液体中的深度不同。通过比较两次的浮力是否相等，可以判断浮力是否与物体浸入液体中的深度有关。若两次浮力相等，则说明浮力与物体浸入液体中的深度无关；若两次浮力不等，则说明浮力与物体浸入液体中的深度有关。

针对“液体的温度”这一因素，由于温度会影响液体的密度，这与我们之前探讨的“液体的密度”存在重复，因此“液体的温度”这一因素可以不做讨论。

针对“物体的形状”和“物体与液体的接触面积”这两个因素，学生通过实验发现，一块橡皮泥捏成球状和扁平状后都会浸没在水中，浮力保持不变。因此，可排除这两个因素对浮力的影响。

经检验，可得出以下结论：浮力的大小与液体的密度和物体浸入液体中的体积有关。为了统一描述，可将“物体浸入液体中的体积”转化为描述液体的物理量，即“被物体排开的液体的体积”。综上所述，液体对浸入其中的物体所产生的浮力大小与液体的密度、被物体排开的液体的体积有关。

通过以上的实验设计、数据分析、理论解释等思考过程，学生不仅能够运用所学物理知识解决复杂的实际问题，而且有效提升了自身的解决问题能力和科学探究素养。

（四）经历真实困境，培养“改进有办法”的交流意识

在遇到真实困境时，学生不应选择退缩不前而应燃起斗志勇往直前。而这就需要学生能有克服困难的勇气并具备解决问题的能力。对此，教师应引导学生经历真实困境，直面真实问题，并运用已有的知识解决新问题。

在“探究浮力大小与哪些因素有关”这个实验中，学生的真实困境是如何甄别他们认为的影响浮力大小的各种因素。为此，学生应与教师合作，共同准备好必要的实验器材。在遵循控制变量的原则下，设计一系列对比实验，以区分哪些是真正影响浮力的因素，哪些则是非影响因素。学生设计的长方体实验装置（或模型）在理论上分析得非常到位。如果能将这个设计付诸实践，学生肯定会获得极大的成就感和满足感。

[案例4]3D打印出一个长方体（如图2甲），长为8 cm，高为5 cm，宽为4 cm。A面和B面的中央装有体积很小的螺钉，这些螺钉可用于挂细绳，以便悬挂弹簧测力计。C面开有一个带有小圆孔的盖子，通过此盖子可向长方体内加入不同质量的细沙，从而改变长方体的平均密度和质量。

针对“物体浸入液体中的深度”这一因素，我们在此长方体上标记了各个面的中线，如图2乙所示。实验时，将A面挂在弹簧测力计上，使长方体的一半体积浸入水中，浸入深度是高度的一半[b2]；随后，将B面挂在弹簧测力计上，同样使长方体的一半体积浸入水中，但浸入深度是长度的一半[a2]。两次实验中，浮力相等，因此可排除“物体浸入液体中的深度”这一因素的影响。

案例4中，将理论设计成果成功转化为实际的实验操作，这对教学起到了显著的促进作用，不仅极大地提升了学生的思维能力和科学探究素养，还增强了他们的实验设计能力。通过这次实验器材和实验方法的改进，学生解决真实问题的能力得到了显著提高。

科学探究是物理核心素养的重要组成部分。在初中物理教学中，教师应注重创设真实情境，激发学生提出问题的欲望，培养学生的问题意识；通过增加学生的实验体验，为他们进行猜想提供丰富的经验和依据，并培养他们的证据意识。同时，教师应设置真实的问题情境，引导学生解决问题，培养学生的解决问题能力与解释意识。此外，教师还应提供展示和评估的平台，让学生认识到交流评价的意义和重要性，培养学生的交流意识。在科学探究过程中，教师要让学生体验科学探究的乐趣，感悟科学探究的方法，学会如何进行科学探究，并逐步提升科学探究素养。

［   参   考   文   献   ］

[1][2][3]  中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准：2022年版[M].北京：北京师范大学出版社，2022.

[4]  孙龙周.指向学生科学思维的初中物理教学[J].物理教师，2023，44（5）：45-47，50.

[5]  郑青岳.初中科学深度备课：让新课程的理念落地[M].上海：上海教育出版社，2023.

（责任编辑    黄春香）