基于科学思维培养的高中物理实验教学研究

［基金项目］本文系2023年度河南省基础教育教学研究项目立项课题“核心素养视角下高中生科学思维培养策略研究”（课题立项编号：JCJYC2306170203）研究成果。

［摘 要］在新课程、新课标、新教材全面实施的背景下，传统的实验教学模式已经无法适应高中物理实验教学的要求。为了有效发挥高中物理实验教学的育人功能，着力提升学生的科学思维水平，有效培养学生的核心素养，教师需要对高中物理实验教学进行创新。文章分析了物理实验教学在学生科学思维培养中的重要作用、基于科学思维培养的物理实验教学应遵循的原则，并从五个方面分析了基于科学思维培养的高中物理实验教学策略。

［关键词］科学思维；高中物理；实验教学

［中图分类号］    G633.7        ［文献标识码］    A        ［文章编号］    1674-6058（2023）35-0050-03

为进一步深化教育教学改革，充分挖掘各学科教学对全面贯彻党的教育方针、落实立德树人根本任务、发展素质教育的独特育人价值，新课程标准基于学科本质凝练出了各学科的核心素养。物理学科核心素养由“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”四个方面构成。在高中物理实验教学中，教师需要加强对学生科学思维的引导和培养，通过实验方案的设计、实验的具体操作、实验数据的处理和分析等实现物理实验教学的价值引领，进而实现学生科学思维的培养，最终助力学生物理学科核心素养的形成，发挥物理实验教学的作用和育人价值。

一、物理实验教学在学生科学思维培养中的重要作用

观察、实验与科学思维相结合是物理学科的主要特征。因此，物理实验教学是提升学生科学思维水平的重要途径。物理实验需要学生亲自体验、动手动脑、分析数据、分析误差、描述结论等，学生从中既能够体会到真实物理情境，又能提升科学推理、科学论证和质疑批判的能力。

（一）物理实验教学能培养学生的观察力和实验设计能力

物理实验教学给学生提供了观察和动手操作的机会，能够激发他们对物理现象的观察兴趣。通过观察实验现象，学生可以培养细致入微的观察力，从而提高对实验现象的敏感性和观察准确性。同时，物理实验教学还要求学生从实验原理出发，对实验仪器的选取、实验装置的安装和调试、实验目的的达成、实验误差的处理、实验变量的控制等方面进行方案设计，从而培养学生的发散性思维能力和创新能力。

（二）物理实验教学能培养学生的数据分析能力和科学推理能力

物理实验会产生大量的实验数据，学生需要对实验数据进行收集和分析。通过分析实验数据，学生可以提取有用的信息，了解变量之间的关系并得出科学结论，这有助于培养学生的数据处理和统计分析能力，以及逻辑思维和推理能力。此外，物理实验教学还要求学生能够理解实验现象蕴含的物理原理和物理规律，并进行科学推理。学生需要根据实验现象和已有知识进行推理和解释，从而理解物理现象的本质。这对培养和发展学生的科学思维、逻辑推理，以及理论联系实际能力都有很大的帮助。

（三）物理实验教学能培养学生的科学论证能力和质疑创新精神

实验需要通过严谨的思维、准确的数据以获得结论。在物理实验过程中，学生需要用科学的方法进行实验设计和数据处理，用科学的思维方式进行论证，在不知不觉中就提升了其科学论证能力。另外，物理实验还可以培养学生的质疑精神。在进行物理实验时，学生经常会面临各种问题和挑战，如实验结果与理论预期偏差、实验数据存在误差等。这些问题能够激发学生的质疑精神，促使他们提出问题、寻找解决方案并进行实验改进。通过质疑和探究，学生能够培养批判性思维能力及质疑创新的精神。质疑创新是科学家精神的核心，也是量化科学思维能力的重要方面，教师可以结合实验观察、问题解决、物理创造活动等对学生的质疑创新精神进行培养。

二、基于科学思维培养的物理实验教学的实施要点

教师应根据不同的物理实验课型灵活选取不同的授课方式，但都要把发展学生的科学素养作为教学目标，发挥物理实验教学的育人功能。基于科学思维培养的物理实验教学应遵循以下原则：

（一）充分发挥实验的育人价值

物理实验教学不仅仅是为了传授物理知识，更重要的是培养学生的科学思维和学科素养。物理实验教学既可以培养学生的观察力、科学推理能力、科学论证能力，又可以培养学生的团队合作能力和自主学习能力、创新精神和问题解决能力，从而培养学生的物理学科核心素养。因此，基于科学思维培养的物理实验教学应充分发挥其育人价值。

（二）体现物理实验的探究性特点

物理实验教学应强调学生的主动参与和自主探究。在物理实验教学中，教师可以提出问题，引发学生思考，激发学生的好奇心和探究欲。教师可以提供实验仪器和实验素材，让学生选择自己感兴趣的探究方向进行探究，从而提高学生的探究能力。教师要积极创造条件，为学生提供科学探究的机会，激发他们进行科学探究的欲望。探究性实验旨在让学生通过实验过程，获得实验的体验感，体会成功的喜悦。高中物理教材中有很多探究性实验，比如“探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系”实验。在实验中，学生分析物理现象，生成新问题，设计合适的探究方案，利用向心力演示仪等器材进行科学实验，从而获得实验证据。学生在整个实验过程中主动探究，发现新问题，分析问题，最终解决问题。

（三）体现学生的主体地位

物理实验教学应以学生为主体，尊重和关注学生的个体差异和发展需求。教师应根据学生的学习兴趣、学习能力和学习风格，合理设计实验活动，给学生提供符合他们个人特点的学习资源和支持。同时，教师应注重引导学生发展自主学习和自我评价的能力，激发他们的学习动力，培养他们的自我指导能力。高中物理新课程标准提倡教学多样化，通过多样化的教学方式，引导学生理解物理学的本质，增强学生的科学探究能力和解决实际问题的能力。在多样化的教学方式中，教师把学生的发展放在了第一位。物理实验教学中，教师同样需要根据学生的认知水平、学生对前置概念的理解等，分层次设置问题，分层次开展教学，分层次挖掘实验内涵，从而让学生掌握实验本质和实验规律。

（四）实现物理实验与现代教育技术的融合

物理实验教学应充分利用现代教育技术，给学生提供多样化的学习资源和工具，丰富实验教学的形式和内容。例如，可以利用模拟实验软件、虚拟实验平台等技术手段，帮助学生进行模拟实验，提高学生的实验观察能力和实验设计能力。另外，教师还可以利用互联网资源、多媒体教学和在线交流平台等，拓展学生的学习空间和丰富学生的学习资源。各类传感器进入高中物理教材后，为物理实验的模拟操作提供了很大便利。例如，在“观察电容器的充、放电”实验中，利用电压传感器和电流传感器配合电脑进行实验，可以很直观地绘出充电曲线和放电曲线，取得良好的实验效果。

三、基于科学思维培养的高中物理实验教学策略

（一）创设真实情境并提出相关实验问题，培养学生在真实情境中解决问题的能力

新高考、新课程明确提出了“无情境不命题；无情境不教学”的要求。在高中物理实验教学中，教师应创设贴近生活的真实情境，提出与实验相关的物理问题，引导学生思考问题，做出有依据的假设，从而解决问题。例如，“利用传感器制作简单的自动控制装置”实验、“用油膜法估测油酸分子的大小”实验、“探究等温情况下一定质量的气体压强与体积的关系”实验，都旨在通过真实的生活情境培养学生的实验设计能力、动手操作能力、解释能力和科学论证能力，同时还能促进学生对“控制变量法”“估算法”等学科思想方法的掌握。

（二）关注实验方案的设计，培养学生的科学推理能力

科学推理能力是科学思维的重要元素。在高中物理实验教学中，教师要引导学生关注实验方案的设计，让他们能够进行科学推理和科学论证，从而培养他们的科学推理能力。例如，在教学力学的过程中，教师可以设计一个与斜面运动有关的实验。学生需要根据已学的物理知识推断出影响物体下滑的因素，并设计实验来验证自己的推断。在这个实验中，学生需要思考如何控制变量、选择适当的测量方法和记录数据，从而培养自己的科学推理能力。

（三）论证物理实验原理的科学性和可操作性，培养学生的科学论证能力

学生论证物理实验原理的科学性和可操作性，可以培养自己的科学论证能力。这要求学生能够结合科学知识，设计符合科学原理的实验并进行实验操作，收集和分析实验数据，同时通过分析数据和科学推理来进行科学论证。这样的实验过程可以帮助学生培养科学思维、逻辑思维、批判性思维和科学论证能力。例如“静摩擦力的大小随拉力的变化”实验，教材提供的实验方案虽然操作简单，但因实际操作存在缺陷而导致实验效果并不理想。一方面，本实验作为演示实验，可见度低，不能满足全班学生同时进行实验的需求；另一方面，通过小纸团的位置移动并不能准确读出拉力在整个过程中的变化。对于这个实验，就要从实验可操作性上进行改进和论证。

（四）鼓励学生对实验误差进行分析，培养学生的质疑批判能力和严谨的科学态度

在进行物理实验时，学生的质疑批判能力是非常重要的。教师可以从实验的误差来源、误差分析和误差减小三个角度培养学生的质疑批判能力和科学态度。在物理实验中，误差来源可能包括仪器精度、环境因素、人为因素等。学生可以质疑这些误差来源，并思考它们对实验结果的影响，从而培养对实验数据的批判性思维。学生还应能够对实验结果进行误差分析，以评估实验的准确性和可靠性。通过这种误差分析，学生能够培养对实验结果的批判性思维和实事求是的科学态度。另外，学生还要能够提出改进实验的方法，以减小误差并提高实验的准确性。例如，在测量电阻的实验中，针对不同阻值的电阻，究竟选用怎样的测量方法才能减小实验误差，就需要学生从实际电表的量程、实际电表的内阻、所提供的滑动变阻器阻值范围等多方面综合考虑。

（五）鼓励学生进行实验创新设计，培养学生的创新思维

创新思维是一种高阶的科学思维，鼓励学生进行实验创新设计是培养学生创新思维的重要途径。学生通过思考和实践，能够提出新的实验问题，设计新的实验方案，并通过实验验证和分析来解决问题，从而培养自己的创新意识和创新能力，为日后的科学研究奠定坚实的基础。

例如，在“探究加速度与物体受力、物体质量的关系”实验中，除了教材所提供的参考案例1、参考案例2外，还可以设计出很多创新实验案例。特别是在实验小车所受拉力的实验改进和设计上，学生就可以借助弹簧测力计、力传感器等仪器，通过分组讨论，设计出更合理、更科学的实验方案，从而改进实验。

总之，高中物理实验教学是培养学生科学思维的重要途径。在高中物理实验教学中，教师要立足物理实验的特点和规律、学生的科学思维，帮助学生逐步形成适应个人终身发展和社会发展需要的正确价值观念、必备品格和关键能力，为学生的终身发展奠基。

［   参   考   文   献   ］

［1］  中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准：2017年版2020年修订［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［2］  教育部基础教育课程教材专家工作委员会.普通高中物理课程标准（2017年版2020 年修订）解读［M］.北京：高等教育出版社，2020.

［3］  胡卫平.科学思维培育学［M］.北京：科学出版社，2004.

［4］  姬影，彭朝阳.探究静摩擦力大小实验装置的改进［J］.物理教学探讨，2019，37（3）：46-47，55.

［5］  何敏.核心素养视角下高中物理实验教学中科学思维培养的研究：基于2019部编人教版高中物理教科书［D］. 大连：辽宁师范大学，2021.

［6］  王长明.核心素养视域下高中物理实验教学中的科学思维的培养［J］.高考，2021（31）：101-102.

（责任编辑 黄春香）