优化高中物理实验教学提升科学探究核心素养

摘    要：实验是培育科学探究核心素养的最主要载体，教师要重视高中物理实验教学的优化。在优化构思设计、引导探究实践时，教师可基于问题驱动、问题要素分析、实验设计能力，以引入实验主题、建构实验情境、给予进阶提示。在优化操作指导、提升“做中学”能力时，教师可抓牢常规落实、拓宽实践时空、强调手脑并用、有意识地留白，以提升态度责任、夯实操作技能、提高实验素养、引导独立探索。在优化总结反思、以批判性思维促进探究能力时，教师可立足“在实证基础上建构理论体系”的课堂总基调，对学生实验以书写实验报告来强化反思质疑，对演示实验以激发兴趣来鼓励反思质疑。

关键词：实验教学；科学探究核心素养；构思设计；操作指导；总结反思；高中物理

科学探究是高中物理学科核心素养的重要组成部分，具有两个方面的含义：一是科学探究的过程，包括提出问题、形成假设、设计实验、获取和处理信息、得出结论；二是对过程及结果的交流、评估和反思。而实验是培育学生科学探究核心素养的最主要载体，在促进学生确立和巩固物理观念、发展科学思维、陶冶科学精神等方面具有不可替代的有益作用［1］。当前，高中物理实验教学中存在实验设计不合理、学生动手操作不规范、教师指导无方向、实验总结反思不力等问题，这导致学生始终处于被动状态，难以真正深度地参与实验探究，导致核心素养的培育不能落地。为此，笔者展开了长期的实践，以下分三个方面就如何发挥好高中物理实验教学对学生科学探究核心素养发展的促进作用加以阐述。

一、优化构思设计，引导探究实践

高中物理实验教学，大多是通过实验手段回答理论问题，并展开方案建构和途径预设。实验构思设计强调对学习过程中所遇到的理论难题的感知，强调对要解决的理论问题要素的分析，强调对已有知识的实际应用，强调将抽象的理论体现为具体的实际。抓住实验构思设计，可确保学生在理解的基础上进行实验操作，为科学探究作准备，发挥实验教学的整体功能。

（一）基于问题驱动引入实验主题

实验主题是实验构思设计的出发点，但不能凭空出现，给学生造成突兀感，而是要体现激励和驱动。以问题形成为主线，将问题转化为实验主题，可自然地驱动学生参与实验，进行构思设计。在设计问题驱动时，教师可关注问题的两方面来源：一是知识发展逻辑；二是实验观［2］。

1.基于知识发展逻辑形成问题驱动

在实验教学中，教师要重视培养学生的问题意识，营造鼓励学生主动发现问题并在寻求问题解决的过程中构思实验主题的教学氛围。而运用知识发展逻辑揭示问题，能够有效激发学生实验探究的动机。在探究性实验和验证性实验中，与主题相关的问题线索更明显，也更容易在教学过程中组织实施。

如“实验：探究加速度与力、质量的关系”是人教版普通高中教科书《物理》（以下简称“人教版《物理》”）必修第一册中最重要的实验主题。根据知识发展逻辑，先介绍力和运动的关系，再通过牛顿第一定律明确力是使物体产生加速度的原因、质量是物体惯性大小的量度，然后把力与运动关系的问题明晰为加速度跟力和质量的关系问题，最后引出探究三者的定量关系。如此逐步引导，学生就能在问题驱动中自然地切入实验主题。

2.基于实验观形成问题驱动

高中物理实验所包含的内容除了规律的探究与验证外，还有仪器的使用、特征量的测定等。在这些实验中，知识发展逻辑不太显著，但在实验观上具有相似性：科学正确地使用实验仪器是确保一切实验顺利进行的前提，而揭示物质属性（特征量测定）、揭示物理规律（规律探究和验证）都是物理学的根本任务，且都离不开物理实验。

如实验仪器使用是最基础的实验技能，是做好物理实验的前提，利用实验观进行引导，可使学生深切感受到“需要有并且会用那么一种工具”，增强进入实验主题的主动性。

（二）基于问题要素分析建构实验情境

实验情境建构是实验设计的关键一环，指在头脑中呈现有关实验装置、实验操作的完整情景并进行实验数据处理预案的思维过程。建构实验情境时，需要在明确实验所要解决问题的基础上，分析与问题相关的各要素（或物理量），设想真实情境下如何呈现这些要素，如何获取对这些要素的正确描述，并对如何利用这些要素解决问题作出途径预设，进而体现问题相关全部要素，使其可控可测，并给出对所获数据（或证据）进行处理的预案。

以人教版《物理》选择性必修第二册中的实验“探究影响感应电流方向的因素”为例。该主题涉及的因素有两个：一是感应电流的方向；二是磁通量的变化，包含磁通量大小变化和磁场方向两个要素。教师要引导学生寻找电磁感应中磁场方向、磁通量增减、感应电流方向之间的关系。为便于研究三者的关系，可考虑将部分要素进行转化，使三者都成为对磁场的描述或对电流的描述。而将感应电流的方向转化为感应电流磁场的方向是较为简便的处理，教师可引导学生优先采用这一转化。对问题要素分析完毕之后，学生头脑中即可呈现出比较合理的情境设想，而其能否被采纳并转化为真实的实验情境，要看它被实施之后能否解决所需要解决的问题。

（三）基于实验设计能力给予进阶提示

学生能够通过自主探究完成实验方案的设计自然是最理想的状态，但实际难以做到，这就需要教师予以提示。教师可根据学生的实际能力给予进阶提示，让学生找到思考问题的切入点，然后引导学生展开生生互动和师生互动，最终在师生共同努力之下使实验方案浮出水面并逐渐清晰和完善。

如给学生提供“可供选择的实验器材清单”，要求学生根据清单的提示选择器材并组装实验装置、设计实验步骤。当学生处于初学阶段时，通常可把设计的难度调低一点，清单内提供相对少一些的实验器材，甚至可全部改为“必选”，以便让学生的思维指向更集中，从而更容易地“搭建”出合理的实验装置。随着学生水平逐渐提升，清单里面应适当多列出一些实验器材，以适当增加选择和设计的难度。当学生水平达到一定程度后，可将全部常规实验器材列入清单让学生选用，甚至可鼓励学生设计并自制实验器材，将设计的自主权完全交给学生。

二、优化操作指导，提升“做中学”能力

“做中学”是一种以实践活动为认知手段的学习方式，在加深学生对客观真实的体验上具有不可替代的作用，有利于学生建立认知和理解知识［3］。由于具有目的性、规范性、科学性等特征，实验操作并不是单纯的机械动作，而是要求大脑思维和肢体活动协调推进，因此它是学生进行“做中学”的重要途径。在参与完成实验方案设计之后，学生自然会产生“亲自做一做”以“验证方案行不行”的心理期盼。教师需要利用好这种心理期盼，合理地进行优化指导，使学生在增强实验操作能力的同时，更好地培养和提升“做中学”的习惯与能力。

（一）抓牢常规落实，提升态度责任

要让学生认认真真做实验，首先得提高实验在学生心目中的地位，使他们对实验心怀敬畏，从而规规矩矩、认认真真做实验。为此，教师可引入物理学史，简要介绍与实验主题相关的物理学家及其所做的实验，引导学生感受物理学家严谨求真的态度，明确实验对物理学重大发现的意义。作为承载实验的场所，实验室的管理也需要一定的规则，如必须保持实验室干净整洁、实验结束之后将器材恢复原状等。教师需要让学生理解，制订这些规则既能保证当下实验快速有序地进行，减少不必要的时间浪费，又能给下一批实验者进行实验提供保障，从而自觉认同并遵行相关规定，提升态度责任。

（二）拓宽实践时空，夯实操作技能

教师要加大对学生进行实验操作的训练力度，尽量创造机会让学生动手操作，锻炼学生对实验装置设备的理解能力，为学生实验操作技能的提升夯实实践的基础。如可把器材安装调试，打点计时器的固定和复写纸安装，电源的连接和功能选择，纸带与小车、重锤的各种连接等任务交给学生完成，帮助学生提升基本仪器使用和实验操作技能。

（三）强调手脑并用，提高实验素养

实验操作的核心要领在于操作者达到手脑并用且协调，因此实验教学必须强调“坚持培养手脑并用的习惯与能力”，要求学生在实验操作过程中坚持做到如下两点：（1）要想好再做，即必须在明确“做什么，怎么做，为什么这么做，将会发生什么”的前提下进行操作，确保实验操作规范有效；（2）要边做边思考，即边做边密切关注实验现象，同时思考“发现了什么，是否符合实验预设，接下来如何调整或如何进行下一步操作”。从宏观角度来说：实验设计就是在操作之前的思考，体现了“想好再做”的原则；而实验过程中的实际情况是否与方案中的预设保持一致，必须在实验过程中始终关注并且将其作为后续操作的依据，这体现了“边做边思考”的原则。这些原则需要结合具体的实验操作过程加以揭示和落实。

如人教版《物理》必修第一册中的“实验：探究小车速度随时间变化的规律”，在释放小车操作（做什么）步骤之前，必须考虑到将小车置于靠近打点计时器处，然后启动打点计时器（怎么做、为什么这么做），还要考虑并落实好对小车的保护措施（预见发生什么）。又如，人教版《物理》选择性必修第一册中的“实验：用双缝干涉测量光的波长”，关键是通过装置的调节呈现清晰的干涉条纹，其核心操作要点是在粗调的基础上根据现象判断决定如何进行微调（边做边思考）。

（四）有意识地留白，引导独立探索

在讲解实验操作注意事项时，教师可故意留白，有意识地避开那些不会严重损坏实验器材的不当操作，让学生独立地进行探索。在学生开始实验操作时，教师要密切观察学生的操作情况，随时纠正那些个别化的差错，并抓住具有共性的倾向性问题，利用实验过程中学生自己的失误、错误甚至实验失败的教训来“倒逼”学生找出原因，发现正确的认知与方法。这样既能激发学生积极主动思考，又能促使学生乐于接受指导，还能使学生切实领会实验操作的精髓。

如人教版《物理》选择性必修第一册中的“实验：验证动量守恒定律”。在方案设计环节以及注意事项讲解中，笔者故意回避关于小球释放的初始位置与平抛运动高度匹配的问题。在实验操作中，部分学生表现出了如下问题：由于小球做平抛运动的水平位移过大，导致小球的落点超出了复写纸的范围，使实验无法继续。笔者抓住契机，果断地指出他们没有遵守“想好再做”的原则，并让他们通过独立思考或小组讨论找出实验失败的原因。

三、优化总结反思，以批判性思维促进探究能力

在高中物理实验教学中，教师还需要注重对批判性思维的培养，以促进学生探究能力的深化。从对现有认知以及获得现有认知的途径进行总结、审视出发，通过反思，发现问题与不足，再通过进一步的研究与探索，解决发现的问题，弥补存在的不足，是培养和实践批判性思维的基本途径［4］。同时，反思过程中所发生的疑问和认知冲突，能鼓舞学生不断探究，进而通过发现问题、提出问题、寻求证据、比较不同观点、识别逻辑谬误等环节，锻炼和发展批判性思维，不断提升探究能力。

（一）立足“在实证基础上建构理论体系”的课堂总基调

物理学是建构在实证基础上的一门科学。实验活动环节众多，涉及的理论内容和实际操作也比较复杂和繁多，学生往往难以一次性完全掌握，教师需要在每一个实验结束后，都引导学生及时进行总结，使其在巩固教学成果的同时，达成认知系统化。相较于其他形式的教学，实验教学使学生亲身经历并参与实验从构思设计到完成所有环节的活动过程，所以在对实验进行回顾和总结的过程中，学生就更容易萌发自己的想法、见解，也更容易引发认知冲突和疑问，而当这些真的发生时，反思就已经开始了［5］。因此，教师可立足“在实证基础上建构理论体系”的课堂总基调，引导学生对物理实验进行更加广泛和深入的反思。

如“对力的平行四边形定则”，人教版《物理》只安排通过静力学实验得出，那么在动态情况下，它是否依然成立呢？对初学牛顿第二定律的学生而言，这是一个非常抽象的深奥问题。笔者首先引导学生提出猜想，并给出相关支架，让学生在充分讨论后设计方案，最终师生合作共同设计了“利用位移传感器和速度传感器研究‘气垫导轨上的滑块在互成夹角的两个轻质橡皮条牵引下作加速运动’”实验。在实验中，学生测出滑块运动到某一位置时的加速度和受力，然后运用相关数据算出滑块质量与加速度的乘积，而这跟采用平行四边形定则求出的合外力相等。这样，学生在证明力的平行四边形定则在动态情况下依然成立的过程中，深化了对力与运动相互关系的认识，发展了科学探究核心素养。