高中物理教材中科学探究素养的呈现方式及教学应用

牟嗣珍 田仁军

摘 要：科学探究是物理学科核心素养之一，是高中物理课程的重要目标。文章探讨科学探究素养在人教版高中物理必修教材中的呈现方式，力图领会教材编写者的编写意图，提出在必修教材实施中要整体把握、分块实施、前后呼应、逐步深入， 猜想要有理由、结论依赖于证据，把探究的思路应用于物理学习的全过程。

关键词：科学探究；高中物理必修教材；呈现方式；教学应用

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2019）2-0073-3

1 科学探究素养及其内涵

科学探究素养是指基于观察和实验提出物理问题、形成猜想和假设、设计实验与制订方案、获取和处理信息、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[1]。它是物理学科核心素养之一，与科学思维等一起构成通过高中物理学习后形成的关键能力。

2 科学探究在教材中的呈现方式

物理必修教材是所有学生必修的共同基础，在人教版教材中安排了大量的科学探究的内容，这些内容分布在教材的各个部分，从不同的角度来培养学生的科学探究素养，它们在教材中的呈现方式也不尽相同。

2.1 显性与隐性

显性的内容在节标题或某个部分以“探究”二字直接指明以探究为目标，如“探究小车速度随时间变化的规律”“探究求合力的方法”“探究加速度与力、质量的关系”“探究弹性势能的表达式”“探究功与速度变化的关系”等。隐性的内容没有明确地标注“探究”二字，但也以探究的方式来呈现物理知识，如“走进物理课堂之前”“匀速直线运动的位移时间关系”“匀速直线运动的速度位移关系”“自由落体运动”“伽利略对自由落体运动的研究”“牛顿第一定律”“太阳与行星间的引力”等。

2.2 整体与局部

科学探究过程一般包含提出物理问题、形成猜想和假设、设计实验与制订方案、获取和处理信息、基于证据得出结论并作出解释等要素。但不能每节内容都需要这么多要素，教材中有的包含了科学探究的各个要素，有的只包含其中的几个要素。

“探究小车速度随时间变化的规律”集中于“获取处理信息”这一要素，让学生通过实验测出物体在不同时刻的速度，用图像法处理数据，用图像来表达小车速度随时间的变化规律。“探究求合力的方法”重点关注设计实验与制订方案、获取和处理信息、基于证据得出结论。“探究加速度与力、质量的关系”则是一次全面的科学探究活动，教材从提出问题、科学猜想、设计实验、数据处理等部分来引导学生进行探究活动，让学生经历了一次全面的实验探究过程。

2.3 实验与理论

科学探究有实验探究也有理论探究，教材为我们提供了这两类范例，如“探究求合力的方法”“探究加速度与力、质量的关系”“探究功与速度变化的关系”等是实验探究，“行星绕太阳的运动”“探究弹性势能的表达式”等则主要是理论探究。

3 教学应用

科学探究素养作为物理学科四大核心素养之一，是学生通过高中物理学习后应该形成的关键能力。对于科学探究素养的培养，笔者认为：

3.1 整体把握、分块实施、前后呼应、逐步深入

“必修1”一开始是“走进物理课堂之前”，这相当于高中物理课程的前言，给了学生一个科学探究的全貌，让学生有一个大概的了解。教學中可以让学生阅读教材，感受物理学科学探究的基本方法。“探究小车速度随时间变化的规律”让学生知道怎样从实验中收集数据，怎样分析所获得的数据，从中得到匀变速直线运动的速度时间关系。“伽利略对自由落体运动的研究”让学生研究科学家进行科学探究的经典案例，从中了解科学探究的要素，对科学探究有一个全面而深入的认识。“探究求合力的方法”是一个实验探究，这个案例指导学生怎样去设计实验、进行实验和采集数据，但怎样处理数据仅建议“用虚线把合力的箭头端分别与两个分力的箭头端连接起来，也许能够得到启示”。“探究加速度与力、质量的关系”是一个完整的科学探究实例，是“必修1”所学的科学探究方法的综合，也是对学生科学探究素养的检验。

“必修2”所提供的与科学探究有关的内容有“太阳与行星间的引力”“探究弹性势能的表达式”和“探究功与速度变化的关系”。前两个进行理论探究，第三个进行实验探究。“太阳与行星间的引力”和“探究功与速度变化的关系”所得到的结论另有“万有引力定律”和“动能定理”进行研究，“探究弹性势能的表达式”所得的结论在高中物理中不作要求。这三个探究的能力要求也高于“必修1”。

科学探究过程是一个复杂的过程，不可能在每一节课上都实施科学探究的全过程，应在整体把握科学探究素养后，明确各个不同的教学内容的侧重点。如“探究小车速度随时间变化的规律”中训练学生怎样收集数据与分析数据；“自由落体运动”中训练学生如何根据所观察到的现象发现问题、提出问题，如何根据实验结果作出实验结论，并用它解释所观察的现象； 而在“探究加速度与力、质量的关系”中学生需要经历问题、证据、解释、交流等科学探究的要素。

3.2 猜想要有理由，结论依赖于证据

科学探究离不开问题和猜想，但问题和猜想不是天马行空地乱猜乱想，必须有思考、有理由。如伽利略使用逻辑推理怀疑亚里士多德的“物体下落的快慢由它们的重量决定”，提出“重物与轻物应该下落得同样快”，可以让学生感受一下，伽利略为什么要这样猜想。同样，我们在进行“探究加速度与力、质量的关系”时，应该让学生猜想影响加速度的因素有哪些？为什么？教师可引导学生回顾牛顿第一定律的内容，知道加速度与力有关；可引导学生思考同样的力作用在不同的物体上时加速度有何差别，来猜想加速度与物体的质量有关。“探究求合力的方法”中，教材提示“合力的箭头端分别与两个分力的箭头端连接起来”后又该怎样呢？学生预习后会猜测或知道是一个平行四边形，但为什么这样猜呢？要有个理由。教师可引导学生回顾伽利略的做法，“自然界的规律是简洁明了的”，思考在求合力的图示中什么样的四边形是最简单的，沿着正方形、长方形、菱形、平行四边形这个思路进行判断可以得到合理的结果。“加速度与质量的关系”“探究功与速度变化的关系”中，处理实验数据时，也用了从简单到复杂的猜想思路。在学生就某个问题提出猜想时，多问一个“为什么”，能避免学生胡思乱想，张口乱猜。

探究的结论依赖于证据，利用证据通过推理得出的结论才是可靠的。实验数据是一种重要的证据，伽利略做了多次实验说明“小球沿斜面滚下的运动是匀加速直线运动，与小球的质量没关系”。从更广的角度来看，物理学中所得出的结论都是有证据的，在指导学生进行学习时要特别加强依赖证据说话的意识。

3.3 把探究的思路应用于物理学习的全过程

教材中没有标注“探究”的章节也可以把它提升到探究的水平来设计教学。如“自由落体运动”可以定位于探究自由落体运动的规律，“匀变速直线运动速度与位移的关系”可以定位于探究匀变速直线运动的速度随位移变化的关系，既可进行理论探究，也可进行实验探究。对于“功”我们原来只会求力与运动共线时力的功，所以“功”的教学可定位于探究力与运动不共线时力的功的计算[2]。我们如果从科学探究的视角来审视教学内容，科学探究能力的培养就可以渗透于物理教学的整个过程。在更广的层面上进行科学探究的教学还可以避免学生进行虚假的探究。因为教材上没有的内容甚至学生自己发现的问题，更能引起学生的思考与关注，探究的真实感更强。问题的解决是利用已有的知识去进行探索的过程，物理学习的一个重要任务是应用所学知识解决问题，指导学生用探究的思路去解决问题比告诉学生答案更有价值[3]。

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）[S].北京：人民教育出版社，2018：1.

[2]龚浩，田仁军. 高一“功”的教学实施——兼论核心素养的培养[J].物理教学探讨，2018，36（8）：79-80.

[3]田仁军.学生实验中反常结果的教学价值[J].物理教学探讨，2012，30（4）：33-34.

（栏目编辑 李富强）