高中物理学生实验探究素养的构成和培养路径

郭义超

（福州教育学院第二附属中学，福建 福州 350013）

在科学探究中，实验探究是科学探究的重要组成部分，而实验探究是以实验教学为主题驱动开展的一系列探究活动，包括：问题的提出、猜想与假设、实验方案的设计与实施、获取信息与处理信息、整合数据、总结结论等等。实验探究的过程实际上也是认知物理知识、分析和解决物理问题的过程，是学习高中物理的基本能力。实验探究素养在整个物理核心素养教育中占据举足轻重的地位，是落实物理观念、科学思维，培养科学态度与责任的基础。培养良好的实验探究素养，要把握“观察问题、提出问题、发现问题、分析问题以及解决问题”五大要素，融入科学探究的过程。第一，观察问题。观察生活、实践与学习中的物理事件、物理现象，引发思考。第二，提出问题。在观察的基础上提出问题并表述问题，立足已学的物理知识揭示矛盾。第三，发现问题。基于物理知识、生活经验与科学证据，发现问题并合理猜测。第四，分析问题。通过自主、合作、探究多元学习策略，分析问题、设计实验方案，处理相关数据，做好有效分析，判断方案可行性。第五，解决问题。合理设计实验方案，利用多种实验工具，结合问题或者假设找出相关证据，运用控制变量等方法开展进行实验探究，通过问题讨论、小组互助等一系列探究过程，整理实验成果，得出实验结论。

一、引导自主探究，激发问题意识

培养高中生良好的实验探究素养，突出学生主体地位是重要的前提条件。那么如何才能激活学生的主观能动性？自然要以“问题”为指引，通过“以问激趣”“以问启思”，让学生在解决问题的过程中运用归纳、整理、探索、推理、实践等一系列手段，掌握物理知识，提升实验探究能力。［1］

例如，学习“用打点计时器测速度”时，先让学生阅读使用说明书，基本掌握打点计时器的使用方法，再让大家动手练习，之后引导学生自主探究：1.纸带上的点，怎样对应小车的位移与时间？2.根据这些点的运行轨迹，怎样计算纸带打点的平均速度？3.怎样确定瞬时速度，并绘制v-t 图像？通过本节课的自主探究，不仅激活了学生自主学习的问题意识，也锻炼了良好的实验探究能力，为良好的实验探究素养奠定基础。

二、立足生活实际，增添学习乐趣

生活中的物理知识无处不在，为了让学生感受学习物理的趣味性与重要性，教师不妨从生活中探寻物理实验素材，以生活中的物理现象为教学资源，让物理教学回归生活本质，潜移默化中渗透实验探究素养。

例如，学习“机械功”时，为了让学生感受“功”的存在，并能把握两个做功的必要因素，新课导入时提出一个趣味性的生活场景：“超市的顾客购买了一袋50kg 的大米，提着大米走向小区共步行了500 米，这位顾客对手中的大米是否做功？到小区之后提着大米从1 楼乘电梯到16 楼，这一过程他对手中的大米是否做功？”就此引出本节课的实验。为了降低实验的难度，让每个学生都能参与实验过程，要准备一些简单易操作、生活中常见的工具材料，如石块、木板、钉子、锤子、锯条等，邀请学生上台，动手举石块、推木板、锤钉子、拉木锯条，通过举、推、锤、拉等一系列的动作，由此总结出做功的两个必要元素，一个是“作用在物体上的力”，另一个就是“物体在力的方向上移动距离”，两个条件共同存在、缺一不可。通过生活案例与动手实验相结合，学生亲自参与实验探究的过程体验，从中提升实验探究素养。

三、小组合作交流，丰富物理实践

教师要鼓励学生多合作、多交流，通过小组探究交流想法、碰撞思维，这样既能掌握有效学习方法、丰富物理实践，也能有效培养学生的物理实验探究素养。

例如，学习“验证共点力的平衡条件”时，先用多媒体课件展示趣味场景：一根绳子拴着气球固定在桌腿上，随着风的方向倾斜。由此引出问题：“观察气球，随风飘动的过程中受到哪些力的作用？气球是什么样的状态？”在“二力平衡的条件是合外力为零，即F=0”的基础上，进一步猜想：“那么三力平衡时，需要满足什么条件才能达到平衡状态呢？是否为F=0？”为了验证这一猜想，将学生分成几个小组开展合作实验，在合作探究中，各组使用三个弹簧秤分别沿着三个不同的方向用力拉住物体，分别记录弹簧秤的作用力方向以及示数。对于实验中的细节问题，小组成员自由地讨论，包括如何正确地放置弹簧秤、如何准确地读数等等。经过观察、对比实验结果，联系已有的知识，发现在三力平衡状态下，其中任意两个力的合力都与第三个力的大小相等、方向相反，且作用在同一直线上。最终得出结论：三力平衡可以简化为二力平衡，在共点力的作用下物体的平衡条件是F=0。整个实验过程中，学生通过分组合作，利用各种实验器材设计实验方案，遇到问题一起讨论、一起解决。在小组合作与师生配合下，丰富了学生的物理实践体验，也锻炼了物理思维，有利于夯实实验探究素养［4］。

四、设计个性方案，推动创新发展

实验探究过程，不是学生机械化地操作实验，而是开动脑筋、挖掘内涵，同时具备自主思考、自主获取信息与自主创新等综合能力，所以物理实验教学要激活学生的发散思维与创新思维，引导学生设计个性化的实验方案，推动创新发展，有效培养实验探究素养。

例如，学习“验证平抛运动的规律”时，这一部分的实验难点就是如何描绘运动轨迹、如何分解运动。课堂上，基于平抛运动公式“△x=V0t△y=y2-y1=gt2”为切入点，组织学生展开讨论并设计实验方案，有的学生提出将小球每次在斜槽的同一个高度上下滑，在末端水平抛出，显示平抛运动的轨迹；有的学生在实验中观察水平喷出的水流，画出平抛运动的轨迹等等。但是大家在讨论方案可行性时发生困难，通过探讨，引导学生发现个性化的模拟实验方案，可用手机视频拍摄模仿频闪照相：在竖直墙面上垫一坐标纸，让斜槽与水平槽的组合装置固定在竖直墙前面并与竖直墙面平行，让小球从斜槽上某个高度下落至水平槽而做平抛运动，用手机视频拍摄整个过程，再使用软件的“慢放”功能播放视频，假设小球下落的时长为0.15s，通过“×10 倍”慢放将下落的过程延长到1.5 秒，再按住暂停键截屏取点，在坐标纸上对应找到小球下落的位置，取多个点，测量多个△x 与△y，从而验证了从理论上得出的关于平抛运动在水平方向匀速与竖直方向匀变速的运动规律。整个设计个性方案过程中，提出改进意见，尝试操作实验，观察实验过程，评价实验结果，不仅体现了信息技术在物理实验中的实用价值，而且融会贯通了相关的物理知识点，启发学生的创新思维。

五、分析实验数据，促进逻辑思维

实验探究离不开真实、完整的数据支持，与此同时也对学生的逻辑思维提出较高要求。因此在实验探究过程中，我们要启发学生精准地获取实验数据，分析实验数据，应用实验数据，促进良好的逻辑思维，潜移默化中夯实实验探究核心素养。

例如，学习“验证机械能守恒定律”时，本次实验中涉及三个最关键的数据就是，其中“n”代表打点计时器的点数。本次实验中的ghn 比偏大。为了启发学生分析实验数据，教师围绕这些数据提问：“为什么ghn 比偏大？”，根据能量转化和守恒定律讨论发现，是因为阻力做功的情况下造成的。在此基础上，继续分析不计阻力的情况下，得出由此证明：“只有重力做功时，物体的重力势能和动能可以相互转化，机械能总量保持不变”，这就是机械能守恒定律。通过分析实验数据，培养了学生物理逻辑思维能力，锻炼数据处理能力，也对物理现象有了更深刻的认知。