在意义建构中提升高中物理实验教学价值

摘 要：学习本质上是一个意义建构的过程。在高中物理学科教学过程中，学生通常需要借助实验、观察、体验等多种手段来深入理解和建构物理概念。因此，物理实验在物理知识的教学中扮演着至关重要的角色，具有重要的育人价值。本文强调了逆向思维对实验设计的重要性，通过在实验探究过程中建构学科大概念，在实验评估中促进科学思维的发展以及在实验迁移应用中引导学生实践创新，确保学生在实验活动中能够深度参与并获得多样化的学习体验。

关键词：意义建构；高中物理；实验教学

建构主义的学习观提出，知识不能简单地通过教师传授获得，而需要每个学生在一定的情境下，通过协作活动和联系已有的知识、经验来主动地进行建构。从这个角度来说，学习是意义建构的过程。学生可以在知识的迁移应用中感知学习的意义，激发探究的兴趣，体悟学习的价值。在高中物理教学过程中，对许多物理概念、规律的学习需要学生通过实验、体验、观察等多种方式来进行意义建构。因此，物理实验在物理学科的学习中有着重要而独特的地位，它直接关乎学生学科核心素养的培育以及创新能力和实践能力的提升。广大物理教师需要不断反思优化实验教学的方法路径，切实提高实验教学的效果。

长期以来，尽管不少高中物理教师心中知晓实验的重要性，但受传统应试教育的影响，加上课时紧张、学生实验过程中管理难度大、学生动手能力不足和实验设备陈旧等多种因素的共同作用，不少实验教学环节遭到弱化。具体表现为教师以做实验题、播放实验视频、讲解实验现象等方式代替实验。这一现象导致学生在面对新高考、新情境、新问题时，难以灵活迁移应用知识，不能真正实现从“解题”到“解决问题”的能力转变。本文结合人教版（2019年版）高中物理教材中部分实验设计以及江苏省近4年新高考物理实验真题，探讨如何在高中物理实际教学中凸显实验教学的价值。

1 在实验设计中重视逆向思维

建构主义作为一种学习理论，不仅强调学生对知识建构的主动性、情境性，还特别强调知识应用的意义和价值引领。这一理论旨在激发学生的学习兴趣和对知识的深度思考，提升学生将所学知识融合迁移的能力。从这个维度来思考，教师在教学设计时，不仅需要从知识“输入”开始思考如何教授，更应该从“输出”出发，思考学生在学习这些内容后“有什么用”以及“能做什么”。这就是格兰特·威金斯（Grant Wiggins）和杰伊·麦克泰格（Jay McTighe）在《追求理解的教学设计》一书中提出的“逆向设计”。^［1］

在高中物理实验设计中，教师往往会从需要探究的现象和规律出发，思考相应的实验方法和活动。然而，学生若只是按部就班参与实验，将很难自发地去思考实验的价值和意义，譬如思考实验探究解决了什么问题，未来还可以怎样继续深入探究下去等。唯有从真实的实验任务情境出发，重视逆向思维，鼓励学生自主探索和积极思考问题，才能让学生在实验探究中真正种下热爱科学的种子。

在教授“匀变速直线运动的研究”这一章时，教师可以引导学生自主选择生活中常见的物体并观察它们下落的过程，让学生比较铁球、羽毛球、树叶等物体在下落过程中速度的差异，从而引导学生思考在真实情境中如何测量物体下落的位移、速度和加速度等物理量。教师可提供利用打点计时器、使用智能手机加速度传感器、频闪拍照等方法，让学生在探究中感受到问题解决路径的多样性。教师可以在此基础上进一步引导学生思考：“每一种实验方法的误差来源以及设计思路是什么？还可以设计怎样的方法？这样的方法能否作为借鉴来解决其它问题？”这种基于真实实验情境逆向反思实验方法、实验误差的设计在新高考物理试题中也很常见。例如，2022年江苏物理高考卷第11题的情境就是通过手机测量当地的重力加速度，来考查学生的逆向思考和逻辑分析能力。

（2022年江苏省物理高考卷第11题节选）小明利用手机测量当地的重力加速度，实验场景如下图所示，他将一根木条平放在楼梯台阶边缘，小球放置在木条上，打开手机的“声学秒表”软件，用钢尺水平击打木条使其转开后，小球下落撞击地面，手机接收到钢尺的击打声开始计时，接收到小球落地的撞击声停止计时，记录下击打声与撞击声的时间间隔t，多次测量不同台阶距离地面的高度h及对应的时间间隔t。

此题的实验情境是以生活中常见的楼梯、手机、木条等器材进行设计，需要学生从实验结果中记录的击打声与撞击声的时间间隔t出发，逆向思考其与重力加速度g测量的关系和误差，从而将教材中的实验原理进行了有价值的、生活化的迁移。

在实验教学中，实验逆向设计强调将知识的迁移应用与问题的解决作为教学目标的出发点，从而激发学生对物理学的学习兴趣，注重探究性学习。同时，该设计倡导结合实际应用场景，有意识地引入现代化技术手段，创新实验方法，从而不断提高学生的实践能力、创新创造能力。

2 在实验探究中建构学科大概念

意义建构理论（Sense-Making Theory）是由美国学者布伦达·德尔文（Brenda Dervin）于1983年提出的，主要由情境（Situation）、鸿沟（Gaps）、使用（Uses）和桥梁（Bridges）这四个要素构成。它指出人们会基于不同的内部认知和外部情境来建构自己的行为。意义建构理论对实验教学的启示在于：为了使学生形成对知识真正的、深刻的、灵活的理解，应该基于学生经验背景，设计出有思考价值的、有意义的实验探究问题。通过引导学生经历概括、分析、推论、假设、检验等一系列思维及实践活动，帮助他们建构起对知识客观、全面、深刻的认识。最终目标是使学生建构起能够应对复杂问题和挑战的学科大概念。

在进行“抛体运动”一章中的“曲线运动”这一节的教学时，教师可以通过一系列实验，帮助学生建立起力与运动的学科大概念。在接触曲线运动的概念之前，学生通过对运动学和牛顿运动定律的学习，对做直线运动的物体的受力情况已经有了初步的概念，为了让学生理解生活中物体为何更普遍地做曲线运动，教师需要基于学生的已有认知，设计出有认知梯度的探究问题和活动。这样的设计旨在帮助学生完整地、有意义地建构起关于曲线运动的概念体系。

结合人教版教材，教师可以尝试设计下列活动过程。

过程一，观察生活中各种曲线运动，思考将手中的物体如何扔出才能使它分别做直线运动和曲线运动。初步引导学生在实验中思考初速度方向与加速度方向对运动轨迹的影响。

过程二，设计实验，观察做曲线运动物体的速度方向。引导学生分析物体在曲线某点的速度方向是否为该点的切线方向，并根据平均速度定义进行理论证明。

过程三，设计实验，探究物体做曲线运动时所受合力的特点，从而让学生概括出：“当物体所受合力的方向与它的速度方向不在同一直线上时，物体做曲线运动。”

过程四，以抛体实验为例，引导学生思考并分析物体所受合力与物体速度在方向上同向、反向、垂直、成锐角、成钝角等不同情况下，物体的运动轨迹、运动性质，掌握运动的合成和分解。

过程五，将曲线运动迁移到实际生活中，结合对扔铅球、投篮、套圈等活动的分析，让学生在复杂问题的解决中真正建构力与运动的大概念。

例如，2021年江苏省物理高考卷第9题就是对投篮的真实情境的考查。学生经历了对曲线运动的探究实验，建立起了对力与运动的大概念。通过对高考真题的学习与解析，他们在思考问题时会展现出更为深刻的思维层次。

（2021年江苏省物理高考卷第9题）如图所示，A、B两篮球从相同高度同时抛出后直接落入篮筐，落入篮筐时的速度方向相同，下列判断正确的是（" ）。

A. A比B先落入篮筐

B. A、B运动的最大高度相同

C. A在最高点的速度比B在最高点的速度小

D. A、B上升到某一相同高度时的速度方向相同

新高考评价体系在高考领域为“培养什么人，怎样培养人，为谁培养人”这三个问题提供了明确的答案。它强调试题的基础性、综合性、应用性、创新性，考查内容聚焦于必备知识、关键能力和核心素养。在此背景下，物理实验教学也需主动策应新高考改革需求。在实验教学中，教师要有意识地引导学生通过一系列有意义的实验探究活动，从更核心、更上位的视角进行观察和思考，将相关零散的物理知识更好地整合起来，形成对事物的本质、规律以及关联的综合理解，学会用物理的视角解释现象，认识世界。

3 在实验评估中促进科学思维发展

学习科学（Learning Science）理论的核心观点之一就是强调：学习是一个动态建构的过程。学生通过不断地尝试、失败和成功，逐步建立起自己的知识体系。错误是学习的催化剂，反思错误的根源是学习发生的基础。从这个角度来说，学习过程中的自我评估，能有效激发学生对知识的深度思考和理解。然而，在实验过程中，教师往往更多关注实验数据或结果，忽略了学生在实验过程中的表现和问题，对学生的实验方法、结果等缺乏科学的论证、评估。这导致学生在实验过程中习惯按照既定步骤进行操作，很少去思考和评估实验方法的优劣以及实验结果的偏差。因此，学生很难通过实验提升思维能力、创新意识和实践能力。

《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称《课程标准》）中强调的物理学科核心素养之一就是“科学思维”。“科学思维”是基于经验事实建构物理模型的抽象概括过程；是分析综合、推理论证等方法在科学领域的具体运用；是基于事实证据和科学推理对不同观点和结论进行质疑和批判、进行检验和修正，进而提出创造性见解的能力与品格。^［2］

本文仔细分析了江苏省2021-2024年物理高考实验题的误差分析和实验评估类问题设计（见表1），发现上述问题均对学生的思维提出了较高的要求。

高中物理实验评估方式对于学生的实验能力和科学素养、科学思维的培养有着重要的作用。为了建构多样化的评估标准，教师不仅要评估学生的实验结果，还要考量学生的器材选择、实验方法、数据处理、误差原因和协作能力等。引导学生对实验过程进行科学评估，培养其模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等能力。^［3］

4 在实验迁移中引导实践创新

根据学习科学理论，学习的本质在于个体对新知识、新技能的掌握和运用，这一过程涵盖了认知、情感、行为等多个层面。真正的学习是在解决问题的过程中发生的。为了深度挖掘物理与真实世界的联系以及与其他学科在内容、方法及能力上的关联，教师可以从意义建构理论出发，基于学生已有的生活文化属性和知识经验基础（情境Situation），精准设置问题、任务（鸿沟Gaps），接下来再采用科学探究的方式，设计学习内容和实践活动（桥梁Bridges），帮助学生在教师指导下，实现对物理知识和规律的意义建构，实现问题解决（使用Uses）。

以人教版高中物理教材为例，几乎每一节新授课开篇都设计了“问题”引入课题，而这些问题基本来源于学生生活实际或已有的知识经验基础（情境Situation）。同时，教材还配合“实验”“思考与讨论”“做一做”等栏目，精准且步步深化地将问题、任务（鸿沟Gaps）分解到实验探究活动中，迁移到生产生活及科技前沿等领域。这样的设计旨在引导学生通过实践活动突破认识误区，培养创新思维和科学精神。本文以人教版“时间 位移”一节为例，分析在《课程标准》指引下如何利用实验迁移引导实践创新。

教材中首先以描述一辆正在行驶的汽车的具体位置为引入的问题情境，随后逐步介绍了时刻与时间间隔，位置、位移与路程的定义，并让学生提出北京去重庆的三种交通方式，初步建构其对路程和位移的概念。随后教材介绍了直线运动的位移、位置—时间曲线，介绍了位移和时间的测量方法，并在实验环节安排了学生使用打点计时器来研究位置的变化。最后，教材的科学漫步环节介绍了全球卫星导航系统。

在实验教学中，教师应注重学习内容和活动与生产生活的实践融合，对知识内容的问题性、情境性、活动性进行设计，以揭示物理知识背后的价值、智慧、伦理、文化、审美等诸多意蕴，切近知识所蕴含的意义世界。在“求真”中“求美”“求善”“求志”，从而实现“成人”。

高中物理实验教学在很大程度上为学生提供了一个更具互动性和成效的学习环境，并极大地提升了物理教学的质量和效果。本文旨在通过不断创新实验内容和方式，使更多学生主动参与物理知识的探究活动，让他们经历知识建构的过程，感知物理在生产生活中的应用，从而激发学生对科学的浓厚兴趣，让他们在创新创造中体验学习的意义和乐趣，培育更多具备科学家潜质，愿意献身科学研究事业的新时代青年。

参考文献

［1］王春易.从教走向学：在课堂上落实核心素养［M］.北京：中国人民大学出版社，2020：139-144.

［2］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，2021：4-5.

［3］曹红霞.创新物理实验教学对高中物理教学的作用和意义［J］.数理天地（高中版），2024（8）：104-106.