指向深度探究的高中物理实验教学设计与实践研究

课题项目：文章系福清市教育科学研究课题《指向深度探究的高中物理实验教学设计与实践研究》（课题编号：FQ2023GH043）的主要研究成果。

作者简介：陈主生（1985～），男，汉族，福建福州人，福建省福清华侨中学，研究方向：高中物理教学。

摘  要：高中物理课程的教学内容比较多，与数学、化学、生物学和地理学课程都有一定的联系，对学生综合素养的要求较高，学习难度也比较大。实验作为高中物理课程必不可少的组成部分，做好其教学工作能够有效提升物理学科的总体教学质量。所以，教师应该通过对教学设计与实践的创新，树立学生的主体地位，推动学生在实验中主动且深度开展学习探究，发挥学生的主观能动性，师生相互配合创造出优秀的实验教学质量。

关键词：高中物理实验教学；深度探究；高中物理实验教学设计

中图分类号：G633.7    文献标识码：A    文章编号：1673-8918（2024）08-0116-06

新课程、新教材和新高考给高中物理实验教学带来了巨大的变化，如何通过物理实验教学培养学生的探究能力与核心素养已经成为教育界普遍关注的一个重要问题。在此背景下，高中物理教师应该摆脱传统的、知识型教学的思维，在思路和方法上进行创新，以新颖的设计反映时代发展的步伐和学生成长的需求，为国家和社会输送具备探究和创新能力的优秀人才，同时也使物理知识技能真正成为学生认知体系的组成部分，能够帮助他们解决现实生活中的实际问题。

一、 高中物理实验教学的现存问题

所谓“深度探究”指的是一种学习状态，是师生在教学中达到“深度学习”水平的必然渠道。深度探究需要学生实现对知识的深入理解，能够在情境中有效运用知识技能，解决现实中的物理问题，增强学生的思维能力，是高中生物理学科核心素养持续发展的重要前提条件。但是，在传统应试教育思想的影响下，高中物理教学，包括实验教学，缺少“深度探究”，学生主要解决的是题目中的“现成”问题，与现实生活没有密切关系，学习本身以比较被动、机械的模式为主。

在上述教學模式下，学生无法全身心地投入学习活动，学习过程主要是被动接受教材上的知识内容和对教师实验示范的简单模仿，缺少对知识的质疑和批判、对实验过程的思考以及对学习收获的验证和巩固。相应的，学生对已经完成的学习活动开展反思，也以“知识性”的反思为主，即判断结果的“对错”，缺少对整个学习过程的分析以及对知识的迁移和应用。这使得学生难以体会物理学科领域的科学原理、思维方法与实际价值，无法达到全面培养学生物理课程核心素养的良好效果。

二、 高中物理实验教学现存问题的产生原因

（一）缺少对学生兴趣的激发

高中物理实验教学现存问题，是由各方面原因所共同构成的。这些原因导致传统教学模式缺少对学生自主探究的关注，有助于学生深度探究的教学方法大量缺失。比如，以往高中物理教师在知识型教学模式下缺少对学生兴趣的有效激发。部分高中物理教师鲜少开展实验教学，还有的教师虽然组织了实验教学活动，但对学生提出了较多的限制。从实验准备到实验结果，已经“提前”被教师所规划好。学生出现任何不同的操作，或者结果与最初的设计不一样，就会被教师认为实验中出现了问题或错误。在这样的情况下，学生感到动手实践缺少实际意义。

因为在学生看来，他们只是要记住知识而已，教师已经给出了这些知识，实验只是教师为了验证大家是否“记熟”了理论知识，而不是去探索物理现象。实验操作也不过是在对教师进行模仿。学生对此感到枯燥无趣、浪费时间。高中生不参与或者很少参与物理实验，动手能力差，缺乏解决实际问题能力的现象因此而屡见不鲜。虽然高中生所学习的物理知识还达不到非常“深奥”的程度，但他们仍然会感觉到一定的学习难度，因为其头脑中存在大量没有经过实践整合的、抽象的知识点，并不足以带领他们领略丰富多彩的物理世界。

（二）缺少对教学模式的创新

在以往的教学实践中，已经有部分高中物理教师发现了实验教学存在的问题，认识到传统的教学模式已经无法跟上时代的发展。新型的高中物理实验教学应该让学生经历物理学研究的一般过程，能够获得令学生感到充满收获感和成就感的探究体验，为自己成功的预测实验结果或优秀的动手能力而欣喜，感受自身物理课程核心素养的持续进步。要让学生在这样积极向上、能够满足自身成长需求的氛围下顺利地吸收所学知识，用于克服学习过程中出现的各种困难，逐渐学会调整自己的学习探究方法，配合教师进行教学设计的优化或开展新的学习实践。

然而，部分高中物理教师产生上述认识后，并不是对教学模式进行创新，而只是增加高中物理实验教学的时间比例，对学生的动手操作提出更多、更加严格和细致的要求，寄希望于学生能够因此而得到更为充实的实验体会。结果适得其反，增大了学生的学习压力，使得学生产生了更多的挫败感，没有感到实验的有趣，也缺少成功的喜悦，反而对物理实验感到畏惧、退缩，对“为什么实验总是不成功”“为什么理论知识与实验结果不匹配”等问题感到非常困惑，乃至逐渐失去对物理实验的兴趣和信心。

（三）缺少对教学设计的优化

教学模式的僵化导致了教学设计不能根据实际需要及时地优化完善。根据具体教学内容和教学目标的不同以及学生在不同阶段所表现出的能力发展程度与成长需要，高中物理实验教学应该有灵活的设计，不能千篇一律。比如，“运动的描述”一章，可以由学生利用家中物品进行简单实验，实验设计交给学生自己。学生可以结合数字设备进行视频拍摄等记录实验过程，课堂上再进行演示、分享，与教师的实验示范进行对比，找到并解决自身实验中存在的问题，实现对理论知识的深度理解。

而同样是“运动的描述”，如果实验设计不够灵活，可能需要学生必须在实验室完成实验，学生要达到非常严格的要求，乃至进行大量对于速度和加速度的繁琐计算。这本来应该属于对生活实验进一步优化，而不是直接呈现给学生，增大学生的学习难度。又如，实验探究力的合成、分解或共点力的平衡，本来可以使用有趣的网络视频激发学生的兴趣，让学生以类似“叠积木”的方式进行实验，展开趣味的实验探究活动。但教师的实验设计只是让学生对很简单的问题进行受力分析并进行有限的调整和反复的计算，很难起到较好的实验教学效果。

三、 深度探究对高中物理实验教学的重要性

相较于传统的教学模式，深度探究有赖于学生强烈的学习动机和自我发展需要，在新课程、新教材和新高考的指导下进行，能够从根本上解决现存的各类问题。通过对“深度探究”的理解，高中物理教师能够摆脱传统的应试教育思维，教学的思路、方法和手段会更为灵活，物理实验教学能够为提高学生综合的学习能力及核心素养而服务。高中物理实验教学能够出现新的形态，教师得以完善教学策略，学生获得更为充实的学习体验，实现“教学相长”，乃至成为高中物理教学质量整体进步的突破口。

深度探究的重要性，还在于能够给师生双方提供一个看待高中物理实验教学的新视角，即站在物理学本质的角度，把实验作为物理现象的探索，鼓励学生大胆假设、小心求证，以科学的思维为基石放飞想象力，对尚未实验验证的物理现象进行各种猜测，再通过符合科学规范的实验验证自己的猜测是否正确。如果结果与预期不符，深度学习并不要求学生去强行“掰正”实验结果，而是思考当前的结果说明了什么问题，从理论和实践两个层面进行调整，直到二者能够完成“对接”。

四、 基于深度探究的高中物理实验教学基本特征

（一）知识自主整合

基于以上论述，可以发现并总结出基于深度探究的高中物理实验教学基本特征。首先深度探究强调高中物理知识的全面整合。传统的高中物理实验教学模式以教师的讲解和示范为主，或者在课堂上加入一些简单的小实验作为“调剂”，学生并没有较多亲自动手实验的机会。在这种模式下，学生很难得到实践探究方面的知识，也就谈不上知识上的整合。“深度探究”则是学生进行少量的、模式化的实验，本质上是在严格模仿某种实验操作，而不是自主探究，所得到的实践知识也是有限的，整合的效果不好。

而深度探究因为是由学生自己参与到实验设计，自己设想实验的结果和流程，提出相对应的物理知识，所以学生在亲自动手实验中能够得到非常直观且印象深刻的实践知识。哪怕是实验中接通以普通干电池為电源的电路，都能让学生意识到科学实验的严谨性和可能出现的危险，对学生今后的工作、生活产生积极的意义，帮助学生实现理论与实践知识的有效结合。值得注意的是，这种联系是学生自己所意识到的，而不是教师所反复提醒的，能够成为学生融会贯通各种知识的基础和其认知体系持续发展的动力。

（二）素养迁移应用

在传统的高中物理教学中，因为有效实验的缺乏，学生缺少对现实问题的解决能力，无法从物理学的视角认识、思考和表达问题。还有些学生虽然会对现实问题产生兴趣，但因为空有理论知识，没有动手能力，不具备较为完备的素养，所以只能提出种种假设。比如，家人选购了一款“网红”镜子，但是需要直接贴到墙面上，没有支架。学生从所学知识出发，认为其受力有问题，很可能粘贴不牢靠。但是家人不具备相关物理知识，无法理解；学生则难以通过简单、直观的物理实验加以演示证明，导致问题不能得到有效解决。

出现类似情况的根本原因，就在于学生的物理课程核心素养存在缺陷，不能实现对物理知识技能的迁移应用。而在深度探究的高中物理实验教学中，师生双方能够基于教材中的内容并结合学生在生活中感到困惑、存在兴趣的各种问题，创造丰富多彩的物理实验，使得学生在完成实验之后，能够从理论和实践两个角度对这些问题给出科学、合理、有说服力的解释，使得学生的物理课程核心素养发展成果能够在现实中体现出应有价值。此外，教师还可以在此基础上鼓励学生进行拓展延伸，如自主的生活化物理实验。

（三）增强辩证思维

对科学知识的学习离不开辩证的思维。任何知识或者规律都不是唯一的或绝对的，而是在不断发展中。正如物理学在发展过程中所表现出的那样，科学家经常会有新的发现，可能会推翻已有的结论，开创出一片新的天地。比如，提出“宇称不守恒”定律的杨振宁和李政道及进行实验验证的吴健雄，他们对物理学所作出的贡献就是开创性的，对当时既有的物理学理论是一种颠覆。传统教学模式下的高中物理实验教学则鲜少考查学生的这种质疑精神，培养学生的辩证思维，只是要求学生对记忆现有物理知识和并在考试中加以应用。

而在指向深度探究的高中物理实验教学中，学生需要对实验和与实验有关的物理知识进行辩证思考，学生能够全面地对所学的物理知识或者实验中出现的问题提出质疑，用发展的眼光看待自身的学习与实践，乃至对教师的指导发出疑问，不迷信权威，不被教条主义所迷惑，践行“实践是检验真理的唯一标准”，用证据表达自己的观点，能够锲而不舍地寻找相关证据。无论学生将来是否会从事专门的物理研究工作，这种辩证思维对于学生持续的发展成长也有着巨大帮助。

五、 指向深度探究的高中物理实验教学设计方法

（一）自我导向的设计方法

基于高中物理实验教学的现存问题和深度探究的优势、特征，在当前的高中物理教学改革中加强对深度探究的运用、创新实验教学是非常必要的。而在具体的实验教学设计方法上，教师应以学生自我为导向，为学生自主的深度探究打下基础。因为在深度探究的背景下，学生的学习不再需要教师过多的监督和管理，而是需要学生表现出较强的自主学习意识与能力。自我导向就是要发挥出学生的自主意识，由学生参与实验的设计，学生自发地完成学习、管理、反思和提升，并对实验学习的效果进行自主评价。

比如，教师带领学生探究功与速度变化的关系，可以尝试由学生自己进行实验设计。教师只提出“功与速度变化的关系”这一实验主题，至于实验材料的选择以及通过何种方式对小车或其他事物做功，交给学生自己决定。为避免学生钻入牛角尖或者在实验设计中顾此失彼，教师可以将学生组织为多个实验小组，大家共同从实验需要和便利性等不同的角度展开思考和讨论，使得实验设计既能达成实验目的，又简单易行。如可以用橡皮筋做功，选择尽可能光滑的平面以忽略摩擦力的影响等。

（二）问题导向的设计方法

问题导向的设计方法指的是以问题作为学生探究的线索和动力，引导学生深度探究。问题导向与学生的自我导向相得益彰，即要以学生内心存在，或者由教师所启发出的问题为导向，而不是片面地由教师提出问题。所以，教师对问题的设计要分阶段，包括前期构思、渗透式地提出问题以及激发学生对问题的兴趣，或者由学生在教师所设计的问题基础上进行拓展创新。另外，教师应充分考虑学生的能力水平和兴趣方向，由浅入深、循序渐进，使得学生可以逐步进入深度探究的状态，鼓励学生在探究中主动生成和解决新的问题。

比如，在学习牛顿第二定律时，教师应带领学生展开对加速度与力、质量的关系的探究。由教师先提出问题，如“物体的加速度和力有什么样的关系？”“物体加速度和质量的关系又是什么？”学生在探究中回答，并产生各种猜想和争论，进而产生对实验验证的兴趣，自然进入实验教学环节。在实验过程中，教师要参与各个实验小组，通过密切的师生互动引导学生提出属于他们自己的问题，如“小车受到了摩擦力怎么办？”“怎样补偿其受到的摩擦力？”等等，最终在不断提出和解决问题的过程中完成实验。

（三）生活导向的设计方法

在新课程、新教材和新高考的背景下，高中物理教学不能仅关心学生的高考成绩，还要培养学生的核心素养，增强学生解决实际问题的能力。而对于高中生而言，他们能够接触到的、与物理有关的现实问题，大多来自其家庭生活或学校生活。所以，生活导向的高中物理实验教学能够成为实验问题的来源，也是将学生导向实验教学活动的根本动力。教师要注重对生活元素的开发与利用，积极了解学生的生活并鼓励学生主动提出生活中的疑问，师生一起为高中物理实验教学积累实验资源。

比如，通过探究性的学习，学生了解到地球不同地区的重力加速度因为地球的物理特性而有所差异，进而对本地的重力加速度产生兴趣。教师可以和学生一起从生活中寻找事例，加以“改造”后进行研究。如“高空坠物”事件，如果本地和其他地区相比，重力加速度有所不同，是否会对事件的结果造成明显的影响？然后设计并开展实验。又如，学生在生活中见到过汽车追尾等事故，也可以进行物体运动加速度的实验，并和相关的交通法规或注意事项相结合，进而认识到法律法规在物理学上的合理性以及物理知识的重要价值。

六、 指向深度探究的高中物理实验教学实践策略

（一）积极进行实验前期准备

在实验教学的具体实践中，高中物理教师首先要采取策略，进行积极的实验前期准备，使得物理实验的教学设计能够落到实处。有建构主义理论提出，学生认知的发展需要理性与感性的结合，学生要在特定环境下的社会文化互动中调动既有的知识经验，完成对知识的内化和认知的建构。如果将实验室作为特定环境，实验中的师生及生生互动作为社会文化互动，那么学生在进入实验之前的准备工作就是为学生积累所必需的知识经验。教师对此要予以充分重视，认识到实验的探究性并不是要求学生在进入实验之后才展开探究。

以加速度与力、质量的关系实验为例。在这个实验中，学生需要考虑摩擦力的问题。教师在知识教学时应该让学生对此有所认识，为学生在实验中拓展思路思维创造良好条件。比如，教师可以在教学中播放一段4S店销售汽车的视频，视频中的销售人员在介绍“百公里加速”等车况的时候往往还要加上路况，区分不同的情况。教师可以就此向学生提问：从物理学科的角度出发，这些不同的路况中需要考虑的问题有哪些？从而引出“摩擦力”方面的问题。

（二）科学设计明确实验问题

高中物理学科本身具有知识点繁多的特征，学生在学习中会遇到很多重点和难点。为了发挥出深度探究在高中物理实验教学中的作用和潜力，教师应该科学地设计实验教学中的问题，尽量将重点和难点囊括进去。这样学生就可以在实验中自然地联想、理解和吸收重点和难点知识，帮助学生克服困难，实现较好的知识积累和知识体系构建。然而，在设计和呈现问题的具体形式上，教师要认真思考，要让学生能够产生兴趣、主动接受，引起学生自发的思考，并对学生最终解决实验产生线索性和启发性的作用。

以“变交流电”的相关知识为例，在实验中需要学生应用数学知识和物理公式进行一些计算，学生遇到的重点和难点是跨学科的。比如，电热器从直流电源转换到交流电源上，其在相同时间内产生的热量或者产生热量所花费的时间是不同的。根据具体的实验数据，学生可以计算出交流电源的交流电压最大值和有效值。教师通过演示实验让学生注意到这一问题，让学生尝试找到解决这一问题的办法，请学生分享自身对于如何运用相关知识的设想，再进入具体的实验环节中。

（三）直观手段优化学生体验

相较于高中物理的理论知识学习，实验是一种较为直观的手段。但是，这种“直观性”是有限的，学生并不能看到微观世界发生了什么，仍然要靠头脑中的思考和想象把理论知识和实验现象结合起来。为了进一步优化学生的实验体验，教师应该通过各种方法、手段让物理实验更加直观，丰富学生的感官收获。教师也可以尝试针对较为浅显的物理知识，有针对性地设计简单易行的“小实验”，进一步拓展实验教学的空间，激发并保持学生对物理实验的兴趣，体现“物理”对解决现实生活问题的价值。

比如，在学习向心力的相关知识时，教师可以准备一个转盘，在转盘上摆放塑料碗盘，让学生将其想象成饭店的餐桌转盘。然后转动转盘，观察塑料碗盘的圆周运动，尝试进行受力分析。接下来，让学生用手平托课本并转动，使得课本在手上做圆周运动，体会手所感受到的摩擦力，思考和探讨“向心力”是什么。最后则是基于教师提供的道具，用小绳绑着小钢珠在水平桌面上做圆周运动，感受绳子带来的拉力，想一想刚才的思考和探讨结果是否能够解释现在的情况。

（四）鼓励质疑推动实践反思

指向深度探究的高中物理实验教学能够解决以往对学生辩证思维培养不足的问题，教师要在教学策略中鼓励学生质疑和对实践的反思。教师要认识到，学生的质疑不仅要具备不迷信权威的特质，同样不能迷信自己。或者说，学生也要敢于质疑自己，对自己的学习与实践展开反思，而不是以“质疑”的名义只提出对他人的疑问，认识不到自己的错误。教师要促进师生和学生之间在整个学习过程中的平等、開放交流，教会学生如何基于实验与他人展开科学的探讨，能够“用证据说话”。

比如，电学方面的自感实验。学生手拉手接两节干电池，没有任何感觉，请学生提出各种可能的解释；然后，串联一个镇流器，在断开电路的瞬间，学生会有轻微的触电感觉，此时让大家再次提出解释。两次解释，学生提出了各不相同的想法，每个人都有自己的一套“理论”。随后教师将学生分为小组，展开辩论。对于辩论无法解决的分析，鼓励学生自己设计实验，进行验证，用科学作为证据。整个活动结束后，请各小组选出一名代表分享整个过程的学习感受，分享实验的设计思路和结果，并组织小组之间的互相评价等。

七、 指向深度探究的高中物理实验教学注意事项

高中物理知識相对复杂，知识点较多，可以“衍生”出各种实验，也可能导致实验中出现不同的“意外状况”。实验的设计和教师所采取的教学策略，很难顾及所有可能发生的情况。因此，有必要对高中物理实验教学的注意事项进行梳理，确保问题出现时能够得到及时、有效的处理。首先，教师应时刻注意实验的目的是否达成。每次实验教学都要有明确的目的，学生的深度探究要有收获，不能因为“意外”的出现而“忘记”目的，或者出现为了实验而实验的形式主义。

其次，要注意对“是否进行实验”“选择何种方式进行实验”等问题做好选择并及时调整。并非所有的高中物理知识点都适合进行实验，而且在实验的具体形式上也应该有所筛选。一些比较基础的问题，直接由学生自己设计实验并进行探究即可；或者教师在发现这一点后，及时由教师主导的实验设计转为学生的自主设计。如果某部分知识是对学生初中物理知识的简单延伸，而且延伸程度不大，那么也可以不进行实验教学；反之，学生普遍对某个知识点存在理解上的困难，则要尽可能选择通过实验帮助学生实现理解。

再次，实验教学的渐进性。从当前的教育改革趋势来看，促进学生的深度探究是必要的。但学生进入高中之前，已经经历过了从幼儿园到初中的多年学习，他们在以往的学习活动中可能并没有进行过比较深度的探究，主要是参与知识型的教学活动。比如，近年来的幼儿教育“去小学化”以及小学和初中阶段的“双减”。有些高中生并没有经历过上述改革，从幼儿园开始就是被动地吸收知识。他们内心虽然渴望自主、探究，但并不熟悉探究式的学习模式。教师应渐进性地开展实验教学及实验教学改革，不能急于求成。

最后，坚持学生在实验中的自主，而且要实现“教师主导”与“学生主体”的充分融合。或者说，教师在坚持学生自主的同时，要将学生的“自主权”控制在一个合理的程度。一方面，鼓励学生自己设计实验、与同伴进行实验探究或者开展家庭实验等；另一方面，要在必要时对学生进行指导，帮助学生突破学习难点。教师在介入学生的实验过程时，坚持只向学生提出一些问题或线索，对学生进行启发，或者引导不同特点的学生在同一个小组相互交流，而不是直接告知学生解决问题的方法或者问题的答案。

八、 结论

综上所述，指向深度探究的高中物理实验教学是比较复杂的教学活动，对师生双方都提出了较高的要求。希望大家能够对该种教学模式提起足够的重视，认识到其在培养学生物理课程核心素养方面的重要意义，做好相应的教学创新与实践工作，努力取得越来越好的教学效果。

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