基于科学探究方法的高中物理教学研究

张帆

摘 要：科学探究法在高中物理课堂中的应用，有助于体现学生的主体地位，锻炼学生分析、解决问题的能力，提高课堂教学实效性，培养学生科学探究的核心素养。文章首先分析了基于科学探究法的高中物理教学设计原则，提出了科学探究法应用的流程；主要包括教学目标的确定、探究问题的提出、理论探究、实践探究、应用拓展五个部分。以“向心加速度”相关知识的教学为例，对具体的实施过程进行了分析，可以为科学探究法在高中物理课堂中的应用提供参考借鉴。

关键词：科学探究法；高中物理；课堂教学

《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》指出，高中物理课程要培养学生科学探究意识，提高学生通过观察实验发现问题、提出假设，并通过设计探究方案获取证据的能力；要指导学生能够遵循探究方案，使用多种方法、手段处理信息，描述和解释探究结果；同时，要提高学生的交流意愿和能力，使其能够准确地表述、评估和反思探究的过程与结果。为实现这一教学目标，教师必须注重科學探究方法在高中物理教学中的应用，培养学生的科学探究能力[1]。但是，在目前的高中物理教学中，部分教师更强调高考要求的内容，缺少和实践之间的联系；注重知识点的讲解，缺少学习方法、技巧的指导；师生交流互动的效率低下，缺少科学探究的过程。而学生学习主动性和积极性低下，更多被动接受教师的讲授，未能主动思考和主动提问，知识转化和应用的效果较差。因此，基于课程标准的教学目标和高中物理课堂教学的现状，应用科学探究的方法，改善课堂教学的效果，培养学生科学探究意识和能力尤为重要[2]。

一、基于科学探究法的高中物理教学设计

（一）教学设计的基本原则

1.科学性原则

物理是一门科学性较强的学科，其中很多概念、规律和实验结果都需要通过科学探究来获得。因此，教学设计要遵循科学性的原则。首先，提炼出需要解决的科学问题，然后设计科学的探究环节，再应用科学的探究方法，最终得到科学的结果和结论。

2.主体性原则

教师要发挥学生在科学探究中的主体地位，要转变自身的角色，强化教学指导，加强交流沟通；引导学生参与科学探究过程，进行主动思考学习和合作交流，真正将课堂交给学生。

3.层次性原则

依据建构主义理论，学生学习的过程是知识建构的过程，由于不同学生的知识能力各有差异，因此，知识建构的结果有所不同。教师要重视学生的层次差别，合理安排探究性活动，在探究环节要针对不同层次的学生进行教学干预和架构指导，使不同层次的学生都能够在科学探究中有所收获。

4.系统性原则

科学探究是一个系统过程，涉及教师和学生的参与，信息化教学工具和多种教学资料的应用，因此教师必须从教学目标出发，合理安排科学探究活动，客观公正进行教学评价，最终形成一个系统的科学探究物理课堂。

（二）教学设计的主体思路

1.教学目标的确定

教学目标的确定，首先要对课标进行分析。教师教学目标制订要结合具体的教学内容，同时也要结合课程标准的要求。其次，教师要对教材内容进行分析。教材是教师教学的主要工具，教师对教材的理解和重难点的把控，关乎学生学习目标制订的准确性和科学性。最后，要对学情进行分析。教师要充分考虑到不同层次学生认知能力的差异和基础能力的差别，要选择合适的分层教学方法，根据学生的学习兴趣、学习习惯、认知水平设计教学活动。

2.探究问题的提出

探究问题的提出是探究实践的第一步，需要教师创设一定的问题情境，包括以下几种方式。（1）复习知识，创设问题情境。教师可以在带领学生回顾旧知识的过程中，创设问题情境，使学生通过思考，提出探究问题。（2）利用多媒体，创设问题情境。多媒体可以呈现有趣的实验现象和自然现象，为学生的实验探究创设问题情境。（3）通过演示实验，创设问题情境。教师可以通过生动的教具展示物理现象，引导学生进行观察和思考。（4）联系生活实际，创设问题情境。教师可以让学生充分发挥自己的想象，举生活中的例子来验证知识，使学生主动联系实际，思考问题。（5）通过物理模型，创设问题情境。教师可以通过物理模型将抽象的概念变成具体的实验，让学生进行自主实验探究。

3.基于问题的猜想与假设

基于问题的猜想与假设可以分不同的情境。（1）基于学生已有的知识，进行猜想和假设。由教师给出一个问题，让学生大胆地进行猜想，尽可能地说出多种可能性。（2）设置认知冲突，使学生进行猜测和假设。需要教师引入与学生自身认知矛盾的情境，使学生进行猜测和假设。（3）创设物理情境，引导学生进行猜想和假设。在讲解平抛运动时，教师可以通过多媒体向学生展示不同初速度的弹丸，在空中运动的路线，学生根据速度和路线变化之间的关系，探究影响平抛运动水平和垂直位移的因素。（4）通过类比法，进行猜想和假设。通过两个对象的相似属性，推断出其他可能相似的属性。例如，当学生学习了重力势能的表达式后，可以类比猜测动能的影响因素，包括物体自身的质量以及物体运动的速度。

4.探究并得出结论

探究并得出结论主要有理论探究和实践探究两个部分。（1）理论探究，需要学生明确探究的原理，还要明确理论探究过程中的数学知识；此外，还要明确理论探究的环节。最后得出结论后，需要进行分析论证，验证理论探究前的猜想和假设，当结论和猜想不符合时，需要进行重新探究。（2）实践探究，需要明确实践探究的原理，然后制订详细的实验计划，控制好影响因素，通过科学的实验设计进行探究。在实验探究的过程中，要记录好实验数据，收集相应证据；通过对实验数据进行分析，得出相应的结论。同时也要注重对实验探究的结果进行评估和交流，进一步完善实验探究的方案，尽可能地避免人为的影响因素，减小科学探究的误差。最后，小组要形成实验报告，进行完整的总结。

5.知识的应用

在参与科学探究的过程中，学生对物理原理、科学探究方法、科学探究过程有了清晰认识。因此，在学习新的知识或问题时，教师可以引导学生将掌握经验、方法进行迁移应用，提高学生的科学思维和拓展应用能力；使学生能够应用科学探究得到的结论；或者通过简单的物理模型，实现对重难知识点的理解和实际问题的解决。

二、基于科学探究法的高中物理教学实践

以向心加速度教学设计为例，对基于科学探究法的高中物理教学进行实践探究，具体设计内容如下。

（一）教学目标的确定

教学目标的确定可以分为五个方面的内容。1.课标的分析。课程标准对向心加速度的要求，使学生能够理解速度的变化量。在匀速圆周运动中，速度大小不变，但是方向发生变化，并由此引出向心加速度。2.教材的分析。本节课教材对向心加速度的物理意义进行了重点讲解，但是由于知识较为抽象，学生对向心加速度的理解不够清晰。因此，教师首先要指导学生通过理论探究推导公式，然后通过问题情境启发学生思考，最后进行巩固练习。3.学情分析。高中生对物体受力和运动有了一定的了解，学习向心加速度时，首先要理解加速度的概念，但是这阶段学生缺乏科学的学习方法，抽象思维能力和逻辑推理能力有待发展，因此要注重理论、实践科学探究方法的应用。4.基于科学探究的教学目标。向心加速度教学的目标在于帮助学生认识向心加速度，能够解决向心加速度相关的问题。此外，要帮助学生掌握向心加速度的物理原理，掌握科学探究的方法和过程；培养学生科学探究思维以及分析解决问题的能力。5.明确教学的重难点。重点在于理解向心加速度的概念原理和公式，难点在于分析向心加速度方向的变化并进行应用。

（二）教学实施过程

1.创设情境，提出问题

为了帮助学生更好地理解向心加速度的概念和物理原理，教师需要创设相应的情境，提出具体的问题，引导学生进行科学探究。此环节教师的主要活动在于带领学生回顾之前学习的内容，即带领学生回顾物体运动状态和受力之间的关系，回顾力是改变物体运动状态的主要原因[3]。基于回顾的知识内容，教师可以分析做圆周运动的物体必然会受到向心力，其中，最简单的圆周运动是匀速圆周运动，那么匀速圆周运动会受到哪些力的作用？受力的方向会如何变化？在提出问题后，教师要提供现实的情境，可以通过多媒体向学生展示地球绕太阳做公转的运动，带领学生分析地球会受到什么力的作用，受力的方向如何变化？再通过具体的物理模型进行演示，可以通过细线和圆球在光滑的桌面上做圆周运动，分析小球的受力情况，探究合力的方向。通过实践探究，学生会发现小球做匀速圆周运动的方向会一直变化，进一步可以提出加速度的大小和方向如何变化的问题。通过该部分的设计，学生能够在具体的问题情境中，把握学习的重点和难点，并通过自我思考为科学探究和猜想假设奠定基础。

2.基于问题的猜想和假设

学生已经掌握向心加速度的基本概念和物理原理，但是影响圆周运动加速度大小和方向变化的影响因素，仍然需要学生基于问题进行猜想和假设。教师的活动在于引导学生探究直线运动加速度的大小和方向，教师可以展示加速和减速两个状态下加速度的大小和方向。然后通过数形结合，让学生探究做匀速圆周运动的物体，在某一时间段内，走过某一弧段距离的角度变化和速度变化。学生通过探究会发现，物体运动的速度大小未发生变化，但是速度的方向时刻发生变化。例如，物体在A点运动的速度为VA，方向圆相切，物体在B点运动的速度为VB，方向圆相切，教师可以将两个方向的速度，通过平移构建一个三角形，两个长边为VA和VB，夹角为?θ，第三个边是?V，并通过速度变化量结合加速度的公式计算匀速圆周运动的加速度，使学生猜测假设加速度大小与什么因素相关，方向如何变化。

3.理论探究

理论探究部分在于帮助学生推导向心加速度大小计算的公式。在理论探究的过程中，教师要善于引導学生利用VA，VB，?V构建的三角形和?OAB的相似性，并利用极限的思想探究。当?t非常小时，?AB距离很小，根据相似三角形原理，可以得到?V的表达式，再与?t相比，就得到了向心加速度的公式。探究出向心加速度的公式后，教师要引导学生去探究向心加速度的方向，通过理论探究发现：向心加速的方向始终指向圆心。也就是任何位置速度变化量?V在?t非常小时，方向和VA的方向垂直，并且指向圆心，因此向心加速的方向指向圆心。

4.实践探究

实践探究是让学生通过科学的探究过程，真正理解和掌握知识点的过程。在探究向心加速度的科学探究实验时，首先，要对学生进行小组划分，让学生根据科学探究的目标制订一份科学探究计划，并对实验进行设计。其次，带领学生共同讨论，向心加速度探究实验所需要用到的教学用具，可以调控速度的电动马达，小球，细线等教具；在准备好教具后，让学生按照实验计划进行实验，记录下电动马达的转速，观察小球的运动状态；结合具体的实物，将小球在不同位置的速度，速度方向画在图纸上进行分析。在实验的过程中，教师要有意引导学生通过控制电动马达转动的速度，改变细线的长度，进行实验探究，记录下不同实验条件下的线速度和细线长度。再次，教师要指导分析讨论小球转动的状态，通过数形结合的方法，探究小球做匀速圆周运动的向心加速度公式（这一步和理论探究相似），得到理论分析结果后，和其他小组同学进行讨论，进行评估交流[4]。最后，学生可以利用分析的公式计算不同线速度和半径长度下的向心加速度。为了更加清晰地让学生认识到向心加速度的方向，教师可以组织学生准备滑轮鞋，两人一组体验匀速圆周运动的过程，真实体验向心加速度的方向时刻朝向圆心。通过科学的探究过程和有趣实验，学生学习的积极性得到了提高，学生体验有所增强，能够逐渐掌握科学探究的方法和过程，也能够为后续的学习打下良好基础[5]。

5.应用拓展

在应用与拓展部分，教师可以举例自行车两个齿轮转动的实际问题，让学生探究不同位置线速度的比值周期的比值和向心加速度的比值。通过应用拓展问题的设计，可以让学生对向心加速度和角速度的关系，以及向心加速度和线速度的关系，有进一步的理解和巩固。

结束语

科学探究法是物理课堂学习的有效教学方法，有助于锻炼学生的科学思维和分析问题，解决问题的能力。在应用科学探究法构建高效物理课堂时，教师要基于课标、教材和学情确定具体的教学目标，要把握课程教学的重难点，在实施的过程中要做好情境创设、假设理论探究、实践探究和应用拓展等教学环节，发挥好科学探究对学生核心素养培养和关键能力形成的作用。

参考文献

[1]马育英.高中物理教材中科学探究素养的呈现方式及教学实践[J].数理化解题研究，2023（30）：89-91.

[2]马怀美.探究性学习模式在高中物理教学中的应用[J].数理化解题研究，2023（30）：104-106.

[3]董超，孙辉.基于科学探究的高中物理实验教学设计：以“单摆”为例[J].中学物理，2023，41（19）：37-40.

[4]王和平.以科学探究为载体培养学生物理核心素养的策略[J].中学课程辅导，2023（27）：78-80.

[5]汪鹏，郭振，柴志方.指向科学探究的高中物理教学设计：以“曲线运动速度方向”为例[J].物理通报，2023（7）：73-77.