(陜西省安康市教學研究室,陜西 安康 725000)
科學探究對于培養(yǎng)學生學科核心素養(yǎng)意義重大,然而在陜南多所高中調研發(fā)現(xiàn):作為科學探究的實踐載體——實驗教學一直是中學物理教學的薄弱環(huán)節(jié),存在課時安排不足、教學組織單一、探究能力偏差、弱化傾向普遍等問題,沒有體現(xiàn)實驗教學在提高學生核心素養(yǎng)方面的價值。如何有效發(fā)揮實驗教學的作用,提升實驗教學效益?從2016年10月起,我們開始了中學物理“探 做 析”實驗教學課題研究,通過融入科學探究思想,重構教學組織環(huán)節(jié),推動中學物理實驗教學改革。
科學探究包括問題、證據(jù)、解釋、交流等要素,其內涵為:(1) 科學探究是獲取科學知識的主要途徑,是通過多種方法尋找證據(jù),運用創(chuàng)造性思維和邏輯推理解決問題,并通過評價與交流等方式形成共識的過程。(2) 科學探究需要圍繞焦點問題設計研究方案,通過收集和分析信息獲取證據(jù),經過推理得出結論,并通過有效的表達與他人交流探究結果和觀點。(3) 通過科學探究形成的科學知識在一定階段是正確的,但是隨著新證據(jù)的增加,會不斷完善,甚至會發(fā)展變化。(4) 科學探究不僅是一種綜合能力,而且是學習物理的主要方式,在科學探究中,發(fā)展學習能力、思維能力、實踐能力和創(chuàng)新能力,以及運用科學語言與他人交流和溝通的能力。
中學物理實驗教學具有明確的目的性、系統(tǒng)的探究性、科學的育人性,成為科學探究教學中最直接、最有效的形式。物理實驗對于建立物理觀念、內化概念規(guī)律、培養(yǎng)探究能力、認識科學本質具有重要的作用,同時物理實驗也是發(fā)展科學思維、培養(yǎng)科學態(tài)度(好奇心與求知欲、實事求是、追求創(chuàng)新、合作分享)的關鍵途徑。
我們課題組選擇從優(yōu)化實驗教學組織方式入手,提出實驗教學的主要流程為“探 做 析”三環(huán)節(jié),其教學框架如圖1所示。
圖1
第一環(huán)節(jié)“探”:探究方案,評估優(yōu)選。是指在教師的引導下,學生小組(個體)遵循安全性、精確性、可行性原則,對某一個物理實驗進行猜想和假設,進而提出操作方案,各小組的方案在組間評價過程中進一步完善。具體探究評估順序可為探原理、探器材(裝置)、探步驟、探證據(jù)記錄方式等,基本流程如圖2。本環(huán)節(jié)的核心素養(yǎng)培育目標為:深刻理解物理原理,正確建構物理模型,嚴密論證設計方案,勇于質疑創(chuàng)新。
第二環(huán)節(jié)“做”:操作獲證,體驗感受。學生按照優(yōu)選的實驗方案分工協(xié)作,動手操作,基本流程如圖3。本環(huán)節(jié)核心素養(yǎng)培育目標為:培養(yǎng)動手操作意識,掌握基本操作規(guī)范,養(yǎng)成良好操作習慣,培育合作學習精神。
第三環(huán)節(jié)“析”:分析歸納,反思提高。完成實驗操作之后,引導學生分析實驗證據(jù),總結實驗結論;反思實驗過程,評價實驗成效;檢測實驗成效,放大實驗效果。其流程如圖4,本環(huán)節(jié)核心素養(yǎng)培育目標為:培養(yǎng)學生的問題意識,學生有解決問題的愿望;培養(yǎng)學生的證據(jù)意識,運用理性思維推理論證,質疑創(chuàng)新;培養(yǎng)學生的合作分享意識,通過討論交流,解決問題。
圖4
2.3.1 問題誘導原則
學生對于物理實驗興趣保持時間較短,對于實驗方案的初期構想往往也過于發(fā)散,缺乏方向性,提出的實驗方案通常帶有很強的理想化色彩,與實際操作諸如實驗環(huán)境、實驗器材、實驗操作的可行性等有較大距離。因此,教師需要通過情境創(chuàng)設、問題誘導等教學活動,引導其向著理性化方向發(fā)展,同時要營造民主、平等的氛圍,促進學生充分發(fā)揮想象。
2.3.2 適度參與原則
在學生提出方案構想、制定實施方案、分組操作實踐的過程中,教師要參與到小組的具體活動當中,體會學生思維“短板”、觀察小組活動開展情況、指導問題解決、協(xié)調成員角色互換,充當好參與者和觀察者角色,要“到位”而不能“越位”,可提出建議,但不可過多干預甚至替代學生制定方案或動手操作,切忌越俎代庖。
2.3.3 層次遞進原則
《普通高中物理課程標準》(2017年版)將學業(yè)質量水平劃分為五個等級,在制定“探 做 析”實驗教學目標時,要對照“科學探究”質量水平描述,進行遞進設計,對于初次接觸實驗的中學生要進行適當培訓,從水平2起步,逐步提升。
課題組歷時近兩年,完成了高中物理力學實驗“探 做 析”三環(huán)節(jié)兩輪次教學實踐探索,總結出了相對成熟的“探 做 析”實驗學案設計模式與教學組織流程,現(xiàn)以“探究恒力做功與動能變化的關系”為例,展示實驗教學實踐。
本節(jié)課之前學生已經學習了功、功率、動能等概念,能夠理解并計算合力做功、物體動能,并有運動學規(guī)律、牛頓運動定律、曲線運動等知識鋪墊,知道合力做功與動能變化之間存在著聯(lián)系。
“探究恒力做功與動能變化的關系”的教學過程如表1所示。
在“探 做 析”三環(huán)節(jié)實驗教學實施過程中,實驗方案設計、評估優(yōu)選環(huán)節(jié)可謂百花齊放,學生思維活躍、爭先恐后,學習小組選擇方案并優(yōu)化完善,展示交流精彩紛呈,評估優(yōu)選據(jù)理力爭,現(xiàn)摘選主要實驗方案展示如下。
(1) 重物(或小球)做自由落體運動
圖5
(2)重物拖動小車(或滑塊)在水平面上做勻加速直線運動
圖6
圖7
有小組通過改變實驗器材,利用力傳感器、兩個光電門傳感器,同樣可探究WAB與ΔEk的關系(如圖7)。
中學物理“探 做 析”實驗教學旨在以實驗教學為載體,讓學生經歷提出科學問題、形成猜想和假設、設計實驗與制定方案、獲取和處理信息、基于證據(jù)得出結論并作出解釋等,完整體驗科學探究過程,發(fā)揮科學探究對于學生物理觀念的形成、科學思維的培養(yǎng)功能,進而使學生形成對科學、技術、社會、環(huán)境應有的正確態(tài)度和社會責任感。
“探 做 析”實驗教學三環(huán)節(jié),與科學探究主要內容“問題、證據(jù)、解釋、交流”存在著緊密的內在聯(lián)系(如圖8),科學探究的具體內容在“探做 析”實驗教學各個環(huán)節(jié)中均有滲透,通過引導學生開展自主合作探究,培養(yǎng)學生學科核心素養(yǎng),取得良好效果,教師的教育教學理念和教學組織方式發(fā)生了很大轉變,學生探究實驗的興趣明顯增強,教學質量也同步提高。
圖8
當然,欲使“探 做 析”實驗教學扎實推進、切實有效,還需把握好選擇性、漸進性,在持續(xù)推進中深入研究,真正體現(xiàn)“教師主導、學生主體”,把科學探究的思想方法滲透到教學活動中去,最終達到預期的教學效果。