丁煥平 趙崢

摘 要：依據(jù)“物理學(xué)科核心素養(yǎng)學(xué)習(xí)診斷內(nèi)容的（3+2）×3 框架”命制診斷性測試題，基于診斷發(fā)現(xiàn)的科學(xué)探究教學(xué)問題，結(jié)合科學(xué)探究的二級指標(biāo)提出三個方面的教學(xué)建議：創(chuàng)設(shè)問題情境，做出有依據(jù)的假設(shè)，激發(fā)探究欲望;設(shè)計實驗方案，提升學(xué)生解決問題的能力;基于證據(jù)進(jìn)行解釋和評估，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維.

關(guān)鍵詞：科學(xué)探究;學(xué)習(xí)診斷;精準(zhǔn)教學(xué)

中圖分類號：G633.7 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B ? ? 文章編號：1008-4134（2021）11-0014-04

為了切實有效地促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)和教師教學(xué)的改進(jìn)，提高教學(xué)的針對性，落實核心素養(yǎng)，北京教科院物理教研團(tuán)隊開發(fā)了“物理學(xué)科核心素養(yǎng)學(xué)習(xí)診斷內(nèi)容的（3+2）×3 框架”，診斷物理學(xué)科“教與學(xué)”存在的問題，并期望基于診斷從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式等方面為教學(xué)實踐提出改進(jìn)建議[1].

表1為2019年11月對北京市某校409名高三學(xué)生進(jìn)行紙筆測試的結(jié)果.從測試結(jié)果可以看出學(xué)生的整體科學(xué)探究能力偏弱.聚焦科學(xué)探究的二級指標(biāo)（表2）發(fā)現(xiàn)，學(xué)生設(shè)計與操作得分率稍高一些，但仍低于其他一級指標(biāo)得分率，而學(xué)生解釋與評估能力最弱.

科學(xué)探究是人類探索和了解自然、獲得科學(xué)知識的主要方法，是提出科學(xué)問題，形成猜想和假設(shè)，獲取和處理信息，基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋，以及對科學(xué)探究過程和結(jié)果進(jìn)行交流、評估、反思的能力.科學(xué)探究主要包括問題、證據(jù)、解釋、交流四個要素.《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》把“科學(xué)探究”作為學(xué)科核心素養(yǎng)之一提出，科學(xué)探究既是學(xué)習(xí)內(nèi)容，也是學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的主要方式，還是一種綜合的、關(guān)鍵的科學(xué)能力和素養(yǎng).本文根據(jù)物理學(xué)科核心素養(yǎng)診斷性測試反映出來的具體問題，對照（3+2）×3框架中基于認(rèn)知過程的科學(xué)探究二級指標(biāo)體系[2]，對科學(xué)探究教學(xué)提出針對性教學(xué)建議.

1 創(chuàng)設(shè)問題情境，做出有依據(jù)的假設(shè)，激發(fā)探究欲望

科學(xué)探究診斷測試發(fā)現(xiàn)：學(xué)生基于事實依據(jù)進(jìn)行猜想、分析相關(guān)事實或結(jié)論的能力較弱，提不出或不能準(zhǔn)確表述可探究的物理問題，但是學(xué)生基于問題，依據(jù)公式的猜想和推理能力較強(qiáng).

概括起來，主要原因包括兩個方面：一是學(xué)生在遇到新的問題情境時，不能準(zhǔn)確表達(dá)可探究的物理問題，做出有依據(jù)的猜想，知識遷移能力比較弱;二是學(xué)生缺乏探究的興趣，自主探究的意識不強(qiáng).

任何有意義的學(xué)習(xí)一定發(fā)生在學(xué)生思維充分活躍的情境下，學(xué)生在主動的思考下經(jīng)常地運用科學(xué)的思維方法與方式去解決實際問題[3]，久而久之就會激發(fā)學(xué)生的探究欲望，提升學(xué)生的思維品質(zhì)和知識遷移的能力.為了培養(yǎng)學(xué)生的問題意識、合理猜想為探究指明方向的思維習(xí)慣，在科學(xué)探究過程中，創(chuàng)設(shè)合適的問題情境尤為重要，下面以兩個教學(xué)片段為例進(jìn)行說明.

1.1 創(chuàng)設(shè)問題情境，引起認(rèn)知沖突，激發(fā)學(xué)生的探究欲望

電阻測量中電流表內(nèi)、外接選擇一直是學(xué)生的難點，因此在教學(xué)中，可以先讓學(xué)生畫出伏安法測量電阻的電路圖，絕大多數(shù)同學(xué)基于初中的前概念畫出了圖1所示的電路圖.教師按照學(xué)生設(shè)計的電路圖連接電路，用電阻箱作為待測電阻（事先遮蓋住電阻箱的示數(shù)）.學(xué)生讀取電壓表和電流表的示數(shù)并計算出待測電阻的測量值約為1500Ω.揭開電阻箱的遮蓋物，學(xué)生發(fā)現(xiàn)電阻箱的真實值是3000Ω.對比測量值和真實值，學(xué)生認(rèn)為可能是電阻箱出現(xiàn)了故障，教師用萬用表粗測電阻箱阻值確實約3000Ω.基于實驗事實，教師提出問題：結(jié)合之前學(xué)過的串并聯(lián)電路知識以及電壓表、電流表的電路結(jié)構(gòu)，猜測造成如此大誤差的原因是什么？通過該實驗情境設(shè)計，引發(fā)了學(xué)生的認(rèn)知沖突，激發(fā)了學(xué)生的探究欲望.學(xué)生認(rèn)知的不平衡性會激發(fā)他們的求知欲和好奇心，并產(chǎn)生解決這種認(rèn)知矛盾以求得心理平衡的需要，從而促使學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)的同化和順應(yīng).所以說，通過問題情境，引發(fā)認(rèn)知沖突，是充分調(diào)動學(xué)生探究欲望的必要手段.

1.2 創(chuàng)設(shè)問題情境，科學(xué)推理進(jìn)行合理猜想

物理教學(xué)中，猜想的價值顯而易見，它能夠有效激活學(xué)生的想象力，是建立在物理知識基礎(chǔ)上，由觀察到的物理現(xiàn)象延伸而來的創(chuàng)造性思維過程.“猜想”不是憑空想象，它是一種合情推理，既有邏輯思維參與其中，也有直覺、想象的因素，屬于綜合程度較高的一種認(rèn)識過程.如在探究影響平行板電容器電容因素的教學(xué)中，教師給平行板電容器充電，學(xué)生觀察到與平行板并聯(lián)的靜電計指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)（如圖2）.教師提出問題：觀察該電容器構(gòu)造，猜想影響平行板電容器容納電荷本領(lǐng)的因素有哪些？并說明理由.學(xué)生通過思考討論不難猜想影響電容器容納電荷本領(lǐng)的因素有：平行板的正對面積;板間距離以及絕緣介質(zhì).理由是平行板的正對面積越大，電容器容納電荷的本領(lǐng)越強(qiáng);由庫侖定律定性分析可知，增加平行板間距離，正負(fù)極板的電荷吸引力變小，電容器容納電荷的本領(lǐng)變?nèi)?保持平行板正對面積和板間距離不變，由C=QU可知增加電容器帶電量的同時，電容器兩極板間的電壓也會升高，高電壓會擊穿電容器，而在兩平行板間插入絕緣介質(zhì)可以有效地解決該問題.教師在提出問題時為猜想指明了方向：第一要觀察平行板電容器的結(jié)構(gòu);第二是猜想哪些因素決定了電容器容納電荷的本領(lǐng).通過教師的引導(dǎo)，使學(xué)生體會猜想要從解決問題出發(fā)，結(jié)合原有的知識和平行板電容器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理推理.因此，要在物理教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的猜想能力，就要增強(qiáng)學(xué)生面對新的客觀事實時，學(xué)會仔細(xì)觀察、調(diào)用原有知識和經(jīng)驗在其中尋找與原有經(jīng)驗和知識相似的特征，并嘗試推理對它作出解釋.

2 設(shè)計實驗方案，提升學(xué)生解決問題的能力

科學(xué)探究診斷測試發(fā)現(xiàn)：學(xué)生能基于簡單的真實情境問題設(shè)計實驗.但在面對實際問題，設(shè)計復(fù)雜的探究方案進(jìn)行操作的能力還有待提高.

讓學(xué)生參與探究方案的設(shè)計，嘗試把探究課題分解為幾個相對獨立的小問題，思考解決每個問題的不同方法，根據(jù)現(xiàn)實條件選擇適當(dāng)方法構(gòu)思探究計劃;從原理、器材、信息收集技術(shù)、信息處理方法等各方面形成探究計劃;通過查詢相關(guān)資料和同伴討論完善探究計劃.學(xué)生在設(shè)計方案的過程中不斷地發(fā)現(xiàn)問題、思考解決問題的方法，提升處理復(fù)雜問題的能力.

2.1 學(xué)生參與演示實驗的設(shè)計過程

例如，以往自感現(xiàn)象教學(xué)中，教師演示通、斷電自感現(xiàn)象，學(xué)生觀察實驗現(xiàn)象，教師引導(dǎo)學(xué)生解釋實驗現(xiàn)象背后的原因.這樣的教學(xué)使學(xué)生處于被動地觀察和思考的地位，抑制了學(xué)生的探究欲望，束縛了學(xué)生能力的發(fā)展.為此，我們改進(jìn)了教學(xué)方式，變學(xué)生被動接受為主動參與，參與演示實驗的設(shè)計過程.下面以通電自感現(xiàn)象教學(xué)為例進(jìn)行說明.

2.1.1 提出問題，形成猜想

教師提出問題：圖3中，閉合電鍵時，通過線圈的電流增大，線圈中是否會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢？如果產(chǎn)生，請判斷感應(yīng)電動勢方向？這個感應(yīng)電動勢會產(chǎn)生什么效果？學(xué)生利用學(xué)過的電磁感應(yīng)知識分析：閉合電鍵時，線圈產(chǎn)生與電流方向相反的感應(yīng)電動勢，預(yù)測這個感應(yīng)電動勢會阻礙電路中電流的增加.

2.1.2 設(shè)計實驗電路驗證預(yù)測

教師讓學(xué)生設(shè)計實驗驗證猜想，大部分學(xué)生會設(shè)計如圖4所示的電路，把一個燈泡與線圈串聯(lián)，預(yù)測閉合電鍵時燈泡會逐漸變亮.教師按照圖4連接電路演示實驗，學(xué)生卻沒有觀察到期待的現(xiàn)象出現(xiàn)或者有延遲現(xiàn)象但不明顯.隨后教師提出問題：在此方案基礎(chǔ)上，如何改進(jìn)實驗方案驗證猜想.

學(xué)生思考后設(shè)計出對比實驗方案（如圖5），并考慮對比實驗的控制條件，即閉合電鍵，電路穩(wěn)定后調(diào)整滑動變阻器使兩燈泡亮度一致.斷開電鍵，再次閉合電鍵演示實驗，學(xué)生觀察發(fā)現(xiàn)：燈泡L2立刻變亮，而與線圈串聯(lián)的燈泡L1逐漸變亮，猜想得到驗證.

讓學(xué)生參與演示實驗的設(shè)計過程，把實驗?zāi)康暮涂茖W(xué)探究假設(shè)聯(lián)系起來[4]，讓學(xué)生體會實驗方案實際上就是對假設(shè)進(jìn)行檢驗的具體計劃，使學(xué)生能夠根據(jù)探究的假設(shè)來思考實驗?zāi)康暮蜅l件.

2.2 學(xué)生自主設(shè)計多種方案進(jìn)行分組實驗探究

例如，2019年新人教版自由落體運動一節(jié)中，在“毛錢管”演示實驗后，教材提出問題：自由落體運動是加速運動.那么，它的加速度在下落過程中是否變化呢？教材安排了圖6實驗裝置的方案.為了開拓學(xué)生的思維，培養(yǎng)學(xué)生實驗設(shè)計的能力，在教學(xué)中，我們安排了讓學(xué)生自主設(shè)計多種方案進(jìn)行科學(xué)探究.例如，以問題串的形式引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實驗方案：

（1）如何判斷一個物體是否做勻變速直線運動？

（2）實驗中需要記錄哪些物理量？

（3）選用什么器材？

（4）實驗步驟有哪些？

（5）如何記錄和處理數(shù)據(jù)？

（6）如何控制條件減小空氣阻力的影響，使物體的運動更接近自由落體運動？

（7）如何減小實驗誤差？

學(xué)生通過小組討論和查閱資料，結(jié)合實際條件，提出了4種可行的方案.

方案一（如圖6）：用打點計時器研究自由落體的運動規(guī)律.讓重物自由下落，借助打點計時器在紙帶上記錄重物下落不同時刻的位置.用刻度尺測量重物的位移，若滿足連續(xù)相等時間內(nèi)位移的增量為一定值，即Δx近似為一常數(shù)，說明自由落體是勻加速直線運動;或作v-t圖像，看是否可以擬合成一條直線.

方案二（如圖7）：用頻閃照相研究自由落體的運動規(guī)律.讓帶有頻閃光源的重物自由下落，調(diào)整手機(jī)的曝光時間，將光源不同時刻的位置記錄在同一張照片中.用傳感器軟件logger pro3.8.7處理實驗數(shù)據(jù)，將光源運動的時間和對應(yīng)位移記錄在Excel表格中，繪制位移—時間圖像，擬合數(shù)據(jù)，如果位移隨時間滿足二次函數(shù)關(guān)系，說明自由落體是勻加速直線運動.或作v-t圖像，看是否可以擬合成一條直線.

方案三（如圖8）：用光閘記錄自由落體的運動規(guī)律.讓一金屬窄條自由下落，用傳感器軟件記錄金屬條通過不同光閘的時刻和瞬時速度，繪制速度—時間圖像，擬合數(shù)據(jù)，如果速度隨時間滿足一次函數(shù)關(guān)系，說明自由落體是勻加速直線運動.

方案四：用手機(jī)軟件“phyphox”內(nèi)置的“acceleration”功能，可以定量測量手機(jī)加速度隨時間變化的關(guān)系.如果手機(jī)自由下落時間內(nèi)加速度為一定值，說明自由落體運動是勻加速直線運動.

對剛上高一的學(xué)生來說，自主設(shè)計方案進(jìn)行實驗探究具有一定的挑戰(zhàn)性：第一，學(xué)生需要靈活運用學(xué)過的知識，思考判斷物體做勻變速直線運動的方法;第二，學(xué)生需要學(xué)會查閱資料，包括閱讀課本、上網(wǎng)查閱文獻(xiàn)等，和同伴討論完善方案;第三，學(xué)生需要思考實驗步驟以及實驗的控制條件等;第四，學(xué)生需要學(xué)會使用信息技術(shù)記錄數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù).學(xué)生能力的發(fā)展，是和他們學(xué)習(xí)中的相關(guān)行為聯(lián)系在一起的.要發(fā)展某種能力，就必須經(jīng)歷相關(guān)的過程.學(xué)生正是在自主設(shè)計實驗的過程中，學(xué)會把復(fù)雜問題進(jìn)行分解各個擊破，從而提升自身實驗設(shè)計的能力.

3 基于證據(jù)進(jìn)行解釋和評估，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維

科學(xué)探究診斷測試發(fā)現(xiàn)：學(xué)生整體實驗解釋與評估能力處于中等偏下水平，學(xué)生雖能較好地對實驗進(jìn)行評估和改進(jìn)，但基于數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、歸納、總結(jié)結(jié)論的能力還有待提高.而且，學(xué)生的解釋能力更為薄弱，有很大的提升空間.

以往教學(xué)中，學(xué)生往往關(guān)注證據(jù)的收集，而忽視了基于證據(jù)進(jìn)行解釋和評估的過程.而解釋與評估的過程是一個知識內(nèi)化和反省的過程，在此過程中，學(xué)生要將觀察和實驗的結(jié)果與自己已有的知識經(jīng)驗聯(lián)系起來，借助于分析、推理提出問題或原因，并在實驗證據(jù)和論證的基礎(chǔ)上建立概念間的聯(lián)系，形成已有知識和當(dāng)前所獲證據(jù)的一致，提升科學(xué)思維品質(zhì)，完善物理觀念.因此，教學(xué)中應(yīng)該給學(xué)生創(chuàng)造更多的機(jī)會，基于證據(jù)進(jìn)行解釋和評估，培養(yǎng)學(xué)生良好的思維習(xí)慣.

例如，在以往斷電自感現(xiàn)象教學(xué)中，教師演示實驗，斷開電源時，學(xué)生觀察到與線圈并聯(lián)的燈泡閃亮一下后再熄滅，隨后教師解釋燈泡閃亮的原因.這樣的教學(xué)過程讓學(xué)生處于被動的接受而不是主動建構(gòu)的地位，不利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)解釋能力.為此，筆者利用傳感器對教學(xué)過程進(jìn)行了改進(jìn)，主要過程如下.

3.1 提出問題，形成猜想

學(xué)生利用學(xué)過的電磁感應(yīng)知識分析圖3得出：斷開電鍵時，線圈產(chǎn)生與原電流方向相同的感應(yīng)電動勢，預(yù)測這個感應(yīng)電動勢會阻礙電路中電流的減小.

3.2 設(shè)計實驗電路

大部分學(xué)生思考采用通電自感實驗電路（如圖5）來觀察斷電自感現(xiàn)象，部分學(xué)生預(yù)測斷開電鍵時，燈泡L2立刻熄滅，而與線圈串聯(lián)的燈泡L1逐漸熄滅.教師演示實驗，學(xué)生卻觀察到兩燈一起熄滅.為什么實驗現(xiàn)象與預(yù)測不一致呢？

3.3 用電流傳感器獲取證據(jù)，作出科學(xué)解釋

3.3.1 采集數(shù)據(jù)，描述圖像

用電流傳感器替換燈泡L1和L2，采集數(shù)據(jù)圖像如圖9所示.讓學(xué)生描述圖像，獲得數(shù)據(jù)的感性認(rèn)識，明確通電、穩(wěn)定和斷電過程中流過線圈的電流I1和流過電阻R的電流I2的變化規(guī)律.

3.3.2 解釋通、斷電過程中流過線圈的電流I1和流過電阻的電流I2的變化規(guī)律

通過前面的學(xué)習(xí)，學(xué)生不難解釋流過線圈電流I1的變化規(guī)律.而解釋I2的變化規(guī)律是學(xué)生的難點：首先，要想解釋電路接通時，通過電阻的電流比穩(wěn)定時大，需要學(xué)生調(diào)用全電路歐姆定律和串、并聯(lián)電路知識進(jìn)行推理分析;其次，斷開電源時，為什么通過電阻R的電流瞬間反向隨后逐漸減??？為了突破該難點，教師讓學(xué)生再次觀察斷開電鍵時I1和I2的圖像特點，發(fā)現(xiàn)斷開電鍵時I1和I2的圖像具有非常完美的對稱性.教師采集此過程中任意時刻I1和I2的數(shù)值，發(fā)現(xiàn)它們大小幾乎完全相同，驗證了學(xué)生的觀察，強(qiáng)化了證據(jù)意識.結(jié)合數(shù)據(jù)證據(jù)和串、并聯(lián)電路知識，學(xué)生進(jìn)一步猜測：斷開電鍵時，電源不再給電路供電，線圈充當(dāng)臨時電源并與電阻R構(gòu)成閉合回路，線圈中的電流反向通過電阻，因此燈泡一起熄滅.

3.3.3 改變R阻值，驗證猜想

教師提問：在不改變實驗裝置的前提下，如何改變實驗條件驗證猜想，即斷開電鍵時，線圈充當(dāng)臨時電源與電阻R構(gòu)成閉合回路.學(xué)生提出增大電阻R阻值，當(dāng)電路穩(wěn)定時I1>I2，如果猜測是正確的，斷開電鍵時，反向通過電阻的電流大于穩(wěn)定時通過電阻的電流.增大電阻R阻值，用傳感器記錄數(shù)據(jù)如圖10所示，學(xué)生的猜想得到了驗證.

3.3.4 從能量角度解釋自感現(xiàn)象

教師提問：能否從能量的轉(zhuǎn)化與守恒角度解釋通、斷電自感現(xiàn)象？

通過自感現(xiàn)象的學(xué)習(xí)，學(xué)生體會到自感現(xiàn)象是電磁感應(yīng)現(xiàn)象的特例，“電慣性”本質(zhì)上是能量的轉(zhuǎn)化與守恒在電磁學(xué)中的體現(xiàn).

該探究沿“問題—猜想—設(shè)計實驗預(yù)測結(jié)果—檢驗失敗—傳感器記錄實時數(shù)據(jù)—解釋數(shù)據(jù)再次預(yù)測—改變R阻值再次驗證預(yù)測—從能量角度進(jìn)一步解釋”的思路設(shè)計教學(xué)過程.讓學(xué)生經(jīng)歷理論假設(shè)建構(gòu)科學(xué)解釋的過程，在科學(xué)解釋的過程中培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)推理的能力.

學(xué)生的思維過程是由問題情境產(chǎn)生的，而且以解決問題為目的，學(xué)習(xí)過程本身就是一個不斷提出問題和解決問題、不斷建構(gòu)世界觀和方法論的過程.在學(xué)習(xí)活動中，最重要的不是學(xué)生是否完成了指定的任務(wù)，而是學(xué)生在這個過程中對任務(wù)完成所需要的認(rèn)識、理解、分析、綜合、思維判斷等思想方法的反省以及在這種反省或討論過程中的再認(rèn)識和再總結(jié)[5].因此，科學(xué)探究教學(xué)應(yīng)該加強(qiáng)實驗前、實驗后的猜想、設(shè)計、解釋、分析等思維過程的設(shè)計，加強(qiáng)在實驗教學(xué)中發(fā)展科學(xué)思維能力的培養(yǎng)規(guī)劃.

參考文獻(xiàn)：

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[3]彭前程.物理學(xué)科核心素養(yǎng)的理解與踐行[J].物理教學(xué)，2020，42（02）：6-12.

[4]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[5]廖伯琴.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）解讀[M].北京：高等教育出版社，2018.

（收稿日期：2021-04-10）