摘 要：物理學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的自然學(xué)科，實驗是培養(yǎng)科學(xué)思維的重要途徑之一，它要求學(xué)生具備觀察、提問、假設(shè)、實驗、數(shù)據(jù)分析和結(jié)論推斷等能力.通過科學(xué)思維，學(xué)生能夠從問題出發(fā)，運用邏輯思維和科學(xué)方法進行實驗設(shè)計，從而深入理解物理現(xiàn)象和規(guī)律.本文旨在研究指向科學(xué)思維培養(yǎng)的高中物理實驗，并探索一種基于問題解決和探究性學(xué)習(xí)的實驗設(shè)計策略.

關(guān)鍵詞：科學(xué)思維；實驗教學(xué)；高中物理

中圖分類號：G632 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-0333（2023）36-0086-03

收稿日期：2023-09-25

作者簡介：周旭梅（1987.12-），女，江蘇省如東人，本科，中學(xué)一級教師，從事高中物理教學(xué)研究.

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020修訂）》提出物理學(xué)科核心素養(yǎng)的四個維度，包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

^[1].科學(xué)思維是指以科學(xué)的態(tài)度和方法進行思考和分析問題的能力，主要包括模型建構(gòu)、 科學(xué)推理、 科學(xué)論證、 質(zhì)疑創(chuàng)新等，對于學(xué)生在學(xué)習(xí)和探索物理學(xué)中起著至關(guān)重要的作用.然而，傳統(tǒng)的物理實驗往往以簡單的觀察和測量為主，缺乏對學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)，為了更好地引導(dǎo)學(xué)生運用科學(xué)思維進行物理探究，教師可以通過實驗教學(xué)，使學(xué)生在實驗過程中獲得更深入的物理知識和科學(xué)思維的訓(xùn)練.

1 驗證性實驗：培養(yǎng)科學(xué)論證能力

驗證性實驗的主要目的在于通過觀察實驗現(xiàn)象、分析實驗結(jié)果等方式，驗證對應(yīng)的物理問題，整個過程以學(xué)生為中心^[2].學(xué)生可以學(xué)會提出科學(xué)問題、制定假設(shè)、設(shè)計實驗方案，以及進行數(shù)據(jù)分析和推理，從而培養(yǎng)他們的科學(xué)論證能力.

例如，教學(xué)人教版高三物理選修3-5中16.3《動量守恒定律》時，教師可以開展驗證性實驗來完成教學(xué)目標(biāo).首先，向?qū)W生介紹動量守恒定律的內(nèi)容和表達式，解釋動量是物體的運動特性，動量守恒定律內(nèi)容是：如果一個系統(tǒng)不受外力，或者所受外力的矢量和為0，這個系統(tǒng)的總量保持不變.這就是動量守恒定律.在開始設(shè)計實驗前，教師引導(dǎo)學(xué)生明確物理量，包括速度、動量及質(zhì)量；學(xué)生提出可以使用彈性碰撞實驗來展示動量守恒，需要準(zhǔn)備一個平滑的水平軌道，兩個小球（一個較大、一個較?。┖鸵粋€小球發(fā)射器，以及計時器和測量尺.學(xué)生在教師指導(dǎo)下進行實驗步驟：①在水平面上標(biāo)出一個起點和一個終點，并將直尺固定在起點和終點之間，作為參考線；②將兩個小球放在起點，使它們靜止；③讓一個學(xué)生用手指輕輕推動其中一個小球，使其以一定的速度沿著直尺方向運動；④另一個學(xué)生在小球運動過程中使用停表或者秒表測量小球通過終點的時間；⑤重復(fù)實驗多次，記錄每次小球通過終點的時間；⑥交換兩個小球的位置，再次重復(fù)步驟③～⑤.學(xué)生通過實驗測量和觀察，記錄碰撞前后小球的速度和方向，如圖1所示；使用測量工具測量小球的質(zhì)量，并計算出小球的動量：動量（p）= 質(zhì)量（m） × 速度（v）.學(xué)生進行數(shù)據(jù)計算和比較，發(fā)現(xiàn)“每次實驗中小球的動量都非常接近，幾乎相等.”由此學(xué)生總結(jié)：“根據(jù)動量守恒定律，如果沒有外力作用于系統(tǒng)，小球的動量在實驗過程中應(yīng)該保持不變.因此，通過比較兩個小球在相同起點和終點位置的動量，可以驗證動量守恒定律.如果實驗結(jié)果表明兩個小球的動量相等或非常接近，那么動量守恒定律得到了驗證.”

通過這個驗證性實驗，學(xué)生可以親自進行實驗操作，觀察并分析實驗數(shù)據(jù)，從而更好地理解和驗證動量守恒定律，培養(yǎng)科學(xué)論證能力.

2 推理性實驗：培養(yǎng)科學(xué)推理能力

推理性實驗要求學(xué)生根據(jù)已有的理論知識和實驗觀察結(jié)果進行推理和分析，從而培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)推理能力.這種思維能力包括觀察、提問、假設(shè)、實驗設(shè)計、數(shù)據(jù)分析和結(jié)論推理等方面，能夠幫助學(xué)生更好地理解和應(yīng)用物理知識.

例如，教學(xué)人教版高一物理必修二7.5《探究彈性勢能的表達式》時，教師可以設(shè)計推理性實驗引導(dǎo)學(xué)生探究.首先，教師引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)生活物理現(xiàn)象，結(jié)合已學(xué)知識，進行科學(xué)物理猜想.猜想1：彈簧的伸長或壓縮增加時，彈性勢能也隨之增加；猜想2：彈簧的彈性勢能與其彈性系數(shù)成正比；猜想3：彈簧的彈性勢能與其形變的平方成正比，即當(dāng)彈簧的形變增加時，彈性勢能的增加速度也會增加；猜想4：彈簧的彈性勢能與彈簧的質(zhì)量無關(guān).即不論彈簧的質(zhì)量如何，其彈性勢能都只與其形變相關(guān)，而與質(zhì)量無關(guān).根據(jù)猜想學(xué)生準(zhǔn)備實驗器材，設(shè)計實驗步驟并展開實驗：①將彈簧固定在實驗臺或桌面上，確保其垂直且不搖動；②將質(zhì)量砝碼掛在彈簧的下端，使彈簧發(fā)生形變；③使用標(biāo)尺或尺子測量彈簧的形變長度，記錄下形變長度的數(shù)值；④重復(fù)步驟②～③，使用不同的質(zhì)量砝碼進行實驗，以獲得不同的形變長度數(shù)據(jù)，如圖2所示；⑤計算每個形變長度對應(yīng)的彈性勢能.根據(jù)猜想1，彈性勢能與形變長度成正比；根據(jù)猜想3，彈性勢能與形變的平方成正比；⑥將實驗結(jié)果繪制成圖表，橫坐標(biāo)表示形變長度，縱坐標(biāo)表示彈性勢能.觀察圖表的趨勢和變化關(guān)系；⑦根據(jù)猜想2，彈性勢能與彈簧的彈性系數(shù)成正比.在實驗中，可以更換不同彈性系數(shù)的彈簧進行測試，重復(fù)步驟②～⑥；⑧根據(jù)猜想4，彈性勢能與彈簧的質(zhì)量無關(guān).可以使用不同質(zhì)量的彈簧進行測試，重復(fù)步驟②～步驟⑥.實驗結(jié)束后學(xué)生進行數(shù)據(jù)處理：繪制彈簧受力與伸長量的圖像，橫坐標(biāo)表示伸長量，縱坐標(biāo)表示彈簧受力；通過分析圖像，觀察彈簧受力與伸長量之間的關(guān)系，推導(dǎo)彈簧的彈性勢能表達式為：E=（1/2）kx²，其中E為彈性勢能，k為彈簧常數(shù)，x為彈簧的伸長量.通過比較不同形變長度、彈性系數(shù)和彈簧質(zhì)量下的彈性勢能，可以得出結(jié)論是否支持這些猜想.

這個推理性實驗，可以幫助學(xué)生觀察和理解彈簧形變與彈性勢能之間的關(guān)系，通過實際操作和數(shù)據(jù)分析來驗證他們的猜想，學(xué)生也可以根據(jù)與猜想的對比來理解物理概念，同時還可以培養(yǎng)學(xué)生的實驗設(shè)計和科學(xué)推理能力.

3 研究性實驗：培養(yǎng)質(zhì)疑創(chuàng)新能力

研究性實驗鼓勵學(xué)生獨立思考和創(chuàng)新，要求學(xué)生主動提出問題、進行實驗設(shè)計和數(shù)據(jù)分析等.學(xué)生通過實際操作和實驗數(shù)據(jù)的分析，不斷尋找創(chuàng)新的解決方案，掌握科學(xué)研究的基本過程和方法，這有助于培養(yǎng)他們的創(chuàng)新思維和能力，提高他們對物理的理解和應(yīng)用能力.

例如，教學(xué)人教版高三物理選修3-4中13.1《光的反射和折射》時，教師講授折射定律和折射率的概念后，帶領(lǐng)學(xué)生開展研究性實驗探究光的折射現(xiàn)象與介質(zhì)折射率的關(guān)系如圖3所示，在教師指導(dǎo)下學(xué)生自行設(shè)計實驗步驟：①將直角三棱鏡放置在水平桌面上，并確保其底面與桌面平行；②在毛玻璃板上放置一張白紙，使其與直角三棱鏡的底面接觸；③將激光筆或白色手電筒放置在直角三棱鏡的一側(cè)，使光線垂直射入底面；④觀察光線從直角三棱鏡的底面進入毛玻璃板后的折射現(xiàn)象.使用直尺測量入射角和折射角，并記錄下來；⑤重復(fù)步驟④，但這次在毛玻璃板上放置一層水，再次記錄入射角和折射角，如圖（3）所示；⑥重復(fù)步驟④～⑤，但這次在毛玻璃板上放置兩層水，再次記錄入射角和折射角；⑦根據(jù)測量數(shù)據(jù)計算每種情況下的折射率，折射率的計算公式為：折射率=sin（入射角）/sin（折射角）；⑧比較不同情況下的折射率，并分析實驗結(jié)果.學(xué)生總結(jié)實驗結(jié)果：“實驗顯示，隨著介質(zhì)折射率的增加（通過增加水層數(shù)量），光的折射角度也會增加，這證明了光的折射現(xiàn)象與介質(zhì)折射率之間存在一定的關(guān)系.”教師請學(xué)生分享自己的實驗設(shè)計思路，“這個實驗是通過改變介質(zhì)（毛玻璃板上的水層數(shù)量），測量光線的入射角和折射角，然后計算出不同情況下的折射率.通過對比折射率的變化，可以得出光的折射現(xiàn)象與介質(zhì)折射率之間的關(guān)系.”此外，教師還可以帶領(lǐng)學(xué)生進行實驗拓展，比如可以嘗試使用不同種類的介質(zhì)（如玻璃、塑料等）來重復(fù)實驗，觀察折射率的變化；還可以通過改變?nèi)肷浣嵌葋硌芯抗獾恼凵洮F(xiàn)象與介質(zhì)折射率之間的關(guān)系.

通過以上研究性實驗，學(xué)生可以親自實踐和探究，不斷思考和質(zhì)疑現(xiàn)有的知識，自主設(shè)計實驗方案并解決實驗中遇到的問題，有助于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和實驗技能，提高他們的科學(xué)研究能力和質(zhì)疑創(chuàng)新能力.

4 傳感器實驗：培養(yǎng)模型建構(gòu)能力

傳感器實驗屬于新型物理探究實驗，是現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的產(chǎn)物，能夠讓學(xué)生親自動手操作和使用傳感器設(shè)備，將理論知識應(yīng)用到實際中，增強學(xué)生對物理原理的理解和記憶，幫助他們將抽象的概念轉(zhuǎn)化為具體的實驗操作，培養(yǎng)模型建構(gòu)能力.

例如，教學(xué)人教版高二物理選修3-2中6.1《傳感器及其工作原理》時，教師可以設(shè)計傳感器實驗用溫度傳感器觀察溫度變化.在學(xué)生初步理解傳感器的概念及其工作原理后，由教師指導(dǎo)完成實驗準(zhǔn)備：a. 將溫度傳感器的感測部分放置在待測物體附近，確保它能夠準(zhǔn)確感測到溫度變化；b. 將溫度傳感器的引線連接到電路板上的適當(dāng)接口；c. 確保電路連接正確，并檢查傳感器的工作狀態(tài).學(xué)生進行實驗操作：①熱源或冷源接近溫度傳感器，觀察溫度變化并記錄數(shù)據(jù)；②逐步改變熱源或冷源的距離，觀察溫度的變化趨勢；③記錄溫度傳感器讀數(shù)和相應(yīng)的距離或其他變化因素.實驗結(jié)束后學(xué)生將收集到的數(shù)據(jù)整理成表格或圖表，他們可以選擇記錄溫度的變化速度，或者繪制溫度隨時間變化的折線圖，觀察溫度變化與變化因素之間的關(guān)系，提出假設(shè)并進行討論，解釋實驗結(jié)果.

通過這個傳感器實驗，學(xué)生能夠通過實際操作和數(shù)據(jù)分析來觀察溫度變化，并通過模型建構(gòu)來解釋觀察到的現(xiàn)象，這將培養(yǎng)學(xué)生的實驗技能、數(shù)據(jù)分析能力和模型思維能力，提高他們對物理知識的理解和應(yīng)用能力.

總之，在高中物理課程中開展實驗教學(xué)，可以使物理學(xué)習(xí)更加生動和有趣，鼓勵學(xué)生主動探索和發(fā)現(xiàn)，培養(yǎng)其科學(xué)思維的各個方面，包括問題提出和解決、實驗設(shè)計和數(shù)據(jù)分析等^[3].指向科學(xué)思維培養(yǎng)的物理實驗不僅能夠幫助學(xué)生更深入地理解物理原理，還能夠培養(yǎng)他們的觀察、推理和實驗技能，開發(fā)創(chuàng)新思維，提升實踐能力.

參考文獻：

[1]唐黎明.淺談高中物理課堂經(jīng)歷科學(xué)思維的任務(wù)式教學(xué)[J].物理教師，2020（41）：11-12.

[2]何春森.探討高中物理探究實驗活動類型及思路[J].中小學(xué)物理教學(xué)參考，2019（48）：39-40.

[3]尹慶豐.指向科學(xué)思維培育 構(gòu)建高效物理課堂[J].中小學(xué)物理教學(xué)參考，2020（49）：13-14.

[責(zé)任編輯：李 璟]