科學精神物理實驗教學實踐與探索

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摘要：科學精神是一種重要的核心素養，但在物理實驗教學中常常被忽視.為此，開展了通過理性思維，發展學生的邏輯推理能力；批判質疑，提高學生問題解決能力；勇于探究，培養學生實驗設計能力的實踐與探索.

關鍵詞：科學精神；物理實驗；理性思維

科學精神是指學生在學習、理解、運用科學知識和技能等方面形成的價值標準、思維方式和行為表現，具體包括理性思維、批判質疑、勇于探究等基本要點，[1]是六大核心素養之一.物理是一門以實驗為基礎的學科，物理實驗是培養學生科學精神的顯性載體.但在實際教學中許多教師僅把實驗理解成使用和操作測量工具、儀器設備以驗證定律的一項教學手段，而忽視學生理性思維、批判質疑、勇于探究等科學精神的培養.為此，開展了基于教材實驗及實驗拓展而進行的科學精神培養的實踐與探索.

一、理性思維，發展學生邏輯推理能力

理性思維要求邏輯清晰，能運用科學的思維方式認識事物、解決問題、指導行為等.理性思維是一種建立在證據和邏輯推理基礎上的思維方式，庫恩認為，理性思維是智力發展的最終目標，教育的核心在于發展學生的思維，尤其是理性思維.[2]在物理實驗教學中，教師可通過引導學生開展邏輯推理來培養學生的理性思維，達到深度學習科學知識的目的.如在探究阿基米德定律時，得出的結論是“浸在液體里的物體，受到向上的浮力，浮力的大小等于物體排開的液體受到的重力，即F浮=G排液=ρ液gV排液.對于F浮=G排液是通過實驗得出的結論，而對于F浮=ρ液gV排液，教材沒有呈現其推理過程，為此，教師可鼓勵學生進行邏輯推理，其過程為：由于F浮=G排液，G排液=m排液g，得出F浮=m排液g，由于m排液=ρ液V排液，得出F浮=ρ液gV排液，以此可訓練學生的理性思維.另外又如牛頓第一運動定律是在實驗基礎上進一步推理得出，焦耳定律既可通過實驗來探究，也可由電功公式來進一步推導得出，以此來訓練學生的理性思維.教師也可創設新的實驗情境，引導學生來分析推理，從而培養學生的理性思維.如圖1是研究電動機轉動時對小燈泡亮度是否產生影響的實驗，可讓學生先動手操作：抓住轉動軸，然后合上開關，觀察小燈泡的發光亮度，接著放開轉動軸使電動機轉動，觀察此時小燈泡的亮度變化，實驗結果表明，電動機轉動后，小燈泡會變暗.由此實驗也可引導學生通過邏輯推理進行分析.其過程為：不轉時W電動=Q電熱，得出UI1t=I12(R+r)t，推理得出I1=UR+r，轉動時W'電動＞Q'電熱，得出UI2t＞I22(R+r)t，推理得出I2＜UR+r，比較得出I2＜I1，燈泡變暗.RUr圖1美國國家科學研究理事會（NRC）指出，“參與科學推理”的過程會讓學生的科學思維得到發展，同時促進對科學知識的理解，理性思維有助于提高學生觀察、比較、分析、綜合、推理、抽象與概括等能力，是物理深度學習的應然，并且教師也可通過物理建模等方式來培養學生的理性思維.

二、批判質疑，提高學生問題解決能力

批判質疑的重點是：具有問題解決意識，能獨立思考、獨立判斷，思維縝密，能多角度、辯證地分析問題，做出選擇和決定等.思維的批判性是指思維過程中善于嚴格地估計思維材料和精細檢查思維過程的良好品質.[3]教師在實驗教學中不僅要積極鼓勵學生質疑，發展學生的批判性思維，并且也要致力于問題的解決，培養學生問題解決的能力.如在探究電流與電壓關系的實驗中，教師可先讓學生自主設計探究方案，然后選擇典型方案組織學生開展討論，鼓勵學生開展評價，提出質疑，對于該實驗學生設計了如圖2、圖3、圖4三種方案，教師可引導學生評價三種方案的優劣.4有學生認為圖3比圖2好，理由是圖3中的定值電阻可保持阻值不變而小燈泡的電阻要發生變化，有的學生則認為圖4比圖3好，理由是圖4滑動變阻器可調節，便于多次實驗，但有一位學生提出質疑，認為如果滑動變阻器損壞了，利用圖3電路只要改變電源也能完成多次實驗.通過對教材實驗的質疑，不僅有助于發展學生的批判性思維，而且也有利于學生實驗設計能力的提高.同時，對于學生提出的質疑，教師也要重視，積極引導學生開展進一步探究，解決學生疑問，如在學習探究影響滑動摩擦力大小的因素后，有學生仍質疑：重力越大，滑動摩擦力越大.于是教師鼓勵學生在查閱資料的基礎上以研究性學習的形式設計如圖5所示的探究實驗，并操作如下：①將鐵塊放置在木板上，在沙桶中加入適量細沙，記錄壓力傳感器示數，然后水平向左拉木板，記錄拉力傳感器的示數.②對于同樣的鐵塊，通過增減細沙量，使壓力傳感器讀數不同，記錄拉力傳感器讀數，發現對同一鐵塊，隨著壓力變化，拉力傳感器讀數也隨之變化.③換用接觸面粗糙程度相同、質量不同的鐵塊，通過增減細沙量，使壓力傳感器讀數相同，記錄拉力傳感器讀數，發現對于不同質量的鐵塊，壓力相同時，拉力傳感器讀數也相同.圖5根據二力平衡條件，可知滑動摩擦力大小與拉力傳感器讀數相同，通過多次實驗，可得出滑動摩擦力大小與重力無關，與壓力有關的結論.批判性思維不僅表現為善于判斷事物的是非與正誤，也表現在能縝密地分析問題，能增強學生對各種信息的辨別能力.通過對物理實驗質疑，鼓勵學生提出問題，有助于學生批判性思維的培養，而且在學生質疑基礎上開展的問題解決，有利于學生創新和實踐能力的培養.

三、勇于探究，培養學生實驗設計能力

勇于探究的重點是：具有好奇心和想象力，能不畏困難，有堅持不懈的探索精神，能大膽嘗試，積極尋求有效的問題解決方法等.科學課程標準指出，科學探究活動是培養科學觀念與能力的重要途徑，也是培養創新精神與實踐能力的有效手段.[4]10實驗設計能力是重要的一項探究能力，教師要充分利用教材實驗，聯系學生生活實際，引導學生開展探究.如在學習液體壓強時，教材實驗探究了液體對容器底部、側壁有壓強，探究了液體壓強與液體深度、密度有關，不僅如此，還可以作業形式要求學生能否自主設計實驗來探究液體的壓強.學生設計了許多新穎的實驗方案，其中有一組實驗方案別出心裁，如圖6所示.在玻璃容器中間用隔板均分為兩部分，用薄橡皮膜封閉，以此可探究液體對容器側壁產生壓強，也可探究液體壓強與深度、密度有關.圖6科學課程標準指出，科學探究的教學僅憑課堂教學是不夠的，應將其延伸到課外綜合實踐活動中去，[4]37教師要緊密聯系學生生活實際，基于學生探究興趣，開展科學探究.如某學生發現“為何漂浮在水面上的竹筷一般都是橫躺著而不是豎直的”開展探究，以內含金屬塊的中空細塑料管模擬竹筷進行實驗探究，如圖7所示，在一根底端封閉的中空細塑料管內的不同位置，固定一個質量適當的金屬塊，然后豎直放置到水中，觀察它是否能保持豎直，通過實驗可得出結論：相同條件下，細管重心位置相對于底端距離越小，細管越有可能在水中豎直漂浮.在探究實驗設計時，教師要引導學生結合探究目的和要求，選擇簡易可行的生活用品作為器材，運用合適的實驗方法，設計科學的探究方案，進而提高學生實驗設計能力，發展學生的創造性思維品質.圖7物理實驗是建立在證據和理性思維基礎上的探究活動，在開展物理實驗活動過程中，我們不僅要關注通過實驗得出科學結論，培養學生的動手操作能力，而且我們更應關注把理性思維貫穿于整個實驗活動之中.我們不僅要以教材實驗為本，也要積極拓展物理實驗，在實驗活動中，鼓勵學生質疑，及時引導學生開展探究，注重學生思維能力的發展，致力于學生探究和實踐能力的培養.

參考文獻：

[1]中國學生發展核心素養研究成果正式[N].中國教育報，2016-09-13（6）.

[2]楊銘，劉恩山.在生物學課堂中培養學生理性思維[J].生物學通報，2017（8）：12-16.

[3]相佃國.中學化學教學中批判性思維研究[J].化學教育，2005（7）：32-33，36

[4]中華人民共和國教育部.科學課程標準[M].北京：北京師范大學出版社，2011.

作者:沈偉云 單位:嵊州市教體局教研室