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- 江苏省“十三五”教研课题“高中物理实验教学中提升学生‘科学思维’能力的实践研究”
- 2021-09-24 作者：mjs2gzwl 浏览：
核心素养视域下高中物理实验教学中的科学思维培养分析
江苏省泰兴市第二高级中学 虞琴 225400
摘要：自新课程改革实施以来，核心素养逐渐成为学科教学的根本目标，高中物理教学也不例外。高中物理核心素养由“物理观念”、“科学思维”、“科学探究”、“科学态度与责任”四部分组成，其中“科学思维”是其它素养发展的思想支撑，充分体现了物理学科的特点，对培养学生科学素养尤为重要。为此，本文立足核心素养，以高中物理实验教学为例，分析科学思维的具体培养策略。
关键词：核心素养；高中物理实验；科学思维；策略
随着时代科技与经济的飞速发展，国际竞争越来越激烈，其中人才所具备的核心素养是竞争的主要指标之一。在此背景下，我国新课程改革提出了对学科核心素养的培养，要求学生掌握适应个人终身发展和社会发展需要的品质与能力。物理作为一门自然学科，与生产生活存在很大联系，在教育教学中非常重视对学生物理核心素养的培养。科学思维是物理核心素养的组成内容之一，强化学生科学思维发展提高学生思维认知，还有助于激发对科学研究的动机和创新意识，实现对逻辑思维和抽象思维的发展，提高思维迁移能力和问题解决能力。而实验又具有一定探究性和实践性，是思维培养的有效途径。可见，探究核心素养视域下高中物理实验教学中科学思维的培养具有很强的可行性。
{C}一、{C}物理实验教学与核心素养的培养
物理作为一门自然学科，离不开实验探究，很多物理规律和知识本质都是在实验探究中得到的。从理论知识角度来看，物理学科中的大部分概念、规律直接来源于实践，通过对富有感性材料的理解与实践，实现物理概念的建立，理解物理规律，深刻掌握物理观念。从实验教学来看，高中物理实验包括验证性实验、研究性实验、探究性实验以及测量性实验等，学生可以在不同实验中通过对物理现象和过程的观察与分析，构建出物理模型，利用相关证据获得正确数据，促进科学论证、科学推理以及科学思维的发展。从实验探究来看，大多数高中物理实验与生活息息相关，学生可以根据自身生活经验进行自主探究。但生活中的物理现象千变万化，要想实现生活、物理现象与物理知识探究相结合，教师必须引导学生学会从各个角度思考问题、提出问题，并作出合理的猜想，通过制定实验方案、设计实验过程、处理实验数据得出合理结论，验证最初猜想。这一过程，能够促进学生多种学习能力的发展，包括模型构建能力、推理论证能力、科学探究能力等。由此可见，物理实验教学是培养学生核心素养的有效途径。
{C}二、{C}科学思维的具体内容分析
笔者通过参考相关文献总结得出，高中生在物理学习中需要具备的科学思维包括逻辑思维、抽象思维、逆向思维、发散思维、批判思维和创新思维几方面，这六大思维共同组成了科学思维的骨架。在高中物理实验教学中，要想实现对学生科学思维的培养，必须从六大思维的培养入手，在此基础上要善于分析怎样培养科学思维。
科学思维培养的最终目的是提高学生问题解决能力，但实际问题解决与课堂教学问题设计存在一定差别，实际问题存在很大的可变性，为了让学生能够从课堂问题有效过渡到实际问题，学会举一反三，学以致用，离不开对学生思维迁移能力的培养，这些属于科学思维的教学内容。教学实践中要引导学生分析问题情境的相似性，掌握本质，排除干扰信息，筛选核心信息，增强思维灵活性。
思维是一种内化形式，但经过一些培养引导后，会外显为两种形式，分别为学生对思维方法的掌握（分析、推理、论证、批判、质疑、创新）和思维能力的形成（构建物理模型、学会多角度思考、多维度审视、拥有证据意识等）。这两种形式是检验学生科学思维发展水平的有效指标，也是获取问题解决策略的有效途径，物理实验教学中教师要重视对学生思维外化形式的引导和培养，促进思维迁移。
{C}三、{C}高中物理实验分类及科学思维培养分析
{C}（一）{C}探究性实验
探究性实验是新课程改革下的新型实验，操作上具有尝试性，结果具有不定向性，是培养学生科学思维的有效途径之一。人教版高中物理的探究性实验主要包括探究弹簧弹力与变形关系、探究加速度与物体受力和物体质量的关系、探究平抛运动特点、探究向心力大小与半径、角速度和质量的关系等，不同探究性实验中培养学生的思维方向也不同。比如在“探究平抛运动特点”的实验中，通过实验猜想，在实验数据处理过程中渗透的“化曲为直”方法，既体现了抽象思维，又体现了创新思维。
{C}（二）{C}测量性实验
测量性实验主要在获取数据和处理数据中应用比较频繁，并且对数学工具的依赖性比较大。高中物理的测量性实验主要包括测量作直线运动物体的瞬时速度、测量金属丝的电阻率、测量电源的电动势和内阻等，主要集中于对学生逻辑抽象思维、发散思维和创新思维的培养。以“测量作直线运动物体的瞬时速度”实验为例，借助速度计算公式应用平均值法和图像法进行数据处理，具有鲜明的数学特征，能够培养学生逻辑思维。
{C}（三）{C}研究性实验
研究性实验又可以称为启发性实验，实验中教师是主要的操作者，采取启发的方式，诱导学生阐述自己的观点，并做出相应判断。高中物理中的研究性实验包括观察电容器的充电和放电现象、长度的测量以及测量工具的选用等。以“电容器的充放电现象”实现教学为例，要求学生在教师操作结束后，能够从不同角度对观察结果进行描述，提出质疑，促进批判性思维发展。
{C}（四）{C}验证性实验
该实验主要用于验证某一结论的正确性，它与探究性实验相反，是针对已经发现的知识进行“逆向”分析。此类实验在设计和操作选择阶段具有很强的灵活性、逻辑性和创新性，有利于实现对学生发散性思维、逻辑思维和创新思维的培养。高中物理实验中的验证性实验包括验证机械能守恒定律、验证动量守恒定律等。不同实验验证方向不同，实验设计过程也不同，对学生科学思维的培养自然也不同。
四、核心素养视域下高中物理实验教学中培养学生科学思维的策略
（一）创设实验情境，培养学生质疑精神
实验教学离不开情境创设，在情境中学生不仅能够更好地理解知识，还可以实现情感发展。为此，高中物理教师要注重以实验的方式为学生创设一个贴近实际生活的课堂情境，并设计一系列问题，引发学生认知冲突，激发探究意识。实验本身具有很强的实践性和趣味性，能够使学生注意力快速集中。此外，为了让学生在实验探究中处于一种“心求通而未得”的状态，所设计的问题要遵循最近发展区原理，符合学生已有的认知水平，使学生通过独立思考和小组讨论能够得到相关答案，从而促进思维发展。
比如在“探究加速度与物体受力、物体质量的关系”实验中，教师可以采用控制变量法为学生创设不同的情境，情境一：选择相同质量的物理，给予不同的受力，观察加速度变化；情境二：选择不同质量的物体，给予相同的受力，观察加速度变化。让学生分组做实验定性讨论。之后有的学生会提出疑问“不同物体在同一水平面上所受的摩擦力不同，如何消除实验中摩擦力的影响？”这一问题充分体现了学生的质疑精神，有利于思维发展。
{C}（二）{C}强化学生体验，锻炼科学探究能力
在理论知识学习中，学生记住了物理概念和规律，但并不意味着建立了物理观念，能够运用所学知识解释和解决生活中遇到的现象和问题，拥有了科学思维。因此，在高中物理实验教学中，教师仍然需要鼓励学生自主设计实验，亲身投入到实验实践中，锻炼科学探究能力。比如在“测量电源的电动势和内阻”实验中，要引导学生亲自探究。在此之前，学生已经学习过闭合电路欧姆定律，引导学生根据闭合电路欧姆定律的不同表达式，自主设计和制定实验方案，可以选择电压表和电流表，也可以选择电流表和电阻箱等，不限制实验工具的选择，给予学生一定的自由性，使其能够充分发挥自身想象力和探究能力。此外该实验中存在着一定安全隐患，以伏安法测电阻为例，如果电路短路，电路中电流过大，会损坏电表和电池，因此在调节滑动变阻器时要防止电阻为零的情况发生。设计完实验后，鼓励学生进行实验操作，获取实验数据，由欧姆定律公式：U=E-Ir，以I为横坐标，U为纵坐标，做出U-I图像，利用图像法求出电池的电动势和电阻。该实验过程的体验，既锻炼了学生数据处理能力，又培养了分析论证能力和科学探究能力，有利于形成严谨务实的科学态度。
{C}（三）{C}渗透实验方法，培养模型构建思维
实验方法是物理实验开展的有效手段，本质上是处理问题的程式化工具。在物理实验中，实验方法具有一定的隐蔽性，会影响实践中的操作有效性。因此，高中物理教师要注重物理实验方法的渗透，一方面提高学生实验探究能力，另一方面增强实验教学的有效性。学生掌握一定实验方法有利于促进模型构建思维的发展，增强科学思维。
以“化曲为直”的方法为例，该方法主要为了验证牛顿第二定律，将a-m图像变为a-1/m图像后，二者的关系也就由隐形的曲线变为了直观的直线关系，学生再遇到此类问题时，会想到利用“化曲为直”的方法进行解决。再比如“图像法”，该方法是数据处理的常用方法之一，通过选择适当的坐标，以描点画图的方式展现物理量之间的函数关系，分析斜率、截距、所包围的面积，找出物理量之间存在的变化关系，从而构建物理模型。由此可见，实验方法是物理实验教学的灵魂，教师必须帮助学生掌握实验方法，学会从本质属性升华出物理模型。
{C}（四）{C}建立开放性实验，渗透科学技术理念
现代化教育中学科教学不应该再局限于课堂，要善于利用现有条件，构建第二课堂，带领学生走进社会，感受生活。高中物理实验教学也不例外，教师要善于建立开放性实验，让学生根据所要解决的问题自主选择实验仪器，设计实验方案，激发学生学习和研究物理的兴趣与内在动机。通过课外实验，让学生充分意识到物理来源于生活，又服务于生活，从而将自己的生活经验和已有知识相融合，开拓眼界，提高问题解决能力，了解科学、技术与社会之间的关系，逐渐学会从多个角度思考物理实验，促进创新思维发展。
结语：综上所述，核心素养视域下的高中物理教学要注重对学生学科素养的培养，特别是科学素养。教师首先要充分了解科学素养的具体教学内容与价值，并以此为基础，结合具体实验教学内容优化教学策略，提高学生实验学习能力，促进综合思维发展。
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