學(xué)科核心素養(yǎng)本位的物理實(shí)驗(yàn)探究

摘? ?要? ?以物理核心素養(yǎng)為核心，再認(rèn)識(shí)物理實(shí)驗(yàn)中觀察引導(dǎo)的作用和價(jià)值、實(shí)驗(yàn)過程與學(xué)生核心素養(yǎng)的聯(lián)系、實(shí)驗(yàn)中科學(xué)方法顯化的教學(xué)，基于此挖掘和延伸演示實(shí)驗(yàn)的功能，充分發(fā)揮探究性實(shí)驗(yàn)的過程價(jià)值。

關(guān)鍵詞? ?物理核心素養(yǎng)? 高中? 物理實(shí)驗(yàn)

一、物理核心素養(yǎng)內(nèi)涵

2017年版《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)修訂稿（征求意見稿）》指出：物理核心素養(yǎng)是學(xué)生在接受物理教育過程中逐步形成的適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力，是學(xué)生通過物理學(xué)習(xí)內(nèi)化的帶有物理學(xué)科特性的品質(zhì)[1]。簡(jiǎn)而言之，物理核心素養(yǎng)是物理學(xué)科育人價(jià)值的集中體現(xiàn)，是學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要組成部分。

1.物理觀念

物理觀念是關(guān)于物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)與相互作用、能量等的基本認(rèn)識(shí)，是物理核心素養(yǎng)的基礎(chǔ)[1]。物理觀念不僅是以物理知識(shí)為實(shí)體的概念、規(guī)律和物質(zhì)觀、能量觀、運(yùn)動(dòng)觀，它更指物理知識(shí)的內(nèi)化，從物理學(xué)的視角形成對(duì)物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)、能量守恒、相互作用等知識(shí)的認(rèn)識(shí)與理解，進(jìn)而在實(shí)際問題的解決過程中體現(xiàn)。為此，在理解和發(fā)展“物理觀念”核心素養(yǎng)要素時(shí)，注重學(xué)生認(rèn)識(shí)問題、理解知識(shí)的物理視角，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)、正確的知識(shí)內(nèi)化，重視問題解決過程中學(xué)生對(duì)物理觀念的運(yùn)用就更為關(guān)鍵。

2.科學(xué)思維

在物理核心素養(yǎng)中，科學(xué)思維不僅是學(xué)生在認(rèn)識(shí)和解決物理問題時(shí)采用的方式、方法，也是在實(shí)際問題的認(rèn)識(shí)和解決過程中對(duì)思維方法的內(nèi)化以及學(xué)生思考問題時(shí)的思維心向和品質(zhì)。基于此，在理解“科學(xué)思維”時(shí)應(yīng)該把握好其三個(gè)層面的基本內(nèi)容：其一，科學(xué)思維的特征。精確與近似統(tǒng)一、抽象與形象統(tǒng)一是科學(xué)思維的基本特征，這兩個(gè)統(tǒng)一在物理中是常見的。如物理運(yùn)算中數(shù)學(xué)公式的近似處理，研究物理問題涉及到的理想模型，就是在一定條件下對(duì)具體研究對(duì)象進(jìn)行抽象的處理。其二，科學(xué)思維的基本形式。常見的可分為抽象思維、形象思維、直接思維等。在物理學(xué)習(xí)中學(xué)生需要在面對(duì)具體問題時(shí)具備從多個(gè)角度來分析的思維傾向與行動(dòng)自覺，這樣才能形成對(duì)事物個(gè)體、事物之間立體、完整的認(rèn)識(shí)。其三，科學(xué)思維的基本方法。主要有分析綜合、抽象概括、比較與分類、邏輯推理等。在物理核心素養(yǎng)視角下，“科學(xué)思維”的內(nèi)容還包括模型建構(gòu)、理想化方法、推理論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等。

3.科學(xué)探究

科學(xué)探究是通過問題提出、猜想假設(shè)、信息獲取與處理、得出結(jié)論、陳述交流、反思評(píng)價(jià)等一系列過程最終獲取科學(xué)知識(shí)的主要方法。在中學(xué)物理課程中主要以“探究性實(shí)驗(yàn)”為載體，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究的能力?；诖耍瑥?qiáng)調(diào)以下幾點(diǎn)在理解“科學(xué)探究”中容易忽視的內(nèi)容：其一，在科學(xué)探究結(jié)論中形成的知識(shí)在一定階段是正確的。隨著科學(xué)探究的深入，這個(gè)結(jié)論可能被擴(kuò)展和完善，也可能發(fā)生截然相反的變化。其二，科學(xué)探究的過程價(jià)值，重視探究過程中學(xué)生對(duì)科學(xué)方法的學(xué)習(xí)以及各項(xiàng)探究能力的發(fā)展。其三，在“科學(xué)探究”過程中保持有效的表達(dá)和交流。如實(shí)驗(yàn)在小組合作模式下進(jìn)行，這是提升科學(xué)探究質(zhì)量和效率的關(guān)鍵，也是促使學(xué)生獲得科學(xué)探究素養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)。

4.科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

相比三維課程目標(biāo)中的“情感態(tài)度與價(jià)值觀”，“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”素養(yǎng)加入了科學(xué)本質(zhì)、社會(huì)責(zé)任方面的內(nèi)容，同時(shí)對(duì)科學(xué)態(tài)度做了更為豐富的闡述和要求，強(qiáng)調(diào)對(duì)科學(xué)知識(shí)的理解。讓學(xué)生認(rèn)同并理解科學(xué)是可變的事實(shí)，作為認(rèn)識(shí)世界的方式之一科學(xué)不可能解決所有問題，也不能為所有問題提供完整的答案，科學(xué)知識(shí)的正確性受諸多客觀條件的限制，在一定時(shí)間范圍內(nèi)科學(xué)知識(shí)保持相對(duì)穩(wěn)定[2]?？茖W(xué)研究本質(zhì)、科學(xué)事業(yè)本質(zhì)兩個(gè)層面內(nèi)容則更宜于結(jié)合該核心素養(yǎng)中“科學(xué)態(tài)度”與“社會(huì)責(zé)任”進(jìn)行理解。這樣就能把科學(xué)研究與研究者需具備的態(tài)度、品質(zhì)緊密聯(lián)系起來。

二、物理核心素養(yǎng)視角下的物理實(shí)驗(yàn)

1.物理實(shí)驗(yàn)中的觀察與引導(dǎo)

實(shí)驗(yàn)中學(xué)生通過感官、憑借實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備收集有關(guān)物理現(xiàn)象和數(shù)據(jù)時(shí)就是在做觀察。在科學(xué)研究里實(shí)驗(yàn)觀察講究真實(shí)、準(zhǔn)確，即如實(shí)反映所感知的事物。而在中學(xué)物理教學(xué)或是實(shí)驗(yàn)探究中實(shí)驗(yàn)觀察與教師設(shè)置的觀察目標(biāo)聯(lián)系得更為緊密，課堂中不乏類似于“抓住與觀察目標(biāo)有關(guān)的主要內(nèi)容”的觀察引導(dǎo)，在有限的課堂時(shí)間里，這種有目的的觀察引導(dǎo)有助于學(xué)生正確獲得觀察對(duì)象的有關(guān)信息和準(zhǔn)確結(jié)果，但過于強(qiáng)調(diào)“引導(dǎo)”容易造成依賴的心理和獨(dú)立觀察能力不足的現(xiàn)象。如，沒有老師的“指示”不知從何處著手觀察，懷疑自己所觀察到的現(xiàn)象是否“正確”等。在這種過于強(qiáng)調(diào)目的和“引導(dǎo)”的實(shí)驗(yàn)觀察里容易對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)觀察能力的形成造成負(fù)面的影響。

物理教學(xué)從各種實(shí)驗(yàn)中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)觀察能力，這種能力既是物理核心素養(yǎng)中科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度的具體表現(xiàn)，又是構(gòu)建學(xué)生核心素養(yǎng)發(fā)展實(shí)踐框架的基礎(chǔ)。因此，教師應(yīng)該把這項(xiàng)能力的培養(yǎng)從簡(jiǎn)單的追求教學(xué)效率、輔助知識(shí)獲取的思維定勢(shì)和價(jià)值取向中跳脫出來。允許學(xué)生在實(shí)驗(yàn)觀察中有可能的失誤，但要和學(xué)生強(qiáng)調(diào)觀察中客觀嚴(yán)謹(jǐn)、全面細(xì)致的重要性。留意并糾正學(xué)生只觀察既定目標(biāo)的有關(guān)現(xiàn)象，或只觀察一些現(xiàn)象來印證自己觀點(diǎn)的行為。

2.物理實(shí)驗(yàn)過程

以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)是物理教學(xué)的基本觀點(diǎn)。但認(rèn)識(shí)并發(fā)揮“實(shí)驗(yàn)過程”的價(jià)值和功能卻存在著理論與實(shí)踐的差異。在物理教學(xué)過程中，實(shí)驗(yàn)?zāi)転閷W(xué)生提供符合認(rèn)識(shí)物理規(guī)律的環(huán)境，培養(yǎng)學(xué)生手腦并用的能力，能幫助學(xué)生掌握基本的科學(xué)方法，形成穩(wěn)定、持久的科學(xué)態(tài)度、科學(xué)精神等。這些能力、方法、品質(zhì)的形成與實(shí)驗(yàn)過程相伴而行，密不可分。但在實(shí)踐中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否“正確”被放在了更重要的位置上，從而忽略了學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中的體驗(yàn)以及實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)的積累。

在物理教學(xué)中，對(duì)實(shí)驗(yàn)過程的認(rèn)識(shí)與定位應(yīng)放在以培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng)為目標(biāo)的追求上。以探究性實(shí)驗(yàn)為例，一個(gè)完整的實(shí)驗(yàn)包括提出問題、猜想與假設(shè)、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)操作與數(shù)據(jù)記錄、得出結(jié)論、分析論證、評(píng)價(jià)與交流。實(shí)驗(yàn)結(jié)果只是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄與轉(zhuǎn)換，嚴(yán)格意義上它甚至不能等于實(shí)驗(yàn)結(jié)論，只是在實(shí)際教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)結(jié)論的內(nèi)涵與意義常被簡(jiǎn)化并等同于實(shí)驗(yàn)結(jié)果[3]。重視和發(fā)揮實(shí)驗(yàn)過程的作用需要對(duì)實(shí)驗(yàn)的每一個(gè)環(huán)節(jié)有具體的要求和評(píng)價(jià)，以實(shí)驗(yàn)問題的提出環(huán)節(jié)為例，問題要探究的是從現(xiàn)象中尋找特征，還是找出不同現(xiàn)象的特征之間的聯(lián)系，或是推斷實(shí)驗(yàn)中一個(gè)變量如何對(duì)另一個(gè)變量產(chǎn)生影響。判斷學(xué)生的猜想與假設(shè)是否合理，引導(dǎo)學(xué)生從自己提出的問題中得出假設(shè)，等等。

3.物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中科學(xué)方法的顯化

科學(xué)課程整體上是由科學(xué)知識(shí)和科學(xué)方法組成的，通過科學(xué)方法揭示科學(xué)知識(shí)的獲取與運(yùn)用過程，并對(duì)科學(xué)知識(shí)在科學(xué)技術(shù)發(fā)展中的作用進(jìn)行解讀，有助于學(xué)生智力發(fā)展與知識(shí)體系構(gòu)建之間的平行與同步?！墩n標(biāo)》針對(duì)學(xué)科特征提出“科學(xué)思維”的素養(yǎng)要求，并在其中指出學(xué)習(xí)物理應(yīng)具備的“分析綜合、抽象概括、比較與分類、邏輯推理等”科學(xué)方法。

物理實(shí)驗(yàn)作為學(xué)生學(xué)習(xí)物理的一種基本方法和途徑，有利于物理科學(xué)方法教育的融入和滲透。以“歐敏定律”的教學(xué)為例，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)步驟如下：如何研究問題（實(shí)驗(yàn)法）→如何實(shí)驗(yàn)（控制變量法）→如何分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（圖像法）→如何得出定律表達(dá)式（經(jīng)驗(yàn)公式法）[3]。從上述過程可以看出科學(xué)方法已經(jīng)體現(xiàn)在知識(shí)認(rèn)知的過程中，但在這個(gè)過程中學(xué)生對(duì)科學(xué)方法的感悟一般是零星的、非連續(xù)的，因此這就需要教師有意識(shí)地在實(shí)驗(yàn)中將其顯化。在科學(xué)方法顯化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師引導(dǎo)學(xué)生分析選擇合理的科學(xué)方法，同時(shí)闡明所采用的科學(xué)方法的名稱、內(nèi)涵、使用條件，這樣學(xué)生在學(xué)習(xí)知識(shí)與方法就不在是孤立的散點(diǎn)，而是由具有一定線索的路徑和邏輯構(gòu)成[4]。需要注意的是在科學(xué)方法顯化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中方法的傳授與思維方法的融合極為重要，重視學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中思維體驗(yàn)與訓(xùn)練才能將科學(xué)方法內(nèi)化到個(gè)體的認(rèn)知結(jié)構(gòu)中，形成借助科學(xué)方法獲取科學(xué)知識(shí)的心理定勢(shì)。

三、物理實(shí)驗(yàn)促進(jìn)核心素養(yǎng)發(fā)展的探索

1.演示實(shí)驗(yàn)的功能演化與延伸

演示實(shí)驗(yàn)通常由教師在課堂上結(jié)合教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行。通過演示實(shí)驗(yàn)引入教學(xué)，同時(shí)可以指導(dǎo)學(xué)生觀察和分析物理現(xiàn)象，獲得生動(dòng)的感性認(rèn)識(shí)，從而更好地理解和掌握物理概念和定律，演示實(shí)驗(yàn)不應(yīng)該僅是教學(xué)引入的條件和附庸。

在高中物理《光的反射與折射》中，常見這樣類似的演示實(shí)驗(yàn)情景：“在一個(gè)空燒杯中放置一支筷子，透過燒杯觀察筷子，然后在燒杯中加入一定量的水，此時(shí)，再透過燒杯觀察筷子?！痹谶@個(gè)演示實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生幾乎給出相同的觀察結(jié)果——筷子“折斷”了。教師得到和預(yù)設(shè)一致的回答，順勢(shì)引出折射的概念，進(jìn)而進(jìn)入到下一個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，該演示實(shí)驗(yàn)就此完成了它所有的“使命”。事實(shí)上這個(gè)演示實(shí)驗(yàn)原本有更為豐富的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：其一，觀察放置在空燒杯中的筷子，置于燒杯內(nèi)那部分筷子實(shí)際上會(huì)比漏在燒杯外的部分粗。其二，觀察逐漸向燒杯加水的過程，水位不同，觀察到的折射現(xiàn)象也有差別。當(dāng)水較淺時(shí)，杯中筷子折斷下端向左;當(dāng)水適中時(shí)，上下兩段筷子連接在一起;當(dāng)水較深時(shí)，筷子折斷向右。這些有變化和差異的“折射”現(xiàn)象雖然對(duì)于初學(xué)者具有一定難度，但是卻可以將其作為折射知識(shí)學(xué)習(xí)的課后拓展，引導(dǎo)學(xué)生深入探究物理現(xiàn)象，運(yùn)用物理知識(shí)。

2.發(fā)揮探究性實(shí)驗(yàn)過程的價(jià)值

從探究性實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)要素來看，它具有與自然科學(xué)探究相似的實(shí)驗(yàn)特征。兩者都遵循一定的程序，采用有秩序的和可重復(fù)的過程，運(yùn)用邏輯框架做解釋和預(yù)測(cè)，其目的都表現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)并描述事物之間的關(guān)系[4]。據(jù)此，我們可以認(rèn)為它在培養(yǎng)和構(gòu)建學(xué)生物理核心素養(yǎng)上有著天然的優(yōu)勢(shì)，它應(yīng)該能從科學(xué)觀念、科學(xué)思維、科學(xué)操作等多個(gè)層面讓學(xué)生有切身的認(rèn)識(shí)和體驗(yàn)，而不僅僅是獲得關(guān)于這些問題的標(biāo)準(zhǔn)答案和缺乏系統(tǒng)、規(guī)范的操作過程。

以探究性實(shí)驗(yàn)“實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)”環(huán)節(jié)的應(yīng)用為例，在這個(gè)過程中讓學(xué)生主動(dòng)參與、積極思考實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中如何把課本知識(shí)與科學(xué)方法和思維的運(yùn)用聯(lián)系起來。其一，探究過程的描述。這是在進(jìn)行探究性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中要做的第一件事，學(xué)生只有在這個(gè)基礎(chǔ)上才能進(jìn)一步有根據(jù)地思考實(shí)驗(yàn)需要做哪些設(shè)計(jì)？應(yīng)該觀察什么？做哪些測(cè)量？何如測(cè)量？其二，識(shí)別變量。變量是科學(xué)探究中將會(huì)改變的事物的特征。明確實(shí)驗(yàn)中的獨(dú)立變量（在實(shí)驗(yàn)中可以有目的地改變）和非獨(dú)立變量（隨實(shí)驗(yàn)條件的變化而改變）是幫助學(xué)生提升實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力的首要內(nèi)容。探究性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容會(huì)隨著問題的不同而變化，但是辨別出問題中的變量卻是有法可循的。其三，操作性定義變量。這是做科學(xué)探究最重要的一部分，清楚地定義變量能讓別人明白你在做什么研究，同時(shí)也有助于別人復(fù)核實(shí)驗(yàn)，看在相同的條件下是否能得到相同的結(jié)果[4]。在探究性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，以上所列三點(diǎn)注重的是科學(xué)方法的顯化以及學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中的學(xué)習(xí)。

3.基于生活的探索性實(shí)驗(yàn)的啟發(fā)

在挖掘探索性實(shí)驗(yàn)過程中側(cè)重從學(xué)生已有的知識(shí)體系出發(fā)，緊密聯(lián)系生活中的物理經(jīng)驗(yàn)、自然現(xiàn)象或物理課本中的拓展知識(shí)，注重實(shí)驗(yàn)題目新穎與適度之間的平衡。例如，以自然現(xiàn)象為選題來源的“陽光透過樹蔭成像的探究”。提到這個(gè)現(xiàn)象學(xué)生第一反應(yīng)就是物理中的小孔成像。但是，學(xué)生卻很少去思考樹蔭下這些圓形的光斑和非圓形光斑是怎樣形成的。實(shí)驗(yàn)中讓學(xué)生觀察現(xiàn)象，描述觀察到的現(xiàn)象，而后引導(dǎo)學(xué)生提出具有探究?jī)r(jià)值的問題，如：探究樹蔭形成圓形光斑和非圓形光斑的原因和條件，思考在日環(huán)食的自然現(xiàn)象下，這些光斑是否會(huì)發(fā)生變化，嘗試用實(shí)驗(yàn)結(jié)論測(cè)太陽的直徑。在上述探索性實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生通過觀察、描述現(xiàn)象進(jìn)而提出有價(jià)值的探究問題，在主動(dòng)探究中將科學(xué)方法和科學(xué)思維進(jìn)行合理的運(yùn)用，體會(huì)探究和知識(shí)之間的關(guān)系，從而真正做到把物理知識(shí)與科學(xué)方法以及科學(xué)本質(zhì)的學(xué)習(xí)融合起來，在有意義的實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)現(xiàn)物理核心素養(yǎng)的養(yǎng)成。

參考文獻(xiàn)

[1]教育部基礎(chǔ)教育課程教材專家工作委員會(huì)普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)修訂組.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（征求意見稿）[M].北京：人民教育出版社，2016.

[2] 胡衛(wèi)平.物理學(xué)科核心素養(yǎng)的內(nèi)涵與表現(xiàn)[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2017，46（8）.

[3] 邢紅軍.物理教學(xué)論[M].北京：北京大學(xué)出版社，2015.

[4] 張軍鵬，許桂清.中學(xué)物理科學(xué)探究學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)與案例[M].北京：北京大學(xué)出版社，2010.

[作者：羅潔（1986-），女，云南昆明人，西華師范大學(xué)物理與空間科學(xué)學(xué)院，講師，碩士。]

【責(zé)任編輯? 孫曉雯】