基于科學(xué)思維的高中物理實驗教學(xué)研究

王程

高中物理學(xué)科的核心素養(yǎng)主要包括物理觀念和應(yīng)用、科學(xué)探究和交流、科學(xué)思維和創(chuàng)新、科學(xué)態(tài)度和責任，而科學(xué)思維是物理核心素養(yǎng)中非常重要的一項內(nèi)容?？茖W(xué)思維主要指的是人們在進行科學(xué)活動探究過程中對客觀事物真理性的生理、心理認知的過程。實驗教學(xué)是高中物理課程教學(xué)過程中的重要組成部分，對培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維具有重要的作用。本文通過以“電容器的電容”為例，合理設(shè)計實驗過程，以便讓學(xué)生能夠更好地理解和掌握“電容器的電容”這節(jié)內(nèi)容，幫助學(xué)生科學(xué)思維能力得到提升。

一、利用生活資源創(chuàng)設(shè)實驗情境，培養(yǎng)學(xué)生建模新區(qū)

為了能夠讓學(xué)生形成良好的科學(xué)思維，教師可合理地將教學(xué)內(nèi)容與學(xué)生的實際生活經(jīng)驗緊密結(jié)合起來，合理設(shè)計相關(guān)的假說性、推理性和證明性的實踐活動。例如，在進行“電容器的電容”內(nèi)容教學(xué)時，老師可全面了解學(xué)生的認知，積極開展物理實驗探究，讓學(xué)生的建模欲望能夠被充分激發(fā)出來，從而促使學(xué)生形成良好的科學(xué)思維。首先，讓學(xué)生認真思考實際生活中與平行板電容器相關(guān)的物品，構(gòu)建問題化情境，這樣借助生活資源來引出電容器的概念，再開展充電、放電的實驗過程，充分激發(fā)學(xué)生的建模欲望;其次，創(chuàng)設(shè)良好的實驗情境。我們可以通過將感應(yīng)起電機的兩個電極分別與平行板電容器的兩極板相連接，再引導(dǎo)學(xué)生在實驗中轉(zhuǎn)動感應(yīng)起電機，讓兩極板帶電。這樣因一個極板上的細線帶電必須全部保持水平的狀態(tài)，充分說明極板帶電，進一步展示常用的電容器和表示電容器的符號。學(xué)生在良好的課堂氛圍中便能夠直觀地感受到電容器的構(gòu)造、分類、符號，認識到兩個彼此絕緣又相隔很近的導(dǎo)體共同組成一個電容器。

模型構(gòu)建能力是把生活中的問題用物理知識概括出來。學(xué)生學(xué)習物理的過程是學(xué)習物理模型的構(gòu)建，同時也是解決物理問題的過程。高中物理實驗教學(xué)要關(guān)注學(xué)生問題解決能力的培養(yǎng)。在教學(xué)設(shè)計和教學(xué)實施過程中重視情境的創(chuàng)設(shè)讓學(xué)生多動手實驗，不僅可以滿足學(xué)生操作的愿望，更重要的是可以讓學(xué)生不斷體會和嘗到“發(fā)現(xiàn)”和“克服困難、解決問題、獲得成功”的喜悅，從而提高興趣，增強信心，提高了學(xué)生的問題解決能力。

物理模型是對物理原形的高度抽象化和概括化，是物理學(xué)研究的重要思想方法。問題解決能力的提升能使學(xué)生思維能力有更好的發(fā)展，使學(xué)生已經(jīng)具有的直觀思維向抽象思維轉(zhuǎn)化，還能夠根據(jù)已有知識進行推理和論證，使思維能力有了很大的進步;而且具有獨立性、深刻性和批判性，使學(xué)生更加樂于探究，提升學(xué)生核心素養(yǎng)。

二、利用小組探究實驗，引導(dǎo)學(xué)生大膽推理

部分老師在開展實驗教學(xué)的時候主要是由教師來進行演示，學(xué)生只是被動地觀看實驗，而學(xué)生在觀看的過程中卻無法深入感知物理實驗知識，從而制約學(xué)生的科學(xué)思維形成。因此，通過在物理實驗教學(xué)過程中讓學(xué)生采取小組的形式來進行合作探究，讓學(xué)生真正成為課堂學(xué)習的主人，這樣學(xué)生在主動進行物理知識探究的過程中不但能夠很快速地掌握推理論證的方法，而且還能夠有效增強學(xué)生的科學(xué)思維品質(zhì)。

提高學(xué)生創(chuàng)新能力也是發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維的重要方面。物理實驗教學(xué)在培養(yǎng)創(chuàng)新能力上有天然的優(yōu)勢。實驗教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力從調(diào)動興趣入手，從實驗內(nèi)容、方法開始，讓學(xué)生愿意參與到實驗中去，觀察實驗現(xiàn)象，實驗原理的理解、數(shù)據(jù)處理過程都能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。探究性實驗?zāi)苁箤W(xué)生由感性的認識提高到理性的認識，由形象的思維提高到抽象的思維，使學(xué)生思維得到訓(xùn)練，能培養(yǎng)學(xué)生嚴謹務(wù)實的科學(xué)態(tài)度。

在“電容器的電容”這個實驗教學(xué)中，我們可先將學(xué)生合理地分為幾個小組，再讓各個小組的學(xué)生主動去探究認識電容器的方法，而往往學(xué)生的創(chuàng)造力是無窮的。比如，有的小組的學(xué)生通過自主探究，發(fā)現(xiàn)認識電容器的方法可先找一個高壓電容器充電后，再將電容器的兩極短接，這樣在短接放電的瞬間便可以擊穿空氣發(fā)出巨大的聲響;有的小組學(xué)生在進行合作探究的時候，將一個塑料材質(zhì)的紙簍內(nèi)外分別貼上一層錫箔紙，將其做成為一個簡陋的電容器，讓感應(yīng)起電機使之帶電，再移去起電機，將紅黑兩根引線短接，這時便會聽到“啪”的一聲脆響;還有的小組學(xué)生在合作的時候選擇適用兩個金屬餐盤，并在兩個金屬餐盤的中間墊上一層紙，從而讓其組合成為簡單的電容器。這時再在餐盤上放置感應(yīng)起電機的一根引線，通過搖動起電機讓其充電。這個小組的學(xué)生再將起電機移開，而這時學(xué)生的手在接觸到餐盤的時候會產(chǎn)生電擊感。但是，當先放置一個餐盤之后再搖動起電機，當手在接觸到餐盤的時候并不會產(chǎn)生電擊感。然而，這時再將紙和另外一個餐盤放在一起的時候則會出現(xiàn)電擊感;還有一個小組的學(xué)生在進行實驗探究的時候?qū)⒏袘?yīng)起電機的一個菜頓瓶拆下來，再認真地觀察菜頓瓶的構(gòu)造;還有一個小組的學(xué)生在合作探究時通過現(xiàn)場拆解紙質(zhì)的電容器，并使用油浸紙和錫箔紙現(xiàn)場制作紙質(zhì)的電容器。

上面各個小組合作探究的過程主要就是通過放電、電擊感等現(xiàn)場來認識電容器存儲電荷的本質(zhì)。這樣學(xué)生能夠更加直觀清晰地認識到電容器的構(gòu)造，并將電容器抽象成為兩個彼此絕緣且又相距很近的導(dǎo)體。但是，學(xué)生在合作探究時常常會忽略電容器的本質(zhì)特征，所以需要教師結(jié)合教學(xué)內(nèi)容科學(xué)的引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建重要的物理模型。

三、鼓勵學(xué)生進行創(chuàng)新實驗，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維能力

現(xiàn)在的中國是一個創(chuàng)新大國，并且在不斷地發(fā)展中，要想獲得更加豐碩的成果，就需要擁有一大批具有創(chuàng)新思維的人才為之付出努力，而青少年就是最大的來源之一。學(xué)生作為一個獨立的、簡單的人，擁有巨大的可開發(fā)性，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才是當前高中物理課程教學(xué)中非常重要的一個目標，而為了完成這個目標則應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會質(zhì)疑，促使學(xué)生在不斷創(chuàng)新的過程中形成良好的思維品質(zhì)。因此，教師可在物理課堂的教學(xué)過程中引導(dǎo)學(xué)生積極創(chuàng)新物理實驗，讓學(xué)生能夠在質(zhì)疑和創(chuàng)新活動中進行更加深入地科學(xué)探究，從而有效增強學(xué)生的科學(xué)思維能力。

例如，在“電容器的電容”這節(jié)課的教學(xué)過程中，當學(xué)生在探究影響電容器電容的因素的時候，我們可以讓學(xué)生在實驗過程中進行一些拓展學(xué)習，這可以有助于學(xué)生形成良好的科學(xué)思維能力。為了在這個實驗中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力，教師則可以先讓學(xué)生將測量電壓的儀器換為靜電計，并給學(xué)生提出相關(guān)問題：“靜電計指針偏角大小可不可以推知電容器兩極間電勢差的大?。繛槭裁挫o電計指針偏角可以反映電勢差呢？”學(xué)生通過創(chuàng)新實驗來進行分析的時候，便能夠明白靜電計中間的金屬球、金屬桿和金屬指針等組成部分，而外部則是一個與底座絕緣的金屬圓筒，圓筒底部的接線柱便應(yīng)用于接地或者是與其他導(dǎo)體相連接;絕緣套筒直接將金屬桿和金屬圓筒隔開，這時的靜電計則組合成為了特殊的電容器。同時，外部的金屬圓筒與內(nèi)部金屬球、金屬桿、金屬指針共同組合的導(dǎo)體能夠作為電容器的兩極，而金屬指針則能夠繞水平軸自由轉(zhuǎn)動，從而促使學(xué)生在創(chuàng)新實驗過程時形成良好的物理思維。

在學(xué)生開展“靜電計的接入影響電容器電荷量嗎？”這個實驗的時候，如圖1，我們可將電容器的電壓設(shè)置為U1，靜電計的電壓為U2，這兩者在相互連接之后所形成的等效電容器的電壓設(shè)置成為U，而這樣將電容器和靜電計相聯(lián)則好像是將兩個電容器并聯(lián)起來，而電勢差卻呈現(xiàn)出相同的情況，這便是靜電計之所以能夠測量電容器電壓的重要原因，所以得出公式U=U1=U2。同時，在設(shè)未接靜電計之前，如果將電容器的帶電量設(shè)置為Q，而這時再接入靜電計的時候則會導(dǎo)致部分的電荷Q2會被轉(zhuǎn)移到靜電計上，而電容器的帶電量減少設(shè)置為Q1，所以電容器和靜電計則組合成為獨立的系統(tǒng)。通過這個實驗創(chuàng)新的過程可以將電容器和靜電計并聯(lián)之后的等效電容推導(dǎo)出來，即C=C1+C2。學(xué)生通常在創(chuàng)新性的物理實驗中能夠形成良好的科學(xué)思維，有效增強學(xué)生的物理核心素養(yǎng)。

教師要鼓勵和引導(dǎo)學(xué)生質(zhì)疑所學(xué)知識，加強問題分析，從中找出原因，從而培養(yǎng)其創(chuàng)新能力。若學(xué)生提出和教學(xué)內(nèi)容無關(guān)的問題，要引導(dǎo)學(xué)生回歸課本內(nèi)容，并表揚其主動提出問題的行為;反之，若教師批評此類行為，而且沒有告知其問題偏差在哪里，將會逐漸影響學(xué)生主動發(fā)問的興趣，降低學(xué)生學(xué)習的積極性。教師要改變傳統(tǒng)的教育質(zhì)量評價觀，鼓勵學(xué)生創(chuàng)造性地學(xué)習，讓學(xué)生不固定在圈子里，鼓勵學(xué)生的創(chuàng)造性行為，引導(dǎo)、幫助、鼓勵學(xué)生主動獨立地發(fā)現(xiàn)問題、處理問題和解決問題。

實驗教學(xué)目標在于全面培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)，是將研究課題給學(xué)生，讓學(xué)生自己設(shè)計實驗方案進而完成實驗。探究性實驗?zāi)艹浞终{(diào)動學(xué)生的主動性，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維，增強學(xué)生問題解決的能力。設(shè)計性實驗在實施過程中要用到力學(xué)、運動學(xué)、光學(xué)、甚至化學(xué)的相關(guān)知識以及很多基本實驗原理，對學(xué)生知識能力要求較高，設(shè)計出來的實驗方案還要進行綜合評估和考慮。一些實驗要經(jīng)過多次探討、多次修改甚至多次失敗才能找到最佳的方案。這個過程是學(xué)生知識和能力的大遷移，能極大地培養(yǎng)學(xué)生的各種實驗?zāi)芰Γ嫣嵘龑W(xué)生核心素養(yǎng)。

探究性實驗教學(xué)中，學(xué)生要經(jīng)歷如何提出問題、如何進行假設(shè)、如何設(shè)計實驗、如何精確觀察和測量、如何深入地思考并通過分析、綜合和推理得出事物的本質(zhì)和規(guī)律。在這個過程中，讓學(xué)生體驗到探究的樂趣和艱辛。需要注意的是，教師的身份是引路者，不能輕易幫助學(xué)生去解決他們自己通過發(fā)揮主觀能動性能解決的問題教師可以通過啟發(fā)和引導(dǎo)，幫助學(xué)生提供所需的參考資料和器材等，對學(xué)生的方案和結(jié)果進行研究和評價，對學(xué)生取得的階段性成果予以肯定。

總之，物理實驗教學(xué)是高中物理課堂教學(xué)的重要組成部分，也是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維能力的一種非常重要的方法。因此，為了能夠有效鍛煉學(xué)生的科學(xué)思維，教師應(yīng)該組織學(xué)生積極開展物理實驗活動，引導(dǎo)學(xué)生積極進行物理建模、物理知識推理、論證和質(zhì)疑，這樣才能夠有效提升高中學(xué)生核心素養(yǎng)的形成和發(fā)展。