科学精神物理实验教学实践与探索

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摘要：科学精神是一种重要的核心素养，但在物理实验教学中常常被忽视.为此，开展了通过理性思维，发展学生的逻辑推理能力；批判质疑，提高学生问题解决能力；勇于探究，培养学生实验设计能力的实践与探索.

关键词：科学精神；物理实验；理性思维

科学精神是指学生在学习、理解、运用科学知识和技能等方面形成的价值标准、思维方式和行为表现，具体包括理性思维、批判质疑、勇于探究等基本要点，[1]是六大核心素养之一.物理是一门以实验为基础的学科，物理实验是培养学生科学精神的显性载体.但在实际教学中许多教师仅把实验理解成使用和操作测量工具、仪器设备以验证定律的一项教学手段，而忽视学生理性思维、批判质疑、勇于探究等科学精神的培养.为此，开展了基于教材实验及实验拓展而进行的科学精神培养的实践与探索.

一、理性思维，发展学生逻辑推理能力

理性思维要求逻辑清晰，能运用科学的思维方式认识事物、解决问题、指导行为等.理性思维是一种建立在证据和逻辑推理基础上的思维方式，库恩认为，理性思维是智力发展的最终目标，教育的核心在于发展学生的思维，尤其是理性思维.[2]在物理实验教学中，教师可通过引导学生开展逻辑推理来培养学生的理性思维，达到深度学习科学知识的目的.如在探究阿基米德定律时，得出的结论是“浸在液体里的物体，受到向上的浮力，浮力的大小等于物体排开的液体受到的重力，即F浮=G排液=ρ液gV排液.对于F浮=G排液是通过实验得出的结论，而对于F浮=ρ液gV排液，教材没有呈现其推理过程，为此，教师可鼓励学生进行逻辑推理，其过程为：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，以此可训练学生的理性思维.另外又如牛顿第一运动定律是在实验基础上进一步推理得出，焦耳定律既可通过实验来探究，也可由电功公式来进一步推导得出，以此来训练学生的理性思维.教师也可创设新的实验情境，引导学生来分析推理，从而培养学生的理性思维.如图1是研究电动机转动时对小灯泡亮度是否产生影响的实验，可让学生先动手操作：抓住转动轴，然后合上开关，观察小灯泡的发光亮度，接着放开转动轴使电动机转动，观察此时小灯泡的亮度变化，实验结果表明，电动机转动后，小灯泡会变暗.由此实验也可引导学生通过逻辑推理进行分析.其过程为：不转时W电动=Q电热，得出UI1t=I12(R+r)t，推理得出I1=UR+r，转动时W'电动＞Q'电热，得出UI2t＞I22(R+r)t，推理得出I2＜UR+r，比较得出I2＜I1，灯泡变暗.RUr图1美国国家科学研究理事会（NRC）指出，“参与科学推理”的过程会让学生的科学思维得到发展，同时促进对科学知识的理解，理性思维有助于提高学生观察、比较、分析、综合、推理、抽象与概括等能力，是物理深度学习的应然，并且教师也可通过物理建模等方式来培养学生的理性思维.

二、批判质疑，提高学生问题解决能力

批判质疑的重点是：具有问题解决意识，能独立思考、独立判断，思维缜密，能多角度、辩证地分析问题，做出选择和决定等.思维的批判性是指思维过程中善于严格地估计思维材料和精细检查思维过程的良好品质.[3]教师在实验教学中不仅要积极鼓励学生质疑，发展学生的批判性思维，并且也要致力于问题的解决，培养学生问题解决的能力.如在探究电流与电压关系的实验中，教师可先让学生自主设计探究方案，然后选择典型方案组织学生开展讨论，鼓励学生开展评价，提出质疑，对于该实验学生设计了如图2、图3、图4三种方案，教师可引导学生评价三种方案的优劣.4有学生认为图3比图2好，理由是图3中的定值电阻可保持阻值不变而小灯泡的电阻要发生变化，有的学生则认为图4比图3好，理由是图4滑动变阻器可调节，便于多次实验，但有一位学生提出质疑，认为如果滑动变阻器损坏了，利用图3电路只要改变电源也能完成多次实验.通过对教材实验的质疑，不仅有助于发展学生的批判性思维，而且也有利于学生实验设计能力的提高.同时，对于学生提出的质疑，教师也要重视，积极引导学生开展进一步探究，解决学生疑问，如在学习探究影响滑动摩擦力大小的因素后，有学生仍质疑：重力越大，滑动摩擦力越大.于是教师鼓励学生在查阅资料的基础上以研究性学习的形式设计如图5所示的探究实验，并操作如下：①将铁块放置在木板上，在沙桶中加入适量细沙，记录压力传感器示数，然后水平向左拉木板，记录拉力传感器的示数.②对于同样的铁块，通过增减细沙量，使压力传感器读数不同，记录拉力传感器读数，发现对同一铁块，随着压力变化，拉力传感器读数也随之变化.③换用接触面粗糙程度相同、质量不同的铁块，通过增减细沙量，使压力传感器读数相同，记录拉力传感器读数，发现对于不同质量的铁块，压力相同时，拉力传感器读数也相同.图5根据二力平衡条件，可知滑动摩擦力大小与拉力传感器读数相同，通过多次实验，可得出滑动摩擦力大小与重力无关，与压力有关的结论.批判性思维不仅表现为善于判断事物的是非与正误，也表现在能缜密地分析问题，能增强学生对各种信息的辨别能力.通过对物理实验质疑，鼓励学生提出问题，有助于学生批判性思维的培养，而且在学生质疑基础上开展的问题解决，有利于学生创新和实践能力的培养.

三、勇于探究，培养学生实验设计能力

勇于探究的重点是：具有好奇心和想象力，能不畏困难，有坚持不懈的探索精神，能大胆尝试，积极寻求有效的问题解决方法等.科学课程标准指出，科学探究活动是培养科学观念与能力的重要途径，也是培养创新精神与实践能力的有效手段.[4]10实验设计能力是重要的一项探究能力，教师要充分利用教材实验，联系学生生活实际，引导学生开展探究.如在学习液体压强时，教材实验探究了液体对容器底部、侧壁有压强，探究了液体压强与液体深度、密度有关，不仅如此，还可以作业形式要求学生能否自主设计实验来探究液体的压强.学生设计了许多新颖的实验方案，其中有一组实验方案别出心裁，如图6所示.在玻璃容器中间用隔板均分为两部分，用薄橡皮膜封闭，以此可探究液体对容器侧壁产生压强，也可探究液体压强与深度、密度有关.图6科学课程标准指出，科学探究的教学仅凭课堂教学是不够的，应将其延伸到课外综合实践活动中去，[4]37教师要紧密联系学生生活实际，基于学生探究兴趣，开展科学探究.如某学生发现“为何漂浮在水面上的竹筷一般都是横躺着而不是竖直的”开展探究，以内含金属块的中空细塑料管模拟竹筷进行实验探究，如图7所示，在一根底端封闭的中空细塑料管内的不同位置，固定一个质量适当的金属块，然后竖直放置到水中，观察它是否能保持竖直，通过实验可得出结论：相同条件下，细管重心位置相对于底端距离越小，细管越有可能在水中竖直漂浮.在探究实验设计时，教师要引导学生结合探究目的和要求，选择简易可行的生活用品作为器材，运用合适的实验方法，设计科学的探究方案，进而提高学生实验设计能力，发展学生的创造性思维品质.图7物理实验是建立在证据和理性思维基础上的探究活动，在开展物理实验活动过程中，我们不仅要关注通过实验得出科学结论，培养学生的动手操作能力，而且我们更应关注把理性思维贯穿于整个实验活动之中.我们不仅要以教材实验为本，也要积极拓展物理实验，在实验活动中，鼓励学生质疑，及时引导学生开展探究，注重学生思维能力的发展，致力于学生探究和实践能力的培养.

参考文献：

[1]中国学生发展核心素养研究成果正式[N].中国教育报，2016-09-13（6）.

[2]杨铭，刘恩山.在生物学课堂中培养学生理性思维[J].生物学通报，2017（8）：12-16.

[3]相佃国.中学化学教学中批判性思维研究[J].化学教育，2005（7）：32-33，36

[4]中华人民共和国教育部.科学课程标准[M].北京：北京师范大学出版社，2011.

作者:沈伟云 单位:嵊州市教体局教研室