涵養(yǎng)實驗素養(yǎng)變革育人方式

【摘要】科學探究是物理學科核心素養(yǎng)之一，中考物理試題對初中物理教學具有重要的導向作用。本文以2023年廣西中考物理試題為例，結合物理課程標準分析了廣西中考物理實驗探究題命制的理念、特點、評價功能和育人功能，提出物理教學應把握科學探究內涵、重視實驗教學、涵養(yǎng)科學思維的建議。【關鍵詞】科學探究；科學思維；中考物理；實驗教學2023年廣西初中學業(yè)水平考試（以下簡稱“中考”）實行統一命題，其中物理學科的實驗探究題在學科試卷中涉及內容、所占分值比例比各地市獨立命題時相應比例都要大，這也是2023年廣西中考物理試卷（以下簡稱“物理卷”）與往年試卷變化最明顯的地方，引起了廣大物理教師的關注。物理是一門以實驗為基礎的學科，科學探究是物理學科最具學科特征的內容，對科學探究能力的測評一直是科學教育工作者關注的焦點。物理卷實驗探究題的設計，充分體現了廣西中考突出學科特點，注重物理學科核心素養(yǎng)的考查，凸顯中考的評價功能和價值引領作用。一、初中物理科學探究內涵解讀在《義務教育物理課程標準（2011年版）》（以下簡稱《2011版課標》）中，科學探究被納入課程內容，與科學內容并列，旨在讓學生經歷與科學工作者進行的相似的探究過程，領悟科學探究方法，發(fā)展科學探究能力?！读x務教育物理課程標準（2022年版）》（以下簡稱《2022版課標》）進一步提出，科學探究是物理課程應培養(yǎng)的核心素養(yǎng)之一。顯然，物理課程標準凝練了物理課程獨特的育人功能，科學探究能力的培養(yǎng)是物理課程育人價值的重要體現。1.科學探究的要素在《2011版課標》中，科學探究既是學生的學習目標，又是重要的教學方式，通過七個要素（提出問題、猜想與假設、設計實驗與制訂計劃、進行實驗與收集證據、分析與論證、評估、交流與合作）提出了關于科學探究的基本要求?！?022版課標》對上述七個要素進一步凝練，明確科學探究主要包括問題、證據、解釋、交流四個要素，具體指基于觀察和實驗提出物理問題，形成猜想與假設，設計實驗與制訂方案，獲取與處理信息，基于證據得出結論并作出解釋，以及對科學探究過程和結果進行交流、評估、反思的能力。這使得中學階段科學探究的要素更加聚焦、清晰，在教學實踐中操作性更強。2.學業(yè)質量中的科學探究學業(yè)質量是《2022版課標》新增內容，以核心素養(yǎng)為主要維度，是對學生學業(yè)成就具體表現特征的整體描述，也是中考命題的重要依據。其中科學探究維度表現為：能針對一些現象，發(fā)現并提出要探究的物理問題，能根據經驗和已有知識作出猜想與假設；能針對提出的問題，運用控制變量法等制訂比較合理的科學探究方案，會正確使用學生必做實驗所涉及的實驗器材，并根據實驗方案進行規(guī)范、安全的實驗操作，會正確讀取和記錄實驗數據，能排除簡單的實驗故障；能根據實驗目的整理信息，會用簡單的圖像或表格描述信息，能通過信息比較或圖像分析發(fā)現其中的特點，進行初步的因果判斷，形成結論并作出解釋；能表述物理問題，會用物理學術語、符號、圖表等描述探究過程，說明探究結果，撰寫簡單的科學探究報告。［1］這段文字分別對科學探究的問題、證據、解釋、交流四個要素進行了具體描述。3.科學探究的考查路徑在心理測量學中，考試是一種測量。能力測量主要是通過對學生解決問題的外顯行為來鑒別其能力水平?？茖W探究能力的高低根據學生解決科學探究問題時所發(fā)生的探究行為表現來衡量?？茖W探究的考查方式不止一種，若以紙筆測驗進行考查，科學探究型試題的設計必須讓學生在解答問題時經歷必要的探究過程，表現出具體的探究行為，從而鑒別其能力水平。因此科學探究型試題不能脫離探究過程來直接對知識進行考查，這也是科學探究型試題與傳統試題的不同之處。國內外關于科學探究能力水平考查模型有不少研究，在中學物理測評中的考查模型可參考表1。二、2023年廣西中考物理實驗探究考查的特點分析1.以課標為依據，突出科學探究主題總體而言，物理卷嚴格依據課程標準科學命題，試題結構設置合理，提高了探究性、開放性、綜合性試題的比例。從內容覆蓋看，除了專設4道實驗探究題，在選擇題中也對實驗探究相關要素進行考查，具體分布見表2。表2中的題目總分值為30分，一共涉及9個學生必做實驗（含《2022版課標》）和2個重要實驗。在實際教學中，教師通常創(chuàng)造條件將重要實驗調整為學生分組實驗。此外，物理卷還有意識地以教材中學生活動的相關內容為素材設計問題，對實驗原理進行間接考查，如第9題制作“愛心”電動機，第20題制作簡易驗電器。物理卷對實驗探究的考查占比為全卷30%以上，符合物理課程標準中科學探究考查的要求，這也是教育部初中學業(yè)水平考試命題評估組提供的命題建議。從考查方式與層次看，實驗探究題較完美地體現了三個水平的科學探究情境。如第24、第25題完全取自教材中的實驗，問題情境屬于“教材原型”。學生只需熟悉教材中這些實驗即可順利作答，相應的能力水平為水平1（回憶）。第26題同樣源于教材實驗，但實驗過程中對原實驗進行了變通甚至轉型，問題情境屬于“變式情境”。學生需要對實驗原理、證據獲取有深刻認識才能正確回答，能力水平為水平2（綜合）。第27題則源于教材又不拘泥于教材，在實驗條件的變化過程中產生了全新的問題，問題情境屬于“探索情境”。學生需要領會問題實質，進行合理評估和論證，建立證據與結論之間的邏輯鏈，方能正確解決新問題，顯然能力水平達到了水平3（創(chuàng)新）。由此可以看出，實驗探究題的考查與往年廣西各地市中考試卷相比有良好的傳承，同時有更好的考查占比和層次感。這正是廣西中考統一命題關于依標命題、穩(wěn)中求進基本原則的具體體現。2.聚焦真實探究，凸顯實驗證據意識研究表明，中考物理試題對科學探究七個要素的考查比例最高的前三項為分析與論證、進行實驗與收集證據、設計實驗與制訂計劃，占比分別為70.2%、55.3%、43.3%。［2］其中后兩項在《2022版課標》中重新整合為“證據”，這說明“證據”是對科學探究考查最頻繁的要素。物理卷有多處突出了對實驗證據意識的考查，下面以第11題和第26題為例進行分析。（2023·廣西）11.下列實驗過程中，用到“控制變量法”的是（）A.用刻度尺測量課本的長度B.比較不同物質吸熱的情況C.用溫度計測量溫水的溫度D.用彈簧測力計測量筆袋的重力本題為單項選擇題，同時也是一道實驗探究的基礎題，看似是對實驗中的“控制變量法”記憶性的問題，實為側重實驗證據的獲取，要求學生能針對提出的問題，運用控制變量法等制訂比較合理的科學探究方案。此題能夠較好地區(qū)分做真實驗和做實驗習題的兩類學生。僅通過刷實驗習題進行物理實驗學習的學生，需要在自身“題庫”中檢索這幾個實驗，這需要足夠強的記憶才能定位這幾個實驗是否需要用到控制變量法，因此答對本題的概率不高。而真正動手做過這幾個實驗的學生，在相應的實驗中體驗過“控制變量”，因此提取正確信息的難度大大低于做實驗習題的學生。（2023·廣西）26.某小組在測量液體密度的實驗中：（1）調節(jié)天平橫梁平衡時，先把______移到標尺左端零刻度線處，若指針靜止時指在分度盤中央刻度線的左側，則應向______（選填“左”或“右”）調節(jié)平衡螺母，使橫梁平衡。（2）用天平測出空燒杯的質量，如圖1所示，質量為______g。用天平稱量時，天平是

（選填“省力”“費力”或“等臂”）杠桿。（3）將花生油倒入空燒杯，測出其總質量，再將燒杯中的花生油倒入量筒中測出其體積，但花生油太多，無法全部倒入量筒中。經小組討論，只需增加一個步驟：用天平測出______的質量，即可求出花生油的密度。（4）受《天工開物》中桔槔汲水（圖2）啟發(fā)，小組自制了“杠桿密度計”如圖3，將一輕質細硬桿用細線固定在O點并懸掛起來，物塊固定懸掛在A點，把不計質量的礦泉水瓶裝滿水，用細線懸掛在桿上，將懸掛點移至B點，使桿在水平位置平衡。換用相同的礦泉水瓶裝滿不同液體，重復以上操作，在桿上可標出懸掛點B1、B2、B3……對應密度的刻度值。①若B1點在B點的左側，則B1點對應的密度ρ1與水的密度ρ水的關系是ρ1______ρ水（選填“＜”“＝”或“＞”）。②若測得B、B2到O點的距離分別為l、l2，則B2點標注的密度值為______（用ρ水及題給字母表示）。測量液體的密度是學生必做實驗。本題第（1）—（3）小題都是考查科學探究中的“證據”要素，其中第（1）、第（2）小題屬天平使用的常規(guī)問題，主要考查規(guī)范的實驗操作與天平讀數，第（3）小題則設置了學生在實驗中很可能遇到的一個真實問題：量筒無法全部容納花生油。實驗情境從這里開始發(fā)生變化，但沒有超出學生的能力水平。真正經歷過該實驗的學生，會在實驗過程中遇到這一真實問題，從而印象深刻，而通過刷題、聽實驗、背實驗、虛擬實驗等來完成這一實驗的學生，遇到此問題的概率不會太高，即使遇到過一兩次，也不會有深刻印象。抽樣數據顯示第（3）小題難度系數小于0.2。這有力地回答了“花那么多時間做實驗真的有用嗎？”這個老問題。另外，筆者在閱卷過程中也發(fā)現不少學生的表達能力是短板，對測量“剩余花生油和燒杯”的簡單表述漏洞百出。第（4）小題實驗情境進一步變化，從《天工開物》中的桔槔汲水切入，融入中國傳統文化，在問題設置上跨越了等臂天平測密度的思路，以非常規(guī)的方法測量液體密度，是在學生關于杠桿平衡條件的認知基礎上的一道小綜合題。第（4）小題既要求學生會用所學模型（杠桿）分析常見的實際問題，又對學生知識間的關聯能力、物理與數學結合能力提出一定要求。從上述分析可以看出，物理卷突出實驗證據的考查，著力以紙筆測試有效區(qū)分真做實驗與不做實驗的學生，努力實現兩類學生在這類試題的通過率上的顯著性差異，引導實驗教學真正開展。3.注重因果判斷，發(fā)展科學推理能力進行深刻的科學探究往往離不開科學思維。事實上，國外有不少學者直接將科學思維和科學探究合并起來，這也說明，進行科學探究活動時，常常需要結合科學思維來完成。如科學探究的“解釋”“交流”要素，基于證據進行初步的因果判斷，形成結論并作出解釋，以及對科學探究過程和結果進行交流、評估、反思等，這些過程離不開分析、綜合、歸納、推理等方法的具體運用，離不開通過科學推理對不同信息、觀點和結論的檢驗與修正。物理卷第27題清楚地詮釋了這一觀點，以下作簡要分析。（2023·廣西）27.實驗小組在實驗時，不慎將燈泡L2的玻璃外殼碰碎。他們驚奇地發(fā)現L2幾乎不發(fā)光，與其串聯的燈泡L1不僅沒有熄滅，反而更亮。開關斷開后的電路如圖4，L1和L2都標有“2.5V0.3A”字樣。針對上述現象，探究下列問題：玻璃破碎后，L2的燈絲電阻發(fā)生了什么變化？玻璃外殼究竟起什么作用？（1）玻璃外殼破碎前L2的電壓和電流分別為1.20V和0.20A；玻璃外殼破碎后，兩端的電壓變?yōu)?.40V，通過的電流變?yōu)槿鐖D5所示，則電流為______A。初步分析可知：玻璃破碎后，L2電阻______（選填“變大”或“變小”）。（2）為進一步探究玻璃外殼破碎后L2電阻變化特點，對L1、L2的電流和電壓進行測量，實驗數據記錄如表3。分析發(fā)現，L1的電阻______（選填“大于”或“小于”）玻璃外殼破碎后L2的電阻。（3）實驗中，對著L2吹氣，發(fā)現L2兩端電壓突然變小、電流突然變大，說明吹氣加快L2燈絲表面空氣流速，加快其散熱速度，從而使燈絲電阻變小。由此推斷，燈絲的電阻大小與______有關，玻璃外殼可能起到______的作用。（4）細心的同學在實驗過程中發(fā)現，燈絲呈螺旋狀，于是提出新的問題：為什么將燈絲設計成螺旋狀？你認為這樣設計的目的是①______；②______。用伏安法測電阻是學生必做實驗。試題由伏安法測電阻切入，全面考查了科學探究的幾個要素。題目以“不慎將燈泡L2的玻璃外殼碰碎”為素材，在學生熟悉的情境中下功夫，創(chuàng)設新的探索情境，引發(fā)學生思考，實驗的邏輯性強，逐層深入。第（1）小題主要考查科學探究中的“證據”：讀取數據。第（2）、第（3）小題側重考查“解釋”：通過信息比較發(fā)現其中的特點，進行初步的因果判斷，形成結論。第（4）小題側重考查“交流”：用物理學術語描述實驗探究后的結果，呈現自己的觀點。第（1）、第（2）小題是常規(guī)問題，學生對此相對熟悉，抽樣分析表明學生得分較好。其中第（2）小題要求學生對測量的一系列數據進行對比分析，提取出L1和L2的電阻變化趨勢，得出結論。這是科學思維中典型的歸納推理。從第（3）小題起，問題逐漸開放，考查學生識別證據與結論之間的邏輯關系。如第（3）小題，特別強調學生關注“對著L2吹氣，發(fā)現L2兩端電壓突然變小、電流突然變大”的細節(jié)，剖析真實原因，合理使用證據，應用歐姆定律將其原因與L2燈絲電阻變小的結果進行關聯，進行因果判斷，做出正確解答。第（4）小題是前面研究過程的延續(xù)，進一步創(chuàng)新探究情境，基于燈絲呈螺旋狀的事實提出問題，要求學生對“燈絲設計成螺旋狀”的原因進行關聯分析，結合前面實驗研究，闡明自己的觀點。第27題與第26題在問題設計上有相似之處，層層遞進，由淺入深，逐漸強化科學思維在科學探究中的作用，考查的科學探究能力水平逐漸提高，不同小題區(qū)分不同的學生群體?？茖W探究不是物理核心素養(yǎng)中孤立的一條，它與物理觀念、科學思維、科學態(tài)度與責任共同形成核心素養(yǎng)的有機整體，各維度各有側重、相互聯系、相互促進、相輔相成。上述分析提示我們，科學探究與科學思維二者并沒有絕對的界限，解決實際問題時，通常同時用到。4.增強試題開放度，刻畫學生思維層次實驗探究題有多種開放類型，如實驗條件開放型（不限制實驗條件）、操作方法開放型（不限制操作方法）、目標開放型（不限制目標結果）等。不提供備選信息，是試題開放性的特征之一。物理卷第26（3）題和第27（3）、第27（4）題是實驗探究題開放性的典型代表。對此進行簡要分析如下。第26（3）題在花生油無法全部倒入量筒的背景下，要求學生用現有器材設計新的實驗操作來解決問題，屬于操作方法開放型。如前所述，由于沒有備選答案，學生的表述漏洞百出，反映了學生表達能力的欠缺。第27（3）、第27（4）題的回答不涉及實驗問題和實驗操作，而是對實驗可能產生的結果多方位地評估，屬于目標開放型。學生的作答反應與第26（3）題類似。對于第27（3）題，即便在題干提供了提示性參考信息的情況下，不少學生填答仍不能聚焦到問題上。第27（4）題的開放程度更高，學生的回答更體現了不同的能力水平，有答非所問的，有基本能針對題目指向的問題對象燈絲進行回答的，有結合燈絲結構產生的工作效果和安裝使用兩方面完整回答的。第27題的設計在實驗探究題中代表了試題設計的一個方向：基于具體的實驗情境，從熟悉的事實、現象中深挖問題，在學生認知水平層面上將題目的開放性體現出來，試圖展現出不同學生的科學探究和科學思維水平。這一點也與國家義務教育質量監(jiān)測、國際著名的大型測評項目的試題設計理念一致，值得教師進一步分析和研究，并有針對性地調整實驗教學。提高開放性試題比例是教育部對提高中考命題質量的要求之一，這同樣是對實驗探究題提高開放性的要求。在以往考試中，常見通過隱藏實驗數據，增加所需知識點數量和計算步驟的復雜程度來進行創(chuàng)新設計試題，以區(qū)分學生的思維層次，這會誤導師生對科學探究素養(yǎng)的理解。物理卷第26、第27題通過開放性設計破解了這一問題，對教師更好地理解科學探究的內涵有很好的導向作用。三、教學建議1.把握科學探究內涵，突出探究素養(yǎng)設計在教學實施中，實現科學探究素養(yǎng)真正落地的前提有兩點，一是教師準確把握科學探究的本質，二是教師有針對性地做好教學設計。《2022版課標》將科學探究從原來的課程內容提升到核心素養(yǎng)，將原來的七個要素凝練為四個要素，教師需要結合原有理解對科學探究進行再認識。教師除了以課程標準為綱，對課程標準進行一字一句仔細研讀，還可以結合課程專家對物理課程標準的解讀深入學習。教師只有真正領會了科學探究的內涵，才能在教材中挖掘出更豐富的科學探究要素。比如，教材在給出“光在同種均勻介質中沿直線傳播”這一規(guī)律時，只提供了光在空氣和水中沿直線傳播的實驗證據，然后以“更多實驗表明”進行歸納。有些教師也就照本宣科地演示上述兩個實驗，并給出光的傳播規(guī)律，接著進行大量的規(guī)律運用練習。實際上教材留給了我們足夠的教學設計空間：這兩個實驗提供的證據充分嗎？能支持結論了嗎？空氣和水能代表所有介質嗎？……如果教師理解了學業(yè)質量中對科學探究的具體描述，就能意識到這正是培養(yǎng)學生證據意識的良好素材。教師可以將它融入科學探究教學目標進行有側重地設計，課堂教學中引導學生扎實地經歷從證據到結論的“解釋”過程。長此以往，學生在面對真探究時自然而然要評估證據鏈是否完整，這正是具備科學探究素養(yǎng)的表現，也能幫助學生在科學探究的考查中獲得好成績。2.重視實驗教學，讓學生親歷科學探究科學探究試題的命制依標命題，緊扣物理課程標準。學生必做實驗在科學探究試題模塊分布均衡，且大部分科學探究試題的素材源于課堂教學、課外活動、小制作等學生熟悉的情境。教師要用好、用活物理教材?！痘A教育課程教學改革深化行動方案》明確要求聚焦核心素養(yǎng)導向的實驗教學，加強實驗教學，強化學生動手操作實驗。國家義務教育質量監(jiān)測結果表明，在科學課上學生動手實驗的頻次與其科學成績成正相關。充分重視實驗教學，需要注意以下幾點。（1）保證實驗課的課時。（2）不以模擬實驗、虛擬實驗室、動畫視頻、講實驗、做實驗題代替動手實驗。這在電腦網絡和媒體資源如此豐富的背景下，對教師來說是一個很大的考驗，畢竟播放一個視頻比自己親自上陣輕松多了，但動手實驗的效果是其他手段難以比擬的。以“加熱使鋼針消磁”這個小實驗為例，筆者在一次觀摩賽課活動中注意到，多數教師是通過播放現成視頻呈現的，學生表現為目不轉睛地看，表情有點興奮。而當一位教師花了僅僅比播放視頻多一點的時間來現場演示時，學生不由自主地發(fā)出驚嘆