丁焕平 赵峥
摘 要：依据“物理学科核心素养学习诊断内容的（3+2）×3 框架”命制诊断性测试题，基于診断发现的科学探究教学问题，结合科学探究的二级指标提出三个方面的教学建议：创设问题情境，做出有依据的假设，激发探究欲望;设计实验方案，提升学生解决问题的能力;基于证据进行解释和评估，发展学生的科学思维.
关键词：科学探究;学习诊断;精准教学
中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）11-0014-04
为了切实有效地促进学生学习和教师教学的改进，提高教学的针对性，落实核心素养，北京教科院物理教研团队开发了“物理学科核心素养学习诊断内容的（3+2）×3 框架”，诊断物理学科“教与学”存在的问题，并期望基于诊断从教学内容、教学方式等方面为教学实践提出改进建议[1].
表1为2019年11月对北京市某校409名高三学生进行纸笔测试的结果.从测试结果可以看出学生的整体科学探究能力偏弱.聚焦科学探究的二级指标（表2）发现，学生设计与操作得分率稍高一些，但仍低于其他一级指标得分率，而学生解释与评估能力最弱.
科学探究是人类探索和了解自然、获得科学知识的主要方法，是提出科学问题，形成猜想和假设，获取和处理信息，基于证据得出结论并作出解释，以及对科学探究过程和结果进行交流、评估、反思的能力.科学探究主要包括问题、证据、解释、交流四个要素.《普通高中物理课程标准（2017年版）》把“科学探究”作为学科核心素养之一提出，科学探究既是学习内容，也是学生学习科学的主要方式，还是一种综合的、关键的科学能力和素养.本文根据物理学科核心素养诊断性测试反映出来的具体问题，对照（3+2）×3框架中基于认知过程的科学探究二级指标体系[2]，对科学探究教学提出针对性教学建议.
1 创设问题情境，做出有依据的假设，激发探究欲望
科学探究诊断测试发现：学生基于事实依据进行猜想、分析相关事实或结论的能力较弱，提不出或不能准确表述可探究的物理问题，但是学生基于问题，依据公式的猜想和推理能力较强.
概括起来，主要原因包括两个方面：一是学生在遇到新的问题情境时，不能准确表达可探究的物理问题，做出有依据的猜想，知识迁移能力比较弱;二是学生缺乏探究的兴趣，自主探究的意识不强.
任何有意义的学习一定发生在学生思维充分活跃的情境下，学生在主动的思考下经常地运用科学的思维方法与方式去解决实际问题[3]，久而久之就会激发学生的探究欲望，提升学生的思维品质和知识迁移的能力.为了培养学生的问题意识、合理猜想为探究指明方向的思维习惯，在科学探究过程中，创设合适的问题情境尤为重要，下面以两个教学片段为例进行说明.
1.1 创设问题情境，引起认知冲突，激发学生的探究欲望
电阻测量中电流表内、外接选择一直是学生的难点，因此在教学中，可以先让学生画出伏安法测量电阻的电路图，绝大多数同学基于初中的前概念画出了图1所示的电路图.教师按照学生设计的电路图连接电路，用电阻箱作为待测电阻（事先遮盖住电阻箱的示数）.学生读取电压表和电流表的示数并计算出待测电阻的测量值约为1500Ω.揭开电阻箱的遮盖物，学生发现电阻箱的真实值是3000Ω.对比测量值和真实值，学生认为可能是电阻箱出现了故障，教师用万用表粗测电阻箱阻值确实约3000Ω.基于实验事实，教师提出问题：结合之前学过的串并联电路知识以及电压表、电流表的电路结构，猜测造成如此大误差的原因是什么？通过该实验情境设计，引发了学生的认知冲突，激发了学生的探究欲望.学生认知的不平衡性会激发他们的求知欲和好奇心，并产生解决这种认知矛盾以求得心理平衡的需要，从而促使学生认知结构的同化和顺应.所以说，通过问题情境，引发认知冲突，是充分调动学生探究欲望的必要手段.
1.2 创设问题情境，科学推理进行合理猜想
物理教学中，猜想的价值显而易见，它能够有效激活学生的想象力，是建立在物理知识基础上，由观察到的物理现象延伸而来的创造性思维过程.“猜想”不是凭空想象，它是一种合情推理，既有逻辑思维参与其中，也有直觉、想象的因素，属于综合程度较高的一种认识过程.如在探究影响平行板电容器电容因素的教学中，教师给平行板电容器充电，学生观察到与平行板并联的静电计指针发生偏转（如图2）.教师提出问题：观察该电容器构造，猜想影响平行板电容器容纳电荷本领的因素有哪些？并说明理由.学生通过思考讨论不难猜想影响电容器容纳电荷本领的因素有：平行板的正对面积;板间距离以及绝缘介质.理由是平行板的正对面积越大，电容器容纳电荷的本领越强;由库仑定律定性分析可知，增加平行板间距离，正负极板的电荷吸引力变小，电容器容纳电荷的本领变弱;保持平行板正对面积和板间距离不变，由C=QU可知增加电容器带电量的同时，电容器两极板间的电压也会升高，高电压会击穿电容器，而在两平行板间插入绝缘介质可以有效地解决该问题.教师在提出问题时为猜想指明了方向：第一要观察平行板电容器的结构;第二是猜想哪些因素决定了电容器容纳电荷的本领.通过教师的引导，使学生体会猜想要从解决问题出发，结合原有的知识和平行板电容器的结构进行合理推理.因此，要在物理教学中培养学生的猜想能力，就要增强学生面对新的客观事实时，学会仔细观察、调用原有知识和经验在其中寻找与原有经验和知识相似的特征，并尝试推理对它作出解释.
2 设计实验方案，提升学生解决问题的能力
科学探究诊断测试发现：学生能基于简单的真实情境问题设计实验.但在面对实际问题，设计复杂的探究方案进行操作的能力还有待提高.
让学生参与探究方案的设计，尝试把探究课题分解为几个相对独立的小问题，思考解决每个问题的不同方法，根据现实条件选择适当方法构思探究计划;从原理、器材、信息收集技术、信息处理方法等各方面形成探究计划;通过查询相关资料和同伴讨论完善探究计划.学生在设计方案的过程中不断地发现问题、思考解决问题的方法，提升处理复杂问题的能力.
2.1 学生参与演示实验的设计过程
例如，以往自感现象教学中，教师演示通、断电自感现象，学生观察实验现象，教师引导学生解释实验现象背后的原因.这样的教学使学生处于被动地观察和思考的地位，抑制了学生的探究欲望，束缚了学生能力的发展.为此，我们改进了教学方式，变学生被动接受为主动参与，参与演示实验的设计过程.下面以通电自感现象教学为例进行说明.
2.1.1 提出问题，形成猜想
教师提出问题：图3中，闭合电键时，通过线圈的电流增大，线圈中是否会产生感应电动势？如果产生，请判断感应电动势方向？这个感应电动势会产生什么效果？学生利用学过的电磁感应知识分析：闭合电键时，线圈产生与电流方向相反的感应电动势，预测这个感应电动势会阻碍电路中电流的增加.
2.1.2 设计实验电路验证预测
教师让学生设计实验验证猜想，大部分学生会设计如图4所示的电路，把一个灯泡与线圈串联，预测闭合电键时灯泡会逐渐变亮.教师按照图4连接电路演示实验，学生却没有观察到期待的现象出现或者有延迟现象但不明显.随后教师提出问题：在此方案基础上，如何改进实验方案验证猜想.
学生思考后设计出对比实验方案（如图5），并考虑对比实验的控制条件，即闭合电键，电路稳定后调整滑动变阻器使两灯泡亮度一致.断开电键，再次闭合电键演示实验，学生观察发现：灯泡L2立刻变亮，而与线圈串联的灯泡L1逐渐变亮，猜想得到验证.
让学生参与演示实验的设计过程，把实验目的和科学探究假设联系起来[4]，让学生体会实验方案实际上就是对假设进行检验的具体计划，使学生能够根据探究的假设来思考实验目的和条件.
2.2 学生自主设计多种方案进行分组实验探究
例如，2019年新人教版自由落体运动一节中，在“毛钱管”演示实验后，教材提出问题：自由落体运动是加速运动.那么，它的加速度在下落过程中是否变化呢？教材安排了图6实验装置的方案.为了开拓学生的思维，培养学生实验设计的能力，在教学中，我们安排了让学生自主设计多种方案进行科学探究.例如，以问题串的形式引导学生设计实验方案：
（1）如何判断一个物体是否做匀变速直线运动？
（2）实验中需要记录哪些物理量？
（3）选用什么器材？
（4）实验步骤有哪些？
（5）如何记录和处理数据？
（6）如何控制条件减小空气阻力的影响，使物体的运动更接近自由落体运动？
（7）如何减小实验误差？
学生通过小组讨论和查阅资料，结合实际条件，提出了4种可行的方案.
方案一（如图6）：用打点计时器研究自由落体的运动规律.让重物自由下落，借助打点计时器在纸带上记录重物下落不同时刻的位置.用刻度尺测量重物的位移，若满足连续相等时间内位移的增量为一定值，即Δx近似为一常数，说明自由落体是匀加速直线运动;或作v-t图像，看是否可以拟合成一条直线.
方案二（如图7）：用频闪照相研究自由落体的运动规律.让带有频闪光源的重物自由下落，调整手机的曝光时间，将光源不同时刻的位置记录在同一张照片中.用传感器软件logger pro3.8.7处理实验数据，将光源运动的时间和对应位移记录在Excel表格中，绘制位移—时间图像，拟合数据，如果位移随时间满足二次函数关系，说明自由落体是匀加速直线运动.或作v-t图像，看是否可以拟合成一条直线.
方案三（如图8）：用光闸记录自由落体的运动规律.让一金属窄条自由下落，用传感器软件记录金属条通过不同光闸的时刻和瞬时速度，绘制速度—时间图像，拟合数据，如果速度随时间满足一次函数关系，说明自由落体是匀加速直线运动.
方案四：用手机软件“phyphox”内置的“acceleration”功能，可以定量测量手机加速度随时间变化的关系.如果手机自由下落时间内加速度为一定值，说明自由落体运动是匀加速直线运动.
对刚上高一的学生来说，自主设计方案进行实验探究具有一定的挑战性：第一，学生需要灵活运用学过的知识，思考判断物体做匀变速直线运动的方法;第二，学生需要学会查阅资料，包括阅读课本、上网查阅文献等，和同伴讨论完善方案;第三，学生需要思考实验步骤以及实验的控制条件等;第四，学生需要学会使用信息技术记录数据和处理数据.学生能力的发展，是和他们学习中的相关行为联系在一起的.要发展某种能力，就必须经历相关的过程.学生正是在自主设计实验的过程中，学会把复杂问题进行分解各个击破，从而提升自身实验设计的能力.
3 基于证据进行解释和评估，发展学生的科学思维
科学探究诊断测试发现：学生整体实验解释与评估能力处于中等偏下水平，学生虽能较好地对实验进行評估和改进，但基于数据进行分析、归纳、总结结论的能力还有待提高.而且，学生的解释能力更为薄弱，有很大的提升空间.
以往教学中，学生往往关注证据的收集，而忽视了基于证据进行解释和评估的过程.而解释与评估的过程是一个知识内化和反省的过程，在此过程中，学生要将观察和实验的结果与自己已有的知识经验联系起来，借助于分析、推理提出问题或原因，并在实验证据和论证的基础上建立概念间的联系，形成已有知识和当前所获证据的一致，提升科学思维品质，完善物理观念.因此，教学中应该给学生创造更多的机会，基于证据进行解释和评估，培养学生良好的思维习惯.
例如，在以往断电自感现象教学中，教师演示实验，断开电源时，学生观察到与线圈并联的灯泡闪亮一下后再熄灭，随后教师解释灯泡闪亮的原因.这样的教学过程让学生处于被动的接受而不是主动建构的地位，不利于培养学生的科学解释能力.为此，笔者利用传感器对教学过程进行了改进，主要过程如下.
3.1 提出问题，形成猜想
学生利用学过的电磁感应知识分析图3得出：断开电键时，线圈产生与原电流方向相同的感应电动势，预测这个感应电动势会阻碍电路中电流的减小.
3.2 设计实验电路
大部分学生思考采用通电自感实验电路（如图5）来观察断电自感现象，部分学生预测断开电键时，灯泡L2立刻熄灭，而与线圈串联的灯泡L1逐渐熄灭.教师演示实验，学生却观察到两灯一起熄灭.为什么实验现象与预测不一致呢？
3.3 用电流传感器获取证据，作出科学解释
3.3.1 采集数据，描述图像
用电流传感器替换灯泡L1和L2，采集数据图像如图9所示.让学生描述图像，获得数据的感性认识，明确通电、稳定和断电过程中流过线圈的电流I1和流过电阻R的电流I2的变化规律.
3.3.2 解释通、断电过程中流过线圈的电流I1和流过电阻的电流I2的变化规律
通过前面的学习，学生不难解释流过线圈电流I1的变化规律.而解释I2的变化规律是学生的难点：首先，要想解释电路接通时，通过电阻的电流比穩定时大，需要学生调用全电路欧姆定律和串、并联电路知识进行推理分析;其次，断开电源时，为什么通过电阻R的电流瞬间反向随后逐渐减小？为了突破该难点，教师让学生再次观察断开电键时I1和I2的图像特点，发现断开电键时I1和I2的图像具有非常完美的对称性.教师采集此过程中任意时刻I1和I2的数值，发现它们大小几乎完全相同，验证了学生的观察，强化了证据意识.结合数据证据和串、并联电路知识，学生进一步猜测：断开电键时，电源不再给电路供电，线圈充当临时电源并与电阻R构成闭合回路，线圈中的电流反向通过电阻，因此灯泡一起熄灭.
3.3.3 改变R阻值，验证猜想
教师提问：在不改变实验装置的前提下，如何改变实验条件验证猜想，即断开电键时，线圈充当临时电源与电阻R构成闭合回路.学生提出增大电阻R阻值，当电路稳定时I1>I2，如果猜测是正确的，断开电键时，反向通过电阻的电流大于稳定时通过电阻的电流.增大电阻R阻值，用传感器记录数据如图10所示，学生的猜想得到了验证.
3.3.4 从能量角度解释自感现象
教师提问：能否从能量的转化与守恒角度解释通、断电自感现象？
通过自感现象的学习，学生体会到自感现象是电磁感应现象的特例，“电惯性”本质上是能量的转化与守恒在电磁学中的体现.
该探究沿“问题—猜想—设计实验预测结果—检验失败—传感器记录实时数据—解释数据再次预测—改变R阻值再次验证预测—从能量角度进一步解释”的思路设计教学过程.让学生经历理论假设建构科学解释的过程，在科学解释的过程中培养学生科学推理的能力.
学生的思维过程是由问题情境产生的，而且以解决问题为目的，学习过程本身就是一个不断提出问题和解决问题、不断建构世界观和方法论的过程.在学习活动中，最重要的不是学生是否完成了指定的任务，而是学生在这个过程中对任务完成所需要的认识、理解、分析、综合、思维判断等思想方法的反省以及在这种反省或讨论过程中的再认识和再总结[5].因此，科学探究教学应该加强实验前、实验后的猜想、设计、解释、分析等思维过程的设计，加强在实验教学中发展科学思维能力的培养规划.
参考文献：
[1]张玉峰.为了物理学科核心素养发展的学习诊断：概念、路径与内容框架[J].中学物理，2020，38（01）：1-7.
[2]孔祥燕，公衍录，张玉峰.基于认知过程的科学探究诊断性测试框架[J].中学物理，2021（09）：17-21.
[3]彭前程.物理学科核心素养的理解与践行[J].物理教学，2020，42（02）：6-12.
[4]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.
[5]廖伯琴.普通高中物理课程标准（2017年版）解读[M].北京：高等教育出版社，2018.
（收稿日期：2021-04-10）
