创新物理实验 提升科学思维——浅谈初中物理教学中学生科学思维素养的培养

创新物理实验　提升科学思维
——浅谈初中物理教学中学生科学思维素养的培养
宁夏银川市第十五中学（750001）　党立宁
［摘　要］科学思维是物理课程核心素养的重要组成部分。

在物理教学过程中，有时教师可以依据某些物理原
理或物理规律，构建物理模型，进行创新性实验，让学生亲身体验，同时引导学生理性思考，从而提升学生的科学思维素养。

文章以初中物理教材中几个常见的实验为例，探讨学生模型建构、推理论证、质疑创新能力的培养。

［关键词］物理原理；物理实验；科学思维［中图分类号］ G 633.7 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-6058（2023）23-0031-03
科学思维是建构物理模型的抽象概括过程，是从物理学视角对物质世界的本质属性、内在规律以及相互联系的认识方式，是推理论证等方法在物理教学中的具体应用，是激发学生智慧火花后，促使学生大胆质疑、形成创新思维的高度体现。

实验又是发展学生科学思维的有效措施，是物理学科实践的典型方式，新课程、新课标特别强调要强化学科实践，因此，在具体教学中，教师通过实验创新培养学生的科学思维，显得尤为必要。

一、通过实验创新，培养学生的模型建构能力
创新实验1：杠杆的模型建构
模型建构是科学思维的重要组成部分，它包括情境、问题和过程。

杠杆模型是初中物理教材中的典型模型，下面以杠杆模型为例，阐述模型建构的重要性。

创设情境：如图1所示，将一根粗细不均匀的胡萝卜用细线竖直悬挂起来，当胡萝卜处于水平平衡时，发现悬挂点距粗的一侧端点距离近，距细的一侧端点距离远。

问题呈现：教师给出问题，即如果从悬挂点处切一刀，是左侧粗的半段胡萝卜重，还是右侧细的半段胡萝卜重？学生议论纷纷，有的说粗的那段重，有的说细的那段重，还有的说两段一样重。

教师说：“眼见为实，让我们测一测吧。

”于是用天平分别测量了两段胡萝卜，如图2所示，结果发现是粗的那段重，细的那段轻。

多数学生很诧异，他们认为细的那段那么长，应该是细的那段重，还有学生
认为将胡萝卜悬挂起来后，当胡萝卜水平平衡时，
悬挂点就是它的重心位置，从重心处分割，左右两段应该一样重才对。

通过现实情境和问题呈现，教师将学生原有的认知概念与真实的实验现象作对比，使学生产生认知冲突。

学生在争论中激发出思维的火花，在思维碰撞中深度思考：究竟是什么原因？
教师顺水推舟：如图3所示，对此状态下杠杆的受力等情况进行分析，标出支点、动力、阻力三个要素，进而引出动力臂和阻力臂（如图4）。

如此，杠杆的模型建构基本完成，为后续研究杠杆平衡的条件做好了铺垫，打下了基础。

经历杠杆模型建构历程后，学生发现情境是模型建构的基础和载体，问题质疑是模型建构的助推器，过程是模型建构需要强调的，因此，在建模过程中，学生可以经历体验、可以强化认知。

实施实验创新，需要针对典型模型进行合理的建构，这对发展学生的科学思维至
关重要。

图2
　测量两段胡萝卜的质量
图3　胡萝卜的受力情况 图4　杠杆的动力臂和阻力臂
图1　用细线竖直悬
挂胡萝卜
［基金项目］宁夏第六届基础教育教学课题“基于核心素养的初中物理实验教学的创新与实践研究”（项目编号：JXKT －CX-06-003）。

物理·名师论道
二、通过实验创新，培养学生的推理论证
能力
推理论证是核心素养中科学思维的主要组成
部分，在《义务教育物理课程标准（2022年版）》中
明确指出：“在归纳或演绎中会引用证据，养成使用
证据的习惯。

”这就要求教师要创造条件，引导学生
尊重证据、寻找证据，进而学会使用证据进行解释。

实验创新，就是典型的创造条件以获得证据的主要
方式。

创新实验2：马德堡半球实验
如图5所示，多数情况下，教师在课堂教学中
演示马德堡半球实验时大多采用这种方式：先在两
个铜半球的边缘上涂抹凡士林，再将它们合在一
起，以增强气密性；然后用抽气机抽尽球内的空气，
关闭进气阀；最后让两队学生以拔河的方式反方向
用力拉半球上的两根绳。

结果是震撼人心的：两队
学生用了很大的力气都没能将两个铜半球拉开。

这时教师发问：铜半球为什么拉不开？学生思考，
并发表见解。

有学生认为，反方向的两个力足够大
时，两个半球完全可以被拉开，因为力可以改变物
体的运动状态；有学生认为，之所以拉不开两个半
球，很有可能是因为半球外侧空气对两个半球向内
有挤压，与两队学生的拉力形成了抗衡之势。

教师
顺势引导：同学们的观点是正确的，就是半球周围
的空气产生的压强顶住了半球，使两个半球难以被
拉开。

但有学生产生了质疑：空气能产生这么大的
压力将半球顶住吗？通常教师会顺水推舟，将半球
上的进气阀打开，让空气进入球中，再重复以上的
操作，这时学生就能轻松地将两个半球拉开了。

教
师引导学生分析：球内空气被抽走，内部气压很小，
是外部空气产生的压力挤压半球，使半球不能被拉
开。

这种常规式马德堡半球实验现象明显，能很好
地验证大气压强的存在。

图5　马德堡半球实验
有学生反问：如何更直观地证明是球外空气的
作用，使两个半球紧紧合在一起？
创新实验：如图6、图7、图8所示，将两个吸盘
（相当于马德堡半球）相对挤压，排尽盘内的空气
后，发现两个吸盘很难被拉开。

把合为“一体”的吸
盘一端竖直挂在真空罩内，然后逆向思维操作，用
抽气机将罩内吸盘外的空气抽出，让学生观察实验
现象。

学生惊奇地发现，在抽气过程中，下面的吸
盘慢慢地与上面的吸盘脱离。

教师提问：下面的吸
盘为什么会脱落？有了以上证据，学生不难做出推
理：吸盘内近似真空，吸盘外也近似真空，下面的吸
盘没有了空气的压力，吸盘的内外都没有了空气的
作用，下面的吸盘就会因为受到重力而改变运动状
态。

这样便得出是大气压的作用，让我们看到了马
德堡半球实验的震撼画面。

以上实例，将传统实验
与创新实验有机结合，步步为营，分析综合，为学生
的创新思维发展搭梯子，从而有效培养学生的科学
推理能力。

图6　两个吸盘
紧紧吸合
图7　下面吸盘
已有脱落趋势
图8　下面吸盘
完全脱落
创新实验3：做功改变物体的内能
如图9、图10、图11所示是做功改变物体内能
的创新实验，实验所需器材有：喷水壶，PT100温度
传感器，
自制小风扇。

图9　喷壶
打气装置
图10　PT100
温度传感器
图11　壶身与
自制小风扇
如图12所示，将传感器探头置于壶内，将自制
小风扇固定在喷壶喷嘴口的正前方，这样，一个做
功改变物体内能的简易装置就制作完成了。

如图13所示，使用活塞对桶内气体做功。

在
这个过程中，活塞的机械能转化为被压缩空气的内
能，使桶内气体内能增大，温度升高。

PT100温度
传感器可以显示桶内气体的温度。

这样就可以验
证是外界对物体做功，使物体内能增大，
温度升高。

图12　做功改变内能演示器图13　打气物理·名师论道
如图14所示，桶内气体对小风扇及周围气体做功，可以直观看到小风扇被气体推动而转动起来，同时看到温度传感器显示温度下降，即物体对外界做功时，物体
内能减小，温度降低。

PT100温度传感器让实验呈现的证据可信度更高，对推动培养学生的科学论证能力起到了关键作用。

由于热传递的存在，停止打气后（但不放气），即物体不对外做功时，温度也会下降，传感器温度示数也会变化，这个问题该如何解决？
如图15所示，制作两组简易装置，采用对照组的方式进行实验创新：待两个温度传感器显示的温度相同时，就将两个壶内的空气压
缩至相同温度，然后一组放气，一组不放气，让学生观察温度的变化情况。

可以发现，放气的这一组温度下降得很快，不放气的那组温度下降得很慢，这就充分说明了，除热传递外，做功也是改变内能的一种方式。

以上实验操作可以有效引领学生思维进阶，让学生的思维由感性认识上升到理性认识。

用“证据”说话，在对比中比较获取的不同信息，让科学论证思维提升了高度，拓展了宽度和深度。

整个设计提倡运用“证据物理”的理念进行学与教，通过“寻找证据”“解释证据”来发展学生的科学思维，用生活中的简易器材制作出做功改变内能的演示器，帮助学生获得说服力强的证据，使学生在“寻找证据”的过程中成长。

启发学生解释证据，引导学生掌握科学方法，提升学生的科学推理与归纳能力，让学生充分经历知识（证据）诞生的过程，进而具备提出创造性见解的品格和能力，这不正是发展学生科学思维所必需的吗？
三、通过实验创新，培养学生的质疑创新能力
创新实验4：干冰的升华
在盒里放入适量的干冰，然后往盒中倒入热水，学生就可以看到如图16所示的实验现象——仙气袅袅。

教师启发学生思考：此现象形成的原因是什么？学生分组讨论，并发表各自的见解：倒入热水后，干冰迅速升华并吸热，降低了周围水蒸气的温度，使水蒸气液化成小水滴，出现雾状，形成壮
观的“冰瀑现象”。

在学生赞叹“冰瀑的美”的时候，教师要及时发问：“你如何让它变得更美？你有哪些创新？”有学生说：“我给白雾
打上彩色灯光，利用光的色彩更好地呈现冰瀑的壮丽，红光照射可以看到红瀑，绿光照射可以看到绿瀑……”根据学生的回答，教师可让学生亲自操作，用光源打出各种色光。

如此一来，全体学生不仅了解了使冰瀑更美的方式，还感受到了物理之美、创造之美。

教师继续启发：除此之外，你们还有什么好办法？有小组展示：配音乐。

配音乐能让画面更有意境，在音乐中享受物理之美，跨学科的思想和意识也融入创新实践之中。

这样做，不只是让学生惊叹实验现象之美，更是让学生在做中学、用中学、创中学。

创造美，不是让学生只看到“满汉全席”，
而是给学生呈现“原材料”，启发学生加工、创造，把它们变成“思想创造的盛宴”。

美丽冰瀑的形成，是学生集体讨论的智慧成果，学生在质疑中发展了创新思维，提升了创新能力。

总之，在初中物理课堂教学中，教师要特别重视实验创新，做到迁移应用，培养学生的科学推理思维；证据归纳，培养学生的科学论证思维；点拨启发，培养学生的质疑批判思维。

科学推理和科学论证相辅相成，紧密相连，构建“证据”要做到两点：一是充分获得证据，二是对证据进行有效表述。

实验改进创新后，我们获得的证据更充分，而这些证据也有更明确的价值取向——数据准确，支持主张。

证据的有效表述是构建科学论证的关键，学生只有条理清晰地表述证据，才能将问题说清楚，做到更好地支持主张。

教师只有做到了这些，才能更好地发展学生的科学思维，让培养核心素养的种子落地生根。

［ 参 考 文 献 ］
［1］ 张世成.证据课堂：证据物理的十年探索［J ］.中学
物理教学参考，2020（28）：5-9.［2］ 樊党娟.指向学生科学思维的物理实验创新能力培
养：以中考试题中“物理科学思维能力的考查”为例［J ］.中学物理，2021（16）：12-14.［3］ 陈民兵，费志明.模型认知视域下课堂教学策略［J ］.
中学物理，2022（14）：35-37.
（责任编辑　易志毅
）
图16
　干冰的升华
图15　对照组
图14　放气
物理·名师论道。