摭談基于創新學力培養的高中物理“云實驗”教學

季志鋒

(江蘇省西亭高級中學 江蘇 南通 226301)

1 概念形成的教學背景

1.1 背道而馳的實驗教學

2013年1月30日《中國教育報》刊登了一篇針對上海實施課改后對物理實驗教學一次專項調研報道——“實驗為何與課堂教學漸行漸遠”，上海某個區的實驗開設率不足80%，推演到全國其他地區估計實驗開設率不足50%的地方會有很多．目前學校在各地行政部門的大力投資下,已基本實現教育裝備現代化、數字化．而多數實驗器材處于閑置階段，甚至仍躺在包裝盒里，至今還未拆封．實驗室的大門對學生處于長久關閉狀態，每學期幾次臨時考場算是實驗室展示風采的最好時光．為何物理實驗真實的開設率持續居低？究其原因，除了當下高考急功近利，筆者認為教師思想松懈，理念陳舊，技能不足是造成這種狀態的主要原因．

1.1.1 省時、“省心”

教師課前準備一個實驗至少要花個把小時，甚至一整天，而課堂上和學生做一下實驗充其量幾分鐘．如果從網絡上下載相關實驗視頻或利用動畫模擬實驗，則方便了許多，教師不愿意多花這時間，因此課堂上真實的實驗越來越少，視頻上“實驗”和Flash動畫模擬實驗越來越多．更有甚者連上網搜索視頻也給省了，直接黑板上“講實驗”．另一方面，自己動手操作實驗，偶然的因素會很多，實驗存在失敗的風險，尤其是學生實驗，結果更難預測，教師則需要“費心”指導、“費心”解釋．而網絡實驗視頻往往是相對比較成功的演示實驗，如果采用Flash動畫模擬實驗的話要多“精確”就能多“精確”，教師無需“擔心”實驗結果，更不必要“費心”指導操作．

1.1.2 有針對、有效果

物理高考也考實驗題，但無非是些實驗原理的分析、實驗步驟的識記、實驗數據的處理以及簡單的誤差分析，沒有真正意義上的動手測試，教師通過講實驗、播放實驗和典型實驗習題的講解和分析，有針對性地提升學生解決實驗題的能力．而真實的實驗對學生高考得分的影響不大，在高考分數的指揮下，講實驗、做實驗習題的效果或許更好．因此，在教師的“權衡”下舍棄了真實多彩的實驗而更多地采用模擬實驗．

1.1.3 技能缺失

近年來，本人多次作為某市物理教師優課評比和初中物理教師實驗技能大賽的評委，賽后發現絕大多數初中教師不會連接分壓式電路，相當多的教師不會檢查電路連接故障，能連接電橋電路的教師微乎其微．教師本身的實驗技能不強已是不爭的事實，正所謂數字化實驗在推動新課改、改變學生學習方式和教師創新實驗上取得了進展，但是教學生做實驗卻恰恰是我們許多物理教師最不擅長的[1]．

1.2 學生切實對實驗的需求

1.2.1 學生心理的需要

錄像實驗、動畫演示都能引起學生的好奇，更何況學生親自參與的實驗．每當做演示實驗時，學生全都是翹首以盼，全神貫注地觀察實驗的現象；每當學生分組實驗，都有學生情不自禁地在實驗開始前撥弄器材，提前操作．學生好動的心理促使其對實驗有一種向往，學生求知的心理來自于對實驗有一種神奇感．實驗本身特點是激趣析疑，身臨其境的實驗操作更能激發學生內在學習動機，增強求知欲．

1.2.2 學習過程的需要

復習是學習之母，那么觀察就是思考和識記知識之母．觀察是智慧最重要的能源[2]．給學生做5 min的實驗有時候可以弄清講半個小時才能懂的知識．學生通過觀察實驗現象，由現象進行抽象思維，用思維把握一系列相互作用的事物、事實、現象和事件．通過實驗可以啟迪智慧，發散思維，這是學習過程中必須的環節．不否定數字化實驗在幫助學生建立物理情境時所發揮的作用，但真實的實驗操作還可以增加學生實驗操作技能，還能在不可預計的生成中促進思維，創新思維．

1.3 社會發展的需求

1.3.1 國際教育發展的需求

隨著國際學力競爭的加劇，世界各國的學校教育實踐已從“知識中心”轉向“思考力中心”、轉向能動的、扎實的、能夠實際運用的能力．學校教育已從立足基礎學力向創新學力培養轉變，從重視個體發展向關注合作學習形成“學習共同體”轉變．學生的學習不是孤立的，而是在同其他學習者的關系中開展，在同其他合作者之間的合作學習中，發現思維的差異，從而培育豐富的思考，形成“學習的共同體”[3]．實驗教學具有獨特的靈動性、創新性和合作性吻合教育發展的需求．

1.3.2 踐行新課程理念的需求

高中物理課程理念旨在進一步提高學生的科學素養，立足于從知識與技能、過程與方法、情感態度與價值觀三個方面培養學生，重視課程內容的基礎性、體現時代性，重視教學過程中學生的自主性，引導學生積極參與體現合作學習，鼓勵學生實驗，培養探究意識，增強創新學力．

1.3.3 培養創新型人才的需求

毋庸置疑，實驗驗證并探索了一個又一個的原理和規律，實驗教學培養了一代又一代的人才．中國目前最缺少的就是創新型人才，缺少土生土長的理工科諾貝爾獎獲得者．學生在當下的教育背景下正逐步喪失創新力，丟失學習研究的原動力．

實驗教學對學生有深遠的影響，基于新課程夯實學生基礎學力、培養創新學力的理念，立足于當代信息化、數字化教育裝備建設空前發展的現狀，仍遵循當下高考的模式和指導，筆者提出基于創新學力培養的高中物理“云實驗”教學的構想．

2 概念的建構與特點

2.1 概念的建構與剖析

2.1.1 創新學力

學力，即學術上所達到的程度，知識和能力是學力的主要構成因素，興趣、情趣、理想、信念、意志、性格等是學力不可或缺的軟性構件．學力不是一個靜態體系，而是一種動態系統，具有不斷發展性、再生性．

創新學力，就是在興趣的引領下樹立正確的志向，具有完整的、健康的人格品質，善于發現新問題，善于用創造性思維解決問題、不斷發展的物理思維能力所達到的程度．其內涵主要是指學生基于基礎學力上借助一定的教育環境、資源和各種學習實踐、思維創新活動，使內在素養得到提升、外在行為得到矯正，最終形成具有創新性思維、發散性思維的能力和樂于學習、積極進取、勤于思考的良好人格品質．

2.1.2 “云實驗”

“云”是用語言值表示的某個定性概念與其定量表示之間的不確定轉換模型，狹義的云計算指IT基礎設施的交付和使用模式，即通過網絡以按需、易擴展的方式獲得所需的資源．

云實驗，是為了探尋某一確定的本質、規律和概念而提供的眾多、可供選擇的實驗途徑、方案(可以是確定的實驗器材，可以是生活實景、小制作，還可以是基于數字化的動畫或網絡的虛擬實驗室，甚至可以是基于實驗需求基礎上想像的實驗情境)，對應所呈現的物理思維、所涉及的實驗原理和方法、實驗的操作以及所得的實驗現象都具有相應的不確定性.最終每位學生可以根據自己的興趣、愛好和需求選擇，實現同一個目標，同時通過交流展示使每個學生獲得盡可能寬廣的思維方式的一系列試探性操作．

2.1.3 基于創新學力培養的“云實驗”教學

基于創新學力培養的高中物理“云實驗”教學是教師和學生共同營造云實驗情境，以生活實景、科技制作、網絡模擬以及科學想像為載體，基于情境，開拓思維，增強技能，培養創新力，注重學生立志、做人、人格、興趣、思維、實踐操作、探究方法上的銜接，立足于學生志、趣、能匹配協調發展的情境教學[4]．

2.2 “云實驗”教學特點

2.2.1 情境多樣性

基于創新學力培養的高中物理“云實驗”教學是建立在豐富的場景基礎上的，讓學生參與實踐操作或重現生活實景，在交流中豐富知識、建構知識、完善技能的建構活動．在無法用生活實景、真實實驗操作時可以利用動畫模擬、網絡實驗平臺創設情境．例如，在學習“探究彈簧彈性勢能的表達式”時，首先要知道彈性勢能和哪些因素有關．根據學生原有的知識更多地創設生活實境，可以提供彈性桿、橡皮筋、弓箭、彈簧等彈性實物進行探究．學生根據已有的知識可以分析出形變量越大，在力方向上的位移越大，力做功越多，物體所具有的勢能也就越多，從而建構出彈性勢能與形變量有關．同時，也可以利用上述物體感受其所蘊藏著的勢能，如將橡皮筋拉伸后彈射一個小紙團，形變量越大，彈射紙團的射程越遠．也可以提供高清高倍攝像機拍攝皮球落地及反彈的視頻，皮球與地面接觸發生形變，其形變量越大，反彈的高度越高，從而也可以建構出彈性勢能與形變量有關．也可以提供競技比賽中的射箭運動視頻，讓學生討論箭離弦后運動的距離跟哪些因素有關來建構新的知識．如涉及天體運動以及物體的微觀結構時可以通過動畫模擬創設情境．

2.2.2 操作創新性

“云”的概念更廣泛地應用在商業領域，體現了一種服務理念——按需服務．基于創新學力培養的高中物理“云實驗”教學是根據學生個體知識、能力結構自主建構實驗方案的一種操作性實踐活動．例如在“探求合力的方法”中，提供橡皮筋、帶繩套的細線、方木板、白紙、多個已知質量的鉤碼、彈簧測力計(2個)、兩個可固定在方木板上的小滑輪(或較為光滑的鐵釘)等器材讓學生自主制定實驗方案實施研究．絕大多數學生通過預習會采用書本上的實驗方案，即先用兩根彈簧測力計沿某一方向拉橡皮筋，記錄F1，F2的大小和方向及結點的位置，再用一個彈簧測力計拉橡皮筋，使結點到原來位置記錄此時的F的大小和方向，然后進行比較分析．其實真正放手讓學生自主實驗，會有少數學生只采用一根彈簧測力計進行實驗，分兩次測量F1，F2．同時，還會生成出其他的設計方案.

(1)用已知質量的鉤碼替代一個彈簧測力計，其他器材不變，將木板豎直放置，先用彈簧測力計朝某一個方向拉結點，保持三根細線處于同一個豎直面內，如圖1(a)所示，此時鉤碼的重力和彈簧測力計的拉力是分力．再撤去鉤碼，只用一個彈簧測力計拉細線，使結點到原先同一位置，此時彈簧測力計中的拉力就是合力．

(2)如圖1(b)所示，3個已知質量的鉤碼，分別掛在細線套上，細線跨過滑輪(鐵釘)，讓3根細線處于同一豎直平面內，當3個鉤碼均處于靜止狀態，m1，m2的重力分別表示兩個細線中的拉力，即分力.如果只用一個力拉，即與m3的重力等大反向，故將m3的重力大小表示成合力的大小，合力的方向豎直向上[5]．

圖1

2.2.3 主體能動性

基于創新學力培養的高中物理“云實驗”教學是基于生活，聯系當代信息技術，關注科技發展，重視研究方法培養的能動性實踐活動．同一教學內容有時可以提供實驗探究、理論推演、聯系生活實景、上網檢索、應用數字實驗平臺等研究方法．學生可以根據自身的興趣愛好、知識能力水平自主選擇相應的研究方法．通過滲透不同的研究方法，發揮學生自主能動性，掌握分析問題、解決問題的一般思路和方法．例如，在“探究加速度與力、質量的關系”時，可以采用定性比較的方法，即兩輛小車在相同材料的軌道上運動，比較相同拉力不同質量或相同質量不同拉力情況下的運動，進而分析加速度與力、質量的關系；可以通過定量計算的方法，即通過打點計時器研究小車的運動，測量不同力或質量時小車對應的加速度；可以通過DIS數據采集系統較精確地測出小車的受力及對應的加速度來研究；學生可以利用網絡實驗可重復利用性，先自主設計實驗、預演實驗、熟悉實驗操作的步驟和環節，再進行真實的實驗并對照分析誤差，但模擬實驗不可以替代真實實驗，缺乏真實感的實驗會損傷學生的能動性和創造性．

3 “云實驗”教學的優點及可能存在問題

3.1 “云實驗”教學的優點

3.1.1 協調學生志、趣、能匹配發展

基于創新學力培養的高中物理“云實驗”教學是回歸于實驗、回歸于社會、回歸于學生的一種教學實踐．教育家陶行知提出“教育以人為本，生活即教育，社會即學校，教學做合一，一切從實際出發，從生活出發”的思想．“云實驗”教學把真實實驗、社會生活、科技制作、科技創新、網絡世界以及學生的感性認知和理性思維融合在一體，將學生領進真實的、逼真的、有感性認知基礎的活動中，使學生親身感受生活實景和理解知識的產生和發展，喚起其內在的潛能，形成完整的人格品質，促使其對新知識、新技能的掌握產生強烈的興趣和動機．日本著名課程專家佐藤正夫指出“喚起學生的學習興趣、誘發認知興趣、活躍智力積極性對教學過程中發展知識和技能有決定性意義．”當代教育家李潔玲老師多年開展的情境教學、教育實踐研究，表明了情境對學生的興趣、能力、態度、人格都有一定的促進作用．因此“云實驗”教學對學生人格的形成、興趣的培養、志向的確定、能力的發展有深遠意義．

3.1.2 促進學生的創新學力提升

基于創新學力培養的高中物理“云實驗”教學，是根據學生的需求、興趣和能力特點，提供多種研究的渠道，按需滿足其研究學習的一種教學活動．云實驗本質是一種基于理性、突出技能、重視邏輯、拓展思維、創新思維的實踐操作體，其目的是為了更有效地培養學生的洞察力和想像力，更有效地發散學生思維、創新學生思維．“云實驗”教學是基于情境教育的一種靈動的教學實踐，通過問題情境化，催促學生進行創造性思維活動，誘發發散性思維和集中性思維，使學生由景生情，由情生趣，由趣激思，由思生辨，使學生受到多方位、多維度情感的熏陶，使學生思維發散、思維創新．尤其通過學生的交流展示，使每個個體的思維得到最大限度的拓展．

3.1.3 更新教育理念，促進教師專業成長

“云實驗”不是簡單的一些實景堆砌，而應是基于某背景下的多種研究方法、途徑的集合，包括課前的預設和課堂的生成．“云實驗”教學是建立在教師學習先進教育理念，深入研究教材、教學內容和學生實情基礎上的一次組織教學活動．就某一教學內容教師需從多維度挖掘素材，立足于情境，從生活思考，基于實驗，盡可能廣地發散學生思維、創新學生思維進行設置教學過程．因此，教師必須具備一定的理論基礎、研究基礎、收集和整理信息的能力以及有一定的創新思維．

“云實驗”教學是基于物理學科的特點和高中生的思維特點而進行的實驗教學．實驗教學本身是中學物理教學過程中的重要組成部分，同時也是體現物理學科研究問題方法的重要環節．因此，教師要具備一定的實踐技能和實驗能力．

“云實驗”教學需要改變教師的教學觀念，從單一的知識傳授到多維度能力培養轉變，從單一方法到靈動的、多樣的、創新的方法轉變，從注重教條的課前預設到更多的關注課堂生成的轉變．只有當學生獨立思考，展開活動，積極地鉆研教學內容時，即當學生成為自我活動的主體時，真正的學習過程也就形成了[6]．早在2 000多年前孔子就提出“不憤不啟，不悱不發”人性的一面，這時教師真正成為學習的合作者、引導者．同時，教師在教學研究、師生交流中也得到愉悅，獲得成就，陶冶情操，在這功利型的社會里尋求到一點心靈的依托，從而樂教、思教、善教，促使專業成長．

3.2 問題呈現

教師需要花費大量的時間研究教材、教法，設置實驗，尋找資料，成倍地增加了教師的工作量，教師主觀上未必愿意．教學過程呈現出復雜性、多樣性，對教師自身素養的要求可能過高，教師要不斷學習，提升自身的專業技能和專業水平．教學實施過程的生成性可能難以實現既定的教學內容和目標，教學過程可能會呈現出一定時空延展，而在當下學校教學管理模式和高考模式下，難以保障學生在課后花費較多的時間進行設計實驗、探究學習．

總之，筆者認為基于創新學力培養的高中物理“云實驗”教學有利于學生建構物理知識體系、理清物理規律，有利于學生對知識、認識產生關心和興趣，彰顯主觀能動性，有利于營造輕松學習、探究學習環境，適應高中學生心理，切合新課程理念，有利于培養創新性人才，提升學生創新學力，改變當下單調繁瑣的邏輯推演和枯燥乏味的、反復訓練的單一智能學力提升的應試教學模式，改變學生厭學情緒和對人生漠然態度．做到教育回歸自然、回歸生活，實現教與學和諧統一．

參考文獻

1 梁杰．實驗課開出率低、學生動手機會少、部分教師動手能力弱——實驗為何與課堂教學漸行漸遠．中國教育報，2013

2 霍姆林斯基著．給教師的建議．杜殿坤譯．北京，教育科學出版社，1984.47

3 鐘啟泉．尋求“學力”概念的建構．基礎教育課程，2012,8(8)：77

4 唐盛昌．促進高中生志、趣、能匹配．中國教育報，2012

5 季志鋒．發揮物理實驗功效，構建愉悅學習環境——例談“探求合力的方法”．湖南中學物理，2013，28(1)：44

6 佐藤正夫著.教學原理．鐘啟泉譯．北京：教育科學出版社，2002．236