應用科學探究理念拓展演示實驗功能

科學探究是普通高中物理課程改革的一個核心問題，它不僅是學生的學習目標和學習內容，也是一種重要的教學方式。高中物理課程標準中，無論是課程性質和理念，還是課程目標中都提出要關注科學探究。在內容標準中指出科學探究包括提出問題、猜想與假設、制訂計劃與設計實驗、進行實驗與收集數據、分析與論證、評估、合作與交流等七個要素，并明確了需要培養的科學探究能力的具體要求；在具體的課程實施建議中也要求高中階段的物理課應該“關注學生在科學探究過程中的學習質量，進一步加深對科學探究的理解，提高科學探究的能力”。

物理是一門以實驗為基礎的自然學科，物理實驗是培養學生科學探究能力的重要途徑。演示實驗是中學物理實驗教學的重要形式，傳統的演示實驗在展示教學內容密切相關的物理現象和規律、喚起學生的知識和經驗、激發學生的學習興趣和動機、促進學生對概念和規律的理解、示范正確規范的儀器操作方法等方面具有重要的作用，然而傳統的演示實驗并不重視培養學生的科學探究能力。因此，教師應對演示實驗進行創新設計，將科學探究的理念運用到演示實驗的教學中，讓學生經歷科學探究的過程，從而培養學生的科學探究能力，拓展演示實驗的功能。

一、讓學生經歷發現問題并分析解決問題的過程，培養學生提出問題和分析解決問題的能力

在演示實驗教學中讓學生經歷“遇到問題——分析問題——解決問題”的過程，可以讓學生自主建構對知識的理解，以培養學生解決問題的能力，同時培養學生利用已有知識分析問題并創設有利條件解決問題的能力。

例如，在介紹向心力演示儀時，傳統的做法是教師直接告訴學生向心力演示儀的裝置結構和原理。有些教師在展示向心力演示儀時采用問題驅使的方法逐步構建出實驗裝置。具體的做法如下：教師在一開始只展示了裝置的底座、轉盤和小球。這時教師把小球放在轉盤上演示，發現小球不能隨轉盤做圓周運動。教師引導學生分析原因：因為摩擦力太小，不足以提供向心力，小球將遠離圓心。在這個情境中學生很自然就能提出“如何讓小球隨轉盤做圓周運動？”的問題，教師稍作引導，學生就可以結合原有的知識經驗，自己得出解決方案：在小槽上固定一塊擋板，使擋板對小球的彈力提供向心力，這樣小球就可做圓周運動了。使小球做圓周運動之后學生又面臨“如何測出小球所需的向心力？”大小的問題，小球所受向心力的大小很難直接測出，教師稍加引導后，學生提出用彈簧秤來測出小球對擋板的壓力進而間接測出小球所需的向心力的大小。這時教師演示學生設計的方案，發現彈簧秤隨轉盤轉動，無法準確讀數，這時學生又提出“如何才能準確讀數？”的問題。教師引導學生分析轉盤轉動時，發現只有圓心處是不轉動的，因此可把水平放置的彈簧秤換成豎直放置并固定在圓心處，裝上彈簧，加上刻度，套上套筒的彈簧秤，并用鐵片來代替擋板，鐵片一段與套筒相連，在鐵片前面放上小球，轉動轉盤時，小球對鐵片產生壓力，就可通過套筒里露出的紅白刻度來間接測出向心力的大小。

該教師介紹演示實驗儀器時，并沒有直接告知學生儀器的構造，而是設計了三個遞進的問題，讓學生在一系列發現問題、解決問題的過程中逐步組建實驗儀器。通過這種方式，學生不但能理解向心力演示儀的裝置原理，還體會了發現問題、提出問題并利用已有知識去創設條件分析解決問題的過程，很好地培養了學生提出問題、分析解決問題的能力。

二、讓學生經歷建立假設并設計方案驗證假設的過程，培養學生的猜想與假設能力和實事求是的科學態度

“猜想與假設”是探究過程的重要環節，它是使學生思維發散的最為活躍的階段。在進行演示實驗時，應留給學生適當的猜想與假設的空間，讓學生根據已有知識經驗進行猜想與假設，這樣不但能激發學生的發散思維，調動學生學習的主動性和積極性，還能夠培養學生的猜想與假設能力。在學生進行猜想與假設之后，進一步鼓勵學生設計實驗來檢驗自己的猜想與假設是否正確，可以讓學生在主動獲取知識的過程中形成事實求是的科學態度。

例如，在通過演示牛頓欄導入動量守恒定律時，傳統的做法就是直接演示碰撞的過程進而導入課題。有些教師在利用演示牛頓欄導入動量守恒定律時采用師生共建演示實驗的方式層層深入進而導入動量守恒定律。具體做法如下：教師在介紹完實驗裝置之后，并沒有直接進行操作，而是提出問題讓學生猜想：如果將一端的一個小球拉起后釋放，會看見什么現象呢？這時學生根據自己的知識經驗提出了兩種猜想：a.小球擺下后會與下面的小球發生碰撞，另一端有一個小球會被撞起來。b.另一端的小球會被撞起來，但撞起來的個數與小球拉起的高度有關。這時教師引導學生設計實驗方案來驗證他們的猜想，學生自己設計得出實驗方案：將一端的一個小球拉起，使懸線與豎直面成不同角度且處于張弛狀態。靜止釋放小球，觀察小球釋放后的現象，若另一端只有一個小球被撞起來，則說明猜想a是正確的；若從不同角度釋放撞起來的小球數不一樣，則說明猜想b是正確的。這時再由教師來進行操作：將一端的一個小球拉起，使懸線與豎直面分別約成20°、30°、40°、50°釋放，與被拉起小球相鄰的第1、第2、第3個小球均未動，第4個小球被撞起，擺動上升至與拉起小球幾乎相同高度后擺下。

該案例中教師在提出要演示的問題之后，并沒有直接演示讓學生觀察，而是先讓學生猜想，并設計方案來驗證自己的猜想，這樣既能激發學生的學習興趣，讓學生進入積極思維的學習狀態，還能培養學生的猜想與假設能力。

三、讓學生經歷分析與論證并得出結論的過程，培養學生提取和處理信息的能力和邏輯推理能力

學生在概括歸納得出并解釋結論的過程中，不僅要搜集證據，而且要將觀察和實驗的結果與自己已有的知識經驗聯系起來，借助于分析、推理提出現象或結果產生的原因，并在實驗證據和邏輯證據的基礎上建立各種變量間的聯系，從而形成以已有知識和當前觀察與實驗結果為基礎的新的理解。在觀察完演示實驗現象或者得出實驗數據后，教師可以把對實驗現象進行分析、解釋和對實驗數據進行處理的機會留給學生，引導學生通過自己的思維過程構建對新知識的理解，讓學生從已有的實驗現象和數據出發，提取有效信息，經歷邏輯的分析、綜合、判斷、概括等一系列的思維過程，從而實現從感性認識到理性認識的躍遷。

例如，在學習超重和失重時，很多教師在演示完實驗現象之后就直接引導學生分析得出結論。但有的教師在用自制模擬電梯并測量得出電梯上行和下行過程中力的傳感器所受的鉤碼的拉力的變化曲線之后，并沒有直接和學生一起分析得出結論，而是讓學生根據演示實驗所得圖像數據完成如表一所示的實驗探究表格。

該教師在做完演示實驗得出圖像數據之后，并沒有直接分析圖像，而是準備了探究表格讓學生自己分析處理實驗數據，得出實驗結論。在此過程中，學生不但通過探究得出實驗結論，體驗到獲得知識的喜悅，還學會了如何分析實驗數據，提取關鍵信息；如何根據實驗數據判斷推理得出實驗結論。

將科學探究理念融入演示實驗的教學過程中，不但能給學生提供自主建構知識的機會，也可以在此過程中培養學生的科學探究能力。

（責任編輯黃春香）