如何在物理實驗教學中提升學生思維品質與創新能力

沈正杰

(桐鄉市鳳鳴高級中學 浙江 嘉興 314500)

1 問題的提出

建構主義認為，學習環境中的情境必須有利于學習者對所學內容的意義建構．在教學設計中，創設有利于學習者建構意義的情境是最重要的環節或方面．建構主義的教學原則中也指出：“真實的活動是學習環境的重要的特征．就是應該在課堂教學中使用真實的任務和日常的活動或實踐整合多重的內容或技能．”[1]

可見，真實的情境體驗和親身經歷是學生獲取知識的重要途徑，學生對知識的真正理解應在實際體驗中逐步構建．所謂“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行”或許講的正是這個道理.

本文試圖從物理課堂教學實際教學中的習題情境、演示實驗和學生實驗等實際出發，談談對物理課堂教學中經過實驗的優化和完善，促使學生“真實經歷體驗”，從而提升學生思維品質，培養學生創新能力．

2 案例呈現與淺析

【例1】如圖1(a)所示，用一根細繩和一根輕桿組成三角支架，繩的一端繞在手指上，桿的一端頂在掌心，當A處掛上重物時，繩對手指、桿對手掌均有力的作用．對這兩個作用力的方向判斷完全正確的是圖1(b)中哪一幅圖對于學生而言，“按實際作用效果”這一文字性描述在認知上是抽象的，因為作用效果應該是真實感受到的．對此，教師可以通過演示實驗創設相應情境模型(如圖2)讓學生經歷體驗，而并非以灌輸的形式“強迫”學生接受．

圖1

圖2 教師用演示實驗創設情境

“獲得知識的多少取決于學習者根據自身經驗去建構有關知識的意義的能力，而不取決于學習者記憶和背誦教師講授內容的能力．”教師在課堂教學中若注重從學生實際認知出發，構建與學生實際認知相符的實驗教學情景，往往可以促進學生認知的進一步發展．

【例2】如圖3所示，水平板上有質量m=1.0 kg的物塊，受到隨時間t變化的水平拉力F作用，用力傳感器測出相應時刻物塊所受摩擦力Ff的大小．取重力加速度g=10 m/s2．下列判斷正確的是

A．5 s內拉力對物塊做功為零

B．4 s末物塊所受合力大小為4.0 N

C．物塊與木板之間的動摩擦因數為0.4

D．6～9 s內物塊的加速度的大小為2.0 m/s2

圖3

本題涉及知識點較多，但重點在于“力傳感器測出相應時刻物塊所受摩擦力Ff的大小”這句話，所蘊含的實驗情景和相關經歷體驗，是否在實際課堂教學中能真正實現．

人教版物理教材在“摩擦力”相關教學內容設計上是通過如圖4所示實驗情景探究的．通過實驗探究可以較好地“記住”最大靜摩擦力，但對于摩擦力動態變化過程并不能完整體現．教材補充方案是，“如果用力的傳感器代替彈簧測力計做這個實驗，能夠在計算機屏幕上直接得到拉力變化的圖線”．人教版2004年5月第一版相應內容編排，要求學生從相應圖景(如圖5所示)分析“木塊什么時候開始移動”．

圖4

圖5

我們認為教材編排的變化，就是希望教師能利用相應實驗器材通過實驗演示或學生體驗等形式，加強學生的體驗感受．教師若不能從教材和學生實際出發，不能重視對實驗情境的創設和優化，必然會導致學生缺少相關情景經歷，對圖像意義不能真實感受，影響基本知識的理解．

3 問題解決與實例分析

3.1 完善實驗過程 加深情景體驗

對于例2相關內容，在實際課堂教學中利用力傳感器得到的實驗結果如圖6(a)所示，改變正壓力可以得到如圖6(b)所示圖線．通過相關實驗圖線展示、比較，不僅加深了學生體驗，而且有利于學生在此基礎上進一步從圖線的異、同點觀察、比較和分析，并得出實驗結論、總結規律．這有助于學生在真實感受中拓寬視野、感受新知，實現物理課堂中“既見物又見理”．

圖6

正如建構主義所指出的“知識不可能以實體的形式存在于個體之外，盡管通過語言賦予了知識一定的外在形式，并且獲得了較為普遍的認同，但這并不意味著學習者對這種知識有同樣的理解．真正的理解只能是由學習者自身基于自己的經驗背景而建構起來的，取決于特定情況下的學習活動過程．否則，就不叫理解，而是叫死記硬背或生吞活剝，是被動的復制式的學習．”

3.2 改進實驗方案 提高思維品質

教材雖然從更大程度上體現了經歷體驗的重要性，但限于篇幅大小和教材選用區域不同等因素影響，不可能收錄過多探究內容．如《高中物理·必修1》第三章“相互作用”第2節“彈力”課題中關于“微小形變放大”思想的實驗情景，教材編排上以如圖7所示實驗裝置觀察桌面微小形變．本實驗體現了很巧妙的實驗思想，但在實際教學中一方面實驗器具及安裝相對而言也比較繁瑣，另一方面則由于力F按壓桌面實際操作上存在瞬時性，光點移動比較快，實驗的可觀性受一定影響．對此，我們可以在實際操作中通過模型轉變，在類比的基礎上體現“微小形變放大”．

圖7

如圖8所示，從(a)、(b)兩圖比較，學生根據初中所學知識，可以分析出桌面與“海綿”對書本的作用力是一樣的；而(a)、(c)比較中，學生同樣可以分析桌面對書本和重物的作用效果是一樣的．在上述比較中通過圖(d)情景學生自然就容易得出(d)與(b)、(c)的效果是一樣的．

圖8 探究“微小形變放大”的實際模型

實驗中借助“海綿”將桌面的“微小形變放大”，從學生認知角度看，相應實驗情景更有助于激發學生的學習興趣和探究與創新意識培養．可見，實驗方案的改進能夠提高學生的思維品質.

3.3 開發實驗素材 激發探究意識

建構主義學習理論認為：在建構主義學習環境下，教學設計不僅要考慮教學目標分析，還要考慮有利于學生建構意義的情境創設問題，并把情境創設看作是教學設計的最重要內容之一．因此，通過創設符合教學內容要求的情境，激發學生的學習興趣，幫助學生形成學習動機是教師在教學過程中發揮指導作用的重要環節．

比如，在人教版《物理·選修3-2》的 “楞次定律”一節中，在課題引入階段，我們可利用強磁鐵靠近一個從鋁制可樂罐上剪下的鋁環(裝置如圖9所示)．當強磁鐵緩慢離開時，鋁環保持靜止；當強磁鐵迅速離開時，鋁環“神奇”地被吸上去了．這一情境，以生活中學生熟悉的可樂罐為載體，借助強磁鐵“魔術式”表演所帶來的視覺沖擊，從學生已有認知水平上激發學生的認知沖突，有助于學生主動地建構意義，引發探究．

圖9 用強磁鐵和鋁環驗證楞次定律

3.4 預設實驗空白 提升思維技能

從人教版物理教材內容編排上來看，相當一部分實驗由前期驗證性實驗改為探究性實驗．這種變化，很大程度上體現了編者期望物理教學和教師，在物理課堂教學中能更多地從學生主體出發，培養和提高學生的思維品質和思維技能．然而，在實驗課堂里，我們依然更多地看到教師詳細地介紹每一步操作、要點及注意事項，不遺余力地分析實驗方案．

事實是，沒有體驗的、灌輸式的教學方式中，學習是被動的復制式的學習．這樣的學習勢必嚴重阻礙學生探究意識的培養和思維品質的提高．在實驗教學中，教師應通過預留空白，給學生“犯錯”的機會，讓學生在真實情境的經歷體驗中，通過新舊知識經驗間反復的、雙向的相互作用建構意義，提升思維品質．

比如，人教版《物理·必修1》的“探究求加速度與力、質量的關系”實驗中(如圖10)，對于“改變小車質量后是否要重新平衡摩擦力”這一問題，絕大多數學生在實際操作中不會去考慮．而教師在課前對這一問題強調與否，對學生思維技能的訓練和提升效果是截然不同的．若強調該問題，學生操作過程中自然不考慮．若課前預留該問題，而在學生實驗后提出，就可以很大程度上激發學生探究，深入思考問題的本質．這也就真正意義上體現了在教學過程中教師扮演的協作者、引導者角色．對學生而言，則可以以自己原有的知識經驗為基礎，對新信息重新認識和編碼，建構自己的理解，提升思維技能．

圖10 在“探究加速度與力、質量的關系”實驗中，預設空白問題

4 問題綜述

在物理實驗教學中，通過習題情境模擬、演示實驗及學生實驗，加強學生經歷體驗，是學生在一定情境中意義建構的重要途徑，更是促進學生認知發展和思維品質提升的重要載體．這不僅有利于推動教師在教學模式的轉變中提升教學技能，更可以促進學生在基本經歷體驗中使知識、技能和思想向更高層次發展．

參考文獻

1 徐斌艷，吳剛，高文主編.建構主義教育研究.北京：教育科學出版社，2008

2 中華人民共和國教育部制定.普通高中物理課程標準(實驗).北京：人民教育出版社，2003.50