基于學科素養的物理實驗情境教學

涂振章

實驗作為物理教學的重要基礎、重要內容、重要方法和重要手段，具有重要的地位和作用。但是，在實驗教學中，仍存在著明顯的不足，主要表現有：“只注重實驗的數量，不注重實驗過程的教學質量”；“學生實驗只注意動手能力的訓練，不重視思維能力的培養”；“測量、驗證性實驗較多，探索、設計性實驗較少”；“只重視獲得實驗結論，不重視展示實驗過程”等。

教學調查表明，這樣的實驗教學使多數學生產生“實驗只是看看有味，做做有趣、實際并沒有多大意思（或作用）”的反應。在教學中我們只是憑著物理實驗本身具有的形象鮮明的特點，自然地激發和滿足了學生的知覺好奇，而忽視了思維由形象向抽象的提升，以及更高層次的思維動機的激發和強化。例如教學“物體內能的變化、熱和功”時有個演示實驗：壓縮厚玻璃筒中的空氣，使空氣內能增加溫度升高，從而使筒內易燃物著火。實驗中明亮的火花給學生以鮮明深刻的印象。然而，實驗的研究對象是什么（空氣）？為什么要放入易燃物（顯示氣溫的升高）？實驗要說明什么？對這一系列重要的問題，在火花閃過之后學生常常仍不清晰、不明確，強烈的視覺感受反而抑制了對重要問題的關注與思考。但若改變教材上一舉成功的做法，而是實驗時厚玻璃簡內先不放易燃物，壓縮筒內空氣。要求學生仔細觀察空氣的內能有無增加。學生就會感到困惑：空氣內能增加與否怎能看得見？此時自然地引出一個實驗設計的問題情境：怎樣變“不可見”為“可見”？順著這樣的思路展開過程組織實驗教學，由于實驗是學生主動參與設計的，設計目的明確，實驗后學生無論是對實驗所揭示的結論還是實驗的設計思想均留下了深刻的認識和理解，甚至終生難忘。可見，重視問題情境的創設和思維動機的激發是優化實驗教學過程的一條有效途徑。物理實驗教學應以實驗為載體展開過程，以問題為線索，力求實驗與思維有機結合，層層遞進，使學生始終處于積極參與的狀態之中，這樣既優化了實驗教學的過程，展現了物理學自身的魅力，又體現學科素養的要求。

一、創設問題情境，展現實驗的設計思想

設計思想是為了解決問題而思維的結果，對于課本上大量的演示實驗和學生實驗，我們不能采取簡單的“拿來主義”，照方抓藥，機械操作，而應該通過創設問題情境，如：“應該進行怎樣的設計？”“為什么要這樣做？”“換一種方法能不能做？”等等，有意識地創造一種探索的氛圍，盡量展現實驗的設計過程，使之成為師生共同參與的“亞研究”過程。以此來滲透物理思想，啟迪學生思路。

例如“驗證動量守恒定律”實驗，我先給學生提供實驗器材，讓學生體驗如何根據實驗目的去確定研究對象。接著提出如下問題，引導學生自己得出結論。

問題1：利用什么器材能使小球獲得穩定的速度？

結論：利用斜槽，并讓小球從等高處靜止釋放。

問題2：設計怎樣的碰撞過程可使實驗簡單又合理？

結論：一球靜止，對心正碰。

問題3：根據提供器材能否直接測量小球碰撞前后的速度？利用學過的運動知識，是否可以進行物理量的轉化測量？還應該設計怎樣的運動過程？

結論：等高平拋，將較難測量的速度巧妙轉化為較易測量的位移，等等。

問題4：請同學們自己設計其它實驗方案驗證動量守恒定律。

結論：兩擺球的擺動碰撞；斜面上的小車碰撞（利用打點計時器）；沖擊擺裝置；氣墊導軌。滑塊和數字計數器等。

對于物理學中的經典實驗，我們也應積極創設問題情境，引導學生去追溯物理學家思考研究的源頭，他們那精巧的設計，獨到的方法、深刻的分析，都是值得我們繼承和發揚的瑰寶。例如伽利略研究物體機械運動的規律，曾無數次進行斜面實驗，為什么選用斜面？（沖淡重力，放大時間）：卡文迪許利用扭秤實驗，第一次測得了萬有引力恒量，它是如何放大微小引力的作用效果的？實驗原理設計中進行了哪三次轉化和三次放大？等等，從中吸取物理思想的營養。

二、創設問題情境，拓展實驗內容

物理規律的表現形式是多層次、多側面的，各種物理現象也是豐滿、立體的，但教材為我們提供的實驗方案卻往往著眼于單層次、單側面的實驗內容，因而有著較大的局限性或單調性。為此，我們有必要對原有的實驗內容方案進行適當的拓展和補充，積極創設問題情境，盡量讓學生能從多層次、全方位地去認識物理規律的全貌。

例如，教學“變壓器”課題時，教材僅利用幾個定量實驗近似地得出了理想變壓器的電壓關系、電流關系或功率關系。由于實驗內容單調，學生對變壓器難以留下深刻的印象：為充分展示變壓器的工作原理和工作特性，我們可以在上述實驗基礎上，盡量豐富實驗內容，變靜態實驗為動態實驗，繼續創設問題情境如下。

問題1：當變壓器原副線圈的匝數之比發生變化（變大或變?。r，副線圈的輸出電壓將隨之怎樣變化？

演示實驗如圖1（a）將導線繞上鐵芯或逐漸拉出，觀察燈泡亮度變化而得出結論。

問題2：若鐵芯沒有閉合，原副線圈有無發生電磁感應？那么閉合鐵芯起何作用？演示實驗如圖1（b），將鐵芯逐漸閉合，觀察燈泡亮度變化而得出結論。

問題3：當變壓器的負載（或負載電阻）發生變化時，原副線圈中的電流，輸入、輸出功率將會如何改變？

演示實驗如圖1（c），將電鍵逐個閉合，使燈泡依次都接入電路，觀察電流表示數的變化，分析得出實驗結論。

教學實踐表明，只有建立在如此豐厚的實驗基礎上的物理概念、規律或模型，才能使學生建構起良好的認識結構。

三、創設問題情境，擴大實驗成果

實驗完成之后，不但要引導學生對實驗進行分析、總結，并且要對實驗進行恰當的延伸，盡可能擴展實驗的成果，通過創設問題情境來借題發揮，“一題多解”、“一題多變”、“一物多聯”等，從不同角度，用不同方法進行變式實驗，這對深化理解物理知識，克服思維定勢，促進知識的遷移和運用都十分有益。

例如，教學“電場中的導體”課題時，教材中用法拉第圓筒實驗來驗證“處于靜電平衡狀態下的帶電導體，凈電荷只分布在導體的外表面，導體內部沒有凈電荷”。分別通過（如圖2）甲、乙所示的兩次操作， 有力地證明了上述結論的正確性。演示到此我們并不作罷，而是繼續創設問題情境，進行變式實驗。

問題1：如圖3所示的兩個驗電器A與B的頂端各安裝了一個金屬圓筒，驗電器B帶有電荷?，F若用帶有絕緣柄的金屬小球e把B上的電荷盡量多的搬移至A，應把e分別與B及A的外壁接觸還是內壁接觸？為什么？重復多次后A的箱片張角能否比B的箔片張角大？

問題2：在如圖2實驗中，如果我們不用e，而是用絕緣的導線將A的金屬球C的外部連接，這時A、B的箔片張角將如何變化？為什么？若導線連接的是C的內部，情況又怎樣？

問題3：如圖3實驗中，如果我們也不用e，而用絕緣的導線連接A和B，則應如何連接才能使A帶上較多的電荷？為什么？

這些新的問題激發了學生新的熱情和思維，這時我并沒能急于實驗，而是讓學生展開討論，對問題進行分析解釋，充分發表見解，之后才用實驗來驗證，當學生分析出錯時，利用靜電平衡知識給予啟發式點撥。這樣通過對一個演示實驗的繼續，深化了學生對電場知識的理解，優化了學生認知結構，對提高學生的解題能力也大有裨益。

總之，不能認為有了實驗就一定是啟發式教學，學生一定會學得生動，通過創設物理實驗情境來優化實驗教學，與其說是操作技術問題，還不如說是教學觀的問題，確認學生是學習的主體，增強學生的參與意識，積極創設問題情境，充分喚起學生的思維，引導學生對實驗進行解釋分析，并發展實驗的成果，從而達到提高實驗教學質量的根本目的。