基于核心素養(yǎng)的初中物理低成本實驗探索

林仲江

摘 要：核心素養(yǎng)的物理低成本實驗開發(fā)要求老師具備良好的核心素養(yǎng)，通過言傳身教，潛移默化地促進(jìn)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的提升.作為課堂教學(xué)的主導(dǎo)，教師應(yīng)具備扎實的專業(yè)知識、不斷更新的教育理念、熟練的研究問題的方法和“信手拈來”的低成本實驗制作.以眼睛一課為例，追尋低成本實驗的探索，尋求物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng).

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng)；低成本實驗；初中物理教學(xué)；液體透鏡

每每想起“知識全都還給物理老師您了，學(xué)費(fèi)能不能也還給我們”諸如此類的戲言，筆者不禁陷入深思：中學(xué)物理課程的價值是什么呢？大教育家馮·勞厄說過：所謂教育給予我們的就是當(dāng)所有學(xué)過的都忘記后所留下來的那些東西[1].物理研究的內(nèi)容、規(guī)律和結(jié)論都極有可能隨著時間而遺忘，然而研究物理課程的思想與方法、問題解決能力、科學(xué)情感、態(tài)度與價值觀、科學(xué)精神等都將長期支持著學(xué)生終身發(fā)展與適應(yīng)社會發(fā)展的人格品質(zhì)和關(guān)鍵能力的物理學(xué)科素養(yǎng)以及動手能力、協(xié)作能力、集體精神、自主探究、競爭與創(chuàng)新的物理能力素養(yǎng)，是永遠(yuǎn)不會還給物理老師的.本文以滬科版八年級物理第四章“多彩的光”第六節(jié)“神奇的‘眼睛”為例，談?wù)劦统杀緦嶒灥难芯亢烷_發(fā)，延伸凸透鏡成像知識，推進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的提升.

1 變廢為寶，知識貼近生活，化抽象為直觀

物理課程是一門以實驗為主的科學(xué)，中學(xué)生對科學(xué)探究的專注度直接影響到物理知識體系的構(gòu)建[2].尤其是初中物理課程中的很多知識與概念的建構(gòu)，需要學(xué)生在動手實驗設(shè)計探究活動中獲得.現(xiàn)如今，手持技術(shù)、掌上技術(shù)或傳感器DIS等高大上的數(shù)字化實驗為實驗教學(xué)增色不少，與成本較高且操作技術(shù)難度大的它們相較之下，低成本物理實驗就體現(xiàn)出了成本低與高智慧的優(yōu)點[3].它貼近學(xué)習(xí)者、源于日常生活、，讓學(xué)習(xí)者真實地體會到物理與日常生活的密切聯(lián)系，高于生活.低成本實驗器具是指利用生活中廢棄的、低廉的材料自行制作的用于實驗探究的實驗器具.朱正元教授提倡“瓶瓶罐罐當(dāng)器材，拼拼湊湊真實驗”、李政道博士指出：“師生自己動手設(shè)計制作的教具，比買來的用得順手、實在”.

例如：眼睛的成像原理及調(diào)節(jié)方式等知識教材是以圖片方式呈現(xiàn)，如圖1a所示視力正常時，眼睛看遠(yuǎn)處時，相當(dāng)于凸透鏡的晶狀體折光能力變差，焦距增長，遠(yuǎn)處的光經(jīng)折射后成像在視網(wǎng)膜上，人便看清物體.圖1b正常眼看近處時，晶狀體要凸起程度變大，聚光能力變強(qiáng)，焦距變短.本節(jié)課是凸透鏡成像規(guī)律的應(yīng)用，教材利用固體凸透鏡模擬眼球的晶狀體，然而在探究眼球視物的原理時，由于實驗室配備的都是固定焦距的凸透鏡，難以模仿人眼變焦調(diào)節(jié)的作用.目前有些老師采用兩個不同焦距的凸透鏡，演示遠(yuǎn)處的光（平行光）經(jīng)凸透鏡折射后，會聚距離不同.也有些老師簡單取來裝有半瓶礦泉水的透明水瓶，通過擠壓實現(xiàn)變焦，以上兩種各有缺陷，前者無法連續(xù)變焦，后者成像模糊且難以收集.

為了模擬正常眼睛視物，筆者采用液體透鏡實現(xiàn)連續(xù)變焦調(diào)節(jié)，具體做法如下：

拾取透明可樂瓶或者襯衫衣領(lǐng)定型透明塑料片，用美工刀取下長、寬分別為16厘米、3厘米的長方形透明塑料片，對折、頭尾用502膠水膠好定型成凸起程度可變的形似凸透鏡的兩端開口的容器，再其地下鋪放一張彈性好的薄膜做底，用膠水膠好壓牢，再用美工刀減去多余的薄膜（如圖2a）.將三線平行光（模擬遠(yuǎn)處的光）照到水透鏡上，通過拉伸使水透鏡凸起程度變小，三線平行光會聚于“視網(wǎng)膜”上，模擬正常眼看遠(yuǎn)處的物體（如圖2b）；將三線光調(diào)成微發(fā)散光（模擬近處的光）擠壓使水透鏡凸起程度變大，觀察光線會聚于“視網(wǎng)膜”上，模擬正常眼看近處物體.得出結(jié)論，凸透鏡曲率變大時，對光的會聚能力變強(qiáng)，焦距變短，適合看近處；反之，會聚能力變?nèi)酰咕嘧冮L，適合看遠(yuǎn)處.

如圖2c，由于青少年用眼不衛(wèi)生，長時間看手機(jī)、電視、電腦或書籍，晶狀體長時間處于凸起狀態(tài)，看遠(yuǎn)處時，對遠(yuǎn)處的光線會聚能力強(qiáng)，焦距短，導(dǎo)致成像（會聚）在視網(wǎng)膜前，看不清遠(yuǎn)處，這是近視眼.遠(yuǎn)處平行光束經(jīng)睫狀體調(diào)節(jié)放松的晶狀體折射后，成像于會聚視網(wǎng)膜的后面的一種屈光狀態(tài)稱為遠(yuǎn)視眼.當(dāng)晶狀體的折射率較弱或其眼軸長度太差時就形成遠(yuǎn)視（如圖2d）.遠(yuǎn)視眼疾病人可通過一定的調(diào)節(jié)讓平行光會聚處適當(dāng)往前靠近到視網(wǎng)膜上，以便獲得相對清晰的長距離視力，不過看近處時，它要付出更大的視力調(diào)節(jié)度，確切的說遠(yuǎn)視眼遠(yuǎn)近都是看不清的，觀看遠(yuǎn)處所要付出的調(diào)節(jié)量較小，患者在感覺上較看近處更舒適、輕松.由于屈光度不夠，近處光無法會聚成像在視網(wǎng)膜上.

教師通過與同學(xué)合作制作變焦液體透鏡，它可以模擬近視時的晶狀體屈光力太強(qiáng)，也可以說明遠(yuǎn)視患者屈光力不足致使成像在視網(wǎng)膜后，極大方便學(xué)生的最近學(xué)習(xí)發(fā)展區(qū)域，培養(yǎng)學(xué)生利用低成本實驗解釋疑問，消除學(xué)生畏難心理，在仿真情境中建構(gòu)知識，讓學(xué)生未來自我發(fā)展、人與人之間的協(xié)作及應(yīng)變能力、創(chuàng)造、創(chuàng)新力的養(yǎng)成奠定了堅實的能力基礎(chǔ).學(xué)生在探究前基本知道了結(jié)論，探究過程中既不可能也沒有時間思考“可能存在的問題”，長期這樣的重復(fù)訓(xùn)練永遠(yuǎn)達(dá)不到發(fā)展學(xué)生問題意識和探究能力的目的，不能促進(jìn)學(xué)生真正理解科學(xué)探究的精髓，可見物理核心素養(yǎng)要求學(xué)生做真探究.

2 師生互補(bǔ)，能力起于自主，變被動為主動

低成本自制實驗器具濃縮了制作者的精華，是無可替代的.縱觀近些年的中考以及我市實驗技能競賽試題，自主設(shè)計的實驗探究越來越多，要是教師在課堂中適當(dāng)利用低成本自制實驗器材進(jìn)行課堂教學(xué)或者師生共同開發(fā)實驗器具，學(xué)生的問題解決能力、創(chuàng)新與競爭能力、自主探究能力將有效提高.由此可見，低成本實驗優(yōu)化了廣大一線教師的課堂教學(xué)實效及提升學(xué)生核心素養(yǎng).

在實際課堂教學(xué)中，教師常用凸透鏡模擬眼睛的晶狀體，改變燭焰（光源）到凸透鏡的距離模擬遠(yuǎn)近不同的物體，要使這些像成在白屏上，需要更換不同焦距的凸透鏡才有可能，而且移動光屏（視網(wǎng)膜）到透鏡（晶狀體）的距離，探究操作的難度大，實效差，且此種凸透鏡的焦距不可能連續(xù)可變，對實際教與學(xué)帶來麻煩.因而筆者與學(xué)生共同查閱資料，變焦液體透鏡替代玻璃透鏡，通過改變液體透鏡的曲率來改變折光效果，從而改變焦距，它改進(jìn)了原有的器材不足，實現(xiàn)連續(xù)變焦的作用，以學(xué)生為主體，在活動中學(xué)習(xí)，樂中學(xué)，教師引導(dǎo)、參謀，不再包辦.

可變焦液體透鏡的制作：

（1）制作材料：廢棄凸透鏡外框如圖3（或PVC水管），透明橡膠彈性薄膜，502膠水，美工刀，剪刀，注射器及自行車氣門芯及膠管，酒精燈及火柴.

（2）制作過程：用鉗子夾住氣門芯在酒精燈上加熱，然后鉆進(jìn)透鏡外框正上方（手柄正上方）氣門芯只透過一小點，再用502膠水將它們膠牢封閉.事先用刀剪好二塊等大的圓形薄膜，然后如圖3所示放置凸透鏡，在透鏡邊沿均勻涂上膠水，再將圓形薄膜正壓在它上方5秒鐘.隨后同樣方法膠牢另一面.注意橡膠薄膜應(yīng)在自然（不受力）狀態(tài)下粘貼，不可用力拉伸，以免兩面的拉伸程度不一樣，產(chǎn)生不一樣的效果，隨后減去多余橡膠薄膜.接著將注射器、膠管、氣門芯組裝好，往里面注水，同時注意排除里面的空氣，確保水透鏡充滿水，沒有氣泡.通過適當(dāng)注水或吸水，變焦水透鏡制作完成.本實驗器材的設(shè)計，學(xué)生參與度高，變被動填鴨接受為主動探究，獲取實驗結(jié)論的渠道有別于以往的假探究，高分低能，真正發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng).

3 分工合作，復(fù)習(xí)源于平時，轉(zhuǎn)迷茫為明朗

物理實驗要深入，需要大量時間和精力，在短暫的復(fù)習(xí)時間內(nèi)，高效實驗復(fù)習(xí)必然是師生共同的追求.在復(fù)習(xí)期間，開放實驗室，讓學(xué)生親自動手實驗，再現(xiàn)知識來源，深化知識理解.較之于背實驗、囫圇吞棗定是強(qiáng)于百倍.教學(xué)過程中主動收集平時的低成本實驗，學(xué)生自制的實驗及探究過程有意拍錄，按知識點整理分類，在實驗復(fù)習(xí)中必然有大作為.低成本自制探究實驗過程對于喚醒學(xué)生淡忘知識將發(fā)揮重要作用.如：學(xué)生利用自制照相機(jī)裝置，有助于高效復(fù)習(xí)神奇的眼睛一課中放大鏡、照相機(jī)、投影儀的工作原理.讓學(xué)生分組探究投影儀的鏡頭讓物體成放大倒立實像，只要將光源放置講臺桌上，讓自制投影儀靠近光源，天花板上將有物體放大的像，在用一面平面鏡改變光路，投影在白墻上.將它遠(yuǎn)離光源，將在照相機(jī)底片（半透明薄膜）上呈現(xiàn)倒立縮小的實像.在平日操作中，學(xué)生小組分工合作，將探究過程拍錄下來，分類整理，復(fù)習(xí)過程回放喚醒沉睡的知識，變迷茫的炒冷飯復(fù)習(xí)為明朗的知識喚醒.它提升了學(xué)生的物理學(xué)科素養(yǎng)，是物理課程的價值所趨.

核心素養(yǎng)的物理低成本實驗開發(fā)要求老師具備良好的核心素養(yǎng)，通過言傳身教，潛移默化地促進(jìn)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的提升.在學(xué)生求索未知世界、建構(gòu)知識、能力發(fā)展等過程中，離不開物理教師對事物的解析、引領(lǐng)示范；離不開適時的活動啟發(fā)和引導(dǎo)，在這個過程中無不融入教師對事物發(fā)展的理解、教師個人的情感、態(tài)度、核心價值觀.作為課堂教學(xué)的主導(dǎo)，一線教師必備扎實高超的理論專業(yè)知識、并要不斷自我更新的教育教學(xué)理念、熟練的研究問題的方法、和信手拈來的低成本實驗制作.平時在常見不過的壇壇罐罐瓶瓶，都可能帶給學(xué)生極大的沖擊.這種出自老師與學(xué)生之手共同制作的教具，研究的物理問題，如此的教學(xué)研究思路，對學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)提升、未來自我追求和發(fā)展將有大裨益.低成本物理實驗主要利用了日常生活常見材料，既貼近生活、廢棄物再利用，有利于激發(fā)中學(xué)生的好奇心和延長物理學(xué)習(xí)興趣持久度[4].如此一來，學(xué)生就不會說：知識都還給老師了.物理核心素養(yǎng)的低成本實驗探索要求教師要更新教學(xué)觀，以學(xué)生的物理核心素養(yǎng)的提升作為目標(biāo)，關(guān)注學(xué)生知識的建構(gòu)形成和應(yīng)用，創(chuàng)設(shè)有助于科學(xué)能力發(fā)展的學(xué)習(xí)和研究情景，言傳身教提升學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng).參考文獻(xiàn)：

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