談科學思維導向的初中物理實驗探究類微課資源的設計

林自強

摘 要：本文介紹實驗探究類微課資源設計的理論依據、教學實踐以及教學感悟。通過分三個主題介紹微課資源設計案例，展現此類微課設計在突破難點的過程中鍛煉物理學科科學思維，養成核心素養的作用。

關鍵詞：實驗探究類；微課設計；科學思維導向

筆者參加了福州市教育科學研究規劃“十三五”規劃2017年度立項課題“基于核心素養導向的初中物理教學難點的深層研究”。針對某些難點，內化物理學研究方法進行微課流程設計，不僅幫助學生突破學習難點，還鍛煉具有深刻性、批判性的科學思維，構建學生物理學科核心概念、規律，養成重實證的意識。

1 理論依據

義務教育物理課程應注重讓學生自己經歷探究過程，學習科學知識和科學探究方法，培養學生的科學思維，提高他們面對新情境時解決問題的能力[ 1 ]。物理學科核心素養中科學思維是指從物理學視角對客觀事物的本質屬性、內在規律及相互關系的認識方式，是基于經驗事實建構理想模型的抽象概括過程；是分析綜合、推理論證等科學思維方法的內化；是基于事實證據和科學推理對不同觀點和結論提出質疑、批判，進而提出創造性見解的能力與品質[ 2 ]。“科學思維”主要包括模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新等要素[ 2 ]。實驗探究類微課則是微型化教學視頻，圍繞某個知識點展開。可以通過技術手段，再現或放大一些有難度、有特色、有危險的演示實驗，展示出課堂不易觀察到的事實現象。以科學思維為導向的微課品質，不是簡單地由展現的技術形式決定，更取決于有層次的設計。物理學研究方法正是破解學習難點的“特征不變量”。每節微課都有相對完整的觀察、綜合分析、鞏固練習的過程，使學生有能力基于事實、深入思辨、及時反饋。筆者結合課題研究成果，分主題介紹以科學思維為導向的微課設計在突破學習難點上的嘗試。

2 設計案例

2.1 質疑創新、科學論證主題

以“碘的升華和凝華”微課資源設計為例：

（1）設計背景

學生觀察滬科版九年級教材演示實驗“酒精燈加熱碘升華”，常見以下幾個誤區。其一，碘只會升華和凝華；其二，碘可能經歷熔化再汽化的過程。這說明該演示實驗未能有效的揭示本質，而發現問題、表達問題、分析問題的過程又能鍛煉學生“質疑、推理、論證”的能力，是寶貴的生成資源。

（2）資源設計

微課視頻設計四個環節：①實驗演示；②實驗反思③實驗改進；④實驗拓展。

第一個環節介紹裝置、演示酒精燈加熱碘錘的實驗。視頻先展播碘錘中的碘受熱后的變化，再按照12倍速度播放碘錘冷卻后的變化，最后再倒置碘錘重新加熱觀察碘的變化。引導學生分析實驗現象得結論，引入升華和凝華的定義。

第二個環節設計題干：“小聰查閱資料發現如表1所示的數據。根據這些數據，他認為剛才所做的實驗中，碘可能經歷了由固態到液態再到氣態的變化過程。只不過密閉的玻璃錘中較難觀察，所以剛才的實驗并不能得出碘升華的結論。”提出問題，該怎樣驗證碘能夠直接從固態轉變成氣態呢？

第三個環節針對玻璃器皿傳熱慢、紫色碘蒸氣濃烈等缺點，選擇在開放的化學消毒柜中用鐵勺子盛裝碘顆粒再實驗。引導學生觀察碘受熱后的物態變化。進而視頻展播碘在鐵勺中發生了熔化、汽化現象。再引導學生分析現象，歸納結論：①碘受熱可以由固態變成液態，發生熔化現象；②碘受熱可以由液態變成氣態，發生汽化現象。由于碘蒸氣也可能來自汽化，這個實驗依舊不能說明碘可以直接從固態變成氣態。進一步反思，有沒有其他方法可以驗證碘能夠升華呢？

第四個環節請學生選擇合適的器材，結合表1中的數據，設計一個實驗方案，驗證碘可以從固態直接轉變成氣態。要求：①寫出實驗步驟； ②寫出判斷依據和方法。提供的器材有：鐵架臺、碘顆粒、酒精燈、火柴、支架、試管、石棉網、燒杯和水、玻璃片。

2.2 科學推理、科學論證主題

以“托里拆利實驗原理的探究”微課資源設計為例：

（1）設計背景

由于教材只給出結論式的表達：“正是管外汞面上受到的大氣壓強支持著玻璃管內760mm高的汞柱[ 3 ]。”學生對研究對象的選取、實驗原理模糊不清，形成了學習上的一個難點。但是學生接觸過實驗加推理的方法。如果能創設情境引導學生進行演繹推理，不僅能幫助學生了解原理的力學本質，破除難點，還能幫助學生建構模型、內化物理學研究方法。

（2）資源設計

微課視頻設計為三個環節：①提出問題；②實驗視頻展播并分析總結；③當堂反饋。

第一個環節介紹 “300多年前意大利煤礦抽水時，水柱總是到十米多就不再上升。”以此建立問題情境，激發學生思考。

第二個環節設計共六個步驟。①視頻演示吊起一根三至四米多高的透明塑料管，一端插入紅墨水，另一端連接一雙用打氣筒。引導學生確定管內一小液片為研究對象，使用特寫鏡頭幫助觀察不抽氣時塑料管內外液面的高度。引導學生分析現象，思考管外大氣壓強p0與管內液片上方的大氣壓強p0（如圖1甲）的關系。②采用畫中畫的技術手段，視頻演示用雙用打氣筒抽一部分空氣，讓學生觀察現象。引導學生對比第二次和第一次實驗，發現管外的壓強不變，還是大氣壓強P0。對比管內的現象，分析第二次管內液片上方壓強等于什么，列出等式（如圖1乙）。③視頻演示再抽出一部分空氣，讓學生觀察現象。引導學生對比第三次和第二次實驗管外的壓強還是不變，等于大氣壓強P0。對比管內的現象，分析管內液片上方壓強變化趨勢（如圖1乙箭頭所示）。④動畫演示在實驗基礎上進行推理，引導學生推理如果水柱上方被抽成真空，分析管內液片上方壓強等于什么，列出等式（如圖1丙）。⑤視頻演示教師在教學樓附近用水柱做實驗，引導學生感受做實驗時不便之處，改進實驗器材（換密度較大的液體水銀）。⑥視頻演示托里拆利實驗過程，引導學生分析當時當地的大氣壓強值。

第三個環節設計試題，例如要求學生根據水銀柱展示不同高度、不同傾角讀取圖中大氣壓強值等。

2.3 模型建構、科學推理主題

以“力臂概念的建立”微課資源設計為例：

（1）設計背景

力臂教學難點在教具制作和概念的推導上，學生在學習過程中較難通過自習或者強記這個概念。同時，存在“找點線”和“畫圓”兩種經典案例。“找點線”能直擊問題的本質，但操作難度更大；“畫圓”滲透數學知識強化等量意識，但問題呈現特別是圓的呈現比較突兀，各有優劣。如果突破教具上限制，同時做好數學知識的鋪墊，或可以合二為一，取長補短，幫助學生破除難點。

（2）資源設計

微課視頻設計為三個環節：①演示實驗展播引導建立概念；②課件演示展播介紹力臂作圖、學科滲透深化概念；③當堂練習。

第一個環節，視頻展播教師演示實驗，共有七個步驟。①先用磁吸掛鉤吸附在黑板上，用一米長輕質木條作杠桿掛在掛鉤上。以掛鉤做支點，在支點左右兩側同一直線各分布九個等距作用點。實驗開始前，調節平衡螺母使杠桿在水平位置保持平衡。②在左側點六位置掛上兩個鉤碼，松手后，要求學生觀察現象。為使杠桿平衡，在右側的點三位置掛上四個鉤碼（FA），松手后，引導學生觀察現象。③接下來，依次逐個改變點三位置力的大小、方向、作用點，引導學生觀察現象歸納結論。④再保持力的大小不變，同時改變力的作用點和方向，引導學生猜想、觀察現象。當發現杠桿保持在水平位置平衡后，引導學生分析兩個力的三要素和效果，提出問題：是否存在一個量與力的方向、作用點都有關，在兩次實驗中是相等的，并能替代方向、作用點的共同作用產生一個相同效果？如果找到這個等量，將會極大簡化研究的問題。⑤這時引入力的作用線的定義，引導學生分析兩次實驗支點是相同的，這個等量可能與支點和力的作用線都有關系。⑥然后借助自制刻度尺教具測量支點到FA力的作用線的距離對比支點到FB力的作用線的距離，幫助我們找到這個等量。⑦最后引導出力臂的定義。

第二個環節，設計有三個步驟。①先運用錄屏軟件（CamtasiaStudio）錄下課件展播力臂作圖流程，總結方法，演示畫出FA和FB的力臂lA、lB（如圖2）。②然后設計以支點為圓心，以lA的長做半徑畫一個圓。滲透數學幾何知識，引導學生找出lA、lB與各自力作用線的關系（垂直），強化等量意識。③最后設計在圓上再做一個切線（過右側作用點五），然后撤去正在作用的力FB，在右側點五的位置沿切線的方向施加一個新的力FC。使FC的作用效果等于FA或FB單獨作用時產生的效果，并使FC的大小等于FA或FB的大小，引導學生猜想FC對應的力臂lC的大小等于多少，說明理由。

第三個環節，布置當堂練習精選作圖兩道，選擇一道。例如：

如圖3所示，可繞O點轉動的輕質杠桿，在D點掛一個重為G的物體M。用一彈簧測力計依次在A、B、C三點沿與圓O相切的方向用力拉，都使杠桿在水平位置平衡，讀出三次的示數分別為F1、F2、F3，則（ ）[ 4 ]

A.F1

B.F1>F2>F3>G

C.F1=F2=F3=G

D.F1>F2=F3=G

3 教學感悟

（1）信息技術巧助攻

實驗探究類微課資源包，好比一個數字化的“信息窗”。如果上傳至騰訊課堂組建成資源庫，學生可以根據自己的學習進度、學習問題，挑選需要的微課學習。微課制作軟件（CamtasiaStudio）提供了大量的技術手段如視頻剪輯、加標注、加畫中畫、加講解字幕等，這是教師當場演示或學生分組實驗無法比擬的。比如第一例中使用滬科版教材教學很少涉及碘的熔化和汽化。由于碘蒸氣呈紫色，濃度大，在實驗室中也很難展現碘熔化的演示效果。筆者通過化學消毒柜外加電吹風輔助，抵進拍攝下碘在鐵勺中熔化再汽化的現象，有力的形成了認知沖突。又如第三例中通過視頻剪輯，在黑板實驗圖片基礎上加入一個圓，解決了真實實驗較難操作的問題。

（2）思維鍛煉有層次

符合學生認知規律，能推進思維深度的教學設計才是微課的核心。比如第一例中學生在學完微課，設計實驗方案的過程中需要運用熔化條件、沸騰條件、表格數據分析實驗現象，發現問題，分析問題再聯想水浴法解決問題。使其經歷了觀察、質疑、猜想、驗證、再設計的過程，思維鍛煉有層次。再如第二例中以問題產生的歷史背景為情境，應用實驗加推理的方法進行演繹推理，更通過明確比較對象，強化了對比推理訓練，突破托里拆利實驗原理難點。又如第三例中演示實驗視頻從問題入手，從只改變一個要素到同時改變兩個要素，尋找等量引入力臂。再通過信息技術補圓，引導學生發現力的作用線對應圓的切線、力臂對應同一個圓的半徑，加深對等量的理解，養成利用數學知識解決物理問題的能力。這一切既實現了真探究，超越了教材布置驗證實驗或灌輸教學的設計思路，同時鍛煉了高階思維方式，提高了解決問題的能力。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部. 義務教育物理課程標準[S].北京：北京師范大學出版集團，2011.

[2]朱曉安，張鳳英. 比較教學：防治知識負遷移促進核心素養提升[J]. 中學物理教學參考，2018（6）.

[3]義務教育物理課程標準實驗教科書編寫組.物理[M]. 上海：上海科學技術出版社，2012.

[4]福建省教育廳.福建省初中學科教學與考試指導意見（物理）[S].福建：福建教育出版社，2017.