核心素養(yǎng)背景下演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重構(gòu)

杜志剛

(山東省肥城市第一高級(jí)中學(xué)，山東 肥城 271600)

1 問題的提出

演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)物理核心素養(yǎng)的有效途徑．物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生物理觀念(物質(zhì)觀、運(yùn)動(dòng)觀、能量觀、相互作用觀),科學(xué)思維(模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新),實(shí)驗(yàn)探究(問題、證據(jù)、解釋、交流),科學(xué)態(tài)度與責(zé)任(科學(xué)本質(zhì)、科學(xué)態(tài)度、科學(xué)倫理、STSE)等4個(gè)維度16個(gè)方面的核心素養(yǎng)都有重要促進(jìn)作用．現(xiàn)實(shí)教學(xué)中,雖然物理教師普遍認(rèn)識(shí)到物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的奠基性作用,但在實(shí)際教學(xué)實(shí)踐中還是存在一些不足,例如,實(shí)驗(yàn)方案不夠完善、實(shí)驗(yàn)過程按部就班走形式、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯,實(shí)驗(yàn)與生活脫節(jié),這些不足影響實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果,對(duì)整個(gè)物理教學(xué)造成一些不利影響,不利于培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)．“高中物理實(shí)驗(yàn)在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)方面具有獨(dú)特的地位和全方位的功能．但在實(shí)際的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)課堂上,經(jīng)常可以看到僅僅滿足于模仿、筆做、觀看而忽視反思、體驗(yàn)、生成的現(xiàn)象．”[1]為此有必要對(duì)高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行重構(gòu),從而改進(jìn)教學(xué)效果,更好地服務(wù)于學(xué)生的學(xué)習(xí),提升教學(xué)效率．實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重構(gòu)可以從完善實(shí)驗(yàn)方案改進(jìn)實(shí)驗(yàn)效果、借助視頻動(dòng)畫優(yōu)化實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、豐富探究?jī)?nèi)容優(yōu)化探究結(jié)果、避免實(shí)驗(yàn)教學(xué)程式化培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維、將物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)拓展到課外培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐意識(shí)等5個(gè)教學(xué)策略,實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果最優(yōu)化,讓核心素養(yǎng)的培養(yǎng)得到真正落實(shí)．

2 演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重構(gòu)策略

2.1 借鑒完善實(shí)驗(yàn)方案

教材上的實(shí)驗(yàn)方案是教學(xué)中學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)或者演示實(shí)驗(yàn)的重要依據(jù)．教材中所給出的實(shí)驗(yàn)方案也是編者根據(jù)學(xué)生的知識(shí)基礎(chǔ)、認(rèn)知水平等綜合考慮,反復(fù)斟酌．但教師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中要根據(jù)學(xué)生實(shí)際情況進(jìn)一步完善實(shí)驗(yàn)方案、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,讓學(xué)生能夠更好參與到實(shí)驗(yàn)中,達(dá)到優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果,充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)促進(jìn)學(xué)生動(dòng)手、動(dòng)腦的作用,讓學(xué)生更好地通過實(shí)驗(yàn)掌握知識(shí),形成物理觀念,培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維能力,實(shí)驗(yàn)探究能力．“物理實(shí)驗(yàn)是手腦并用的實(shí)踐活動(dòng)．教材中大量的演示實(shí)驗(yàn)和學(xué)生實(shí)驗(yàn),我們不能采取簡(jiǎn)單的拿來主義,讓學(xué)生照方抓藥,機(jī)械操作．我們必須根據(jù)學(xué)校自身的教學(xué)資源,學(xué)生的認(rèn)知水平,對(duì)教材提供的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行適當(dāng)?shù)闹貥?gòu)或者改進(jìn)．”[2]有的實(shí)驗(yàn),按照教材上所給的實(shí)驗(yàn)操作,難度實(shí)在太大,學(xué)生幾乎無法完成,為此教學(xué)中需要對(duì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行重構(gòu)、優(yōu)化,降低實(shí)驗(yàn)操作難度,讓更多學(xué)生都能夠完成實(shí)驗(yàn),達(dá)到更好的實(shí)驗(yàn)效果．

例如,在人教版、滬科版物理必修1中,研究滑動(dòng)摩擦力時(shí)采用的實(shí)驗(yàn)方案的裝置是一樣的,如圖1所示．在實(shí)驗(yàn)時(shí),彈簧秤的讀數(shù)要等于滑動(dòng)摩擦力,物體就必須做勻速直線運(yùn)動(dòng),然而在操作過程中要做到這一點(diǎn)非常不容易,一般情況下物體會(huì)做變速運(yùn)動(dòng),彈簧秤讀數(shù)忽大忽小．為了降低實(shí)驗(yàn)操作難度,教師在組織實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)候可以借鑒魯科版教材的實(shí)驗(yàn)方案,對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行優(yōu)化．魯科版實(shí)驗(yàn)方案如圖2所示．該方案的優(yōu)點(diǎn)在于:從A下抽出B,無論B做什么運(yùn)動(dòng),A都是靜止的,保持平衡態(tài),彈簧秤對(duì)A的拉力都等于B對(duì)A的滑動(dòng)摩擦力．這大大降低實(shí)驗(yàn)操作難度,更多的學(xué)生能夠完成實(shí)驗(yàn)．

圖1

圖2

2.2 利用視頻動(dòng)畫優(yōu)化實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯,物理過程太快或太慢,太宏觀或太微觀,在物理課堂上不能演示,此時(shí)利用視頻、動(dòng)畫突破時(shí)空束縛逼真模擬演示,讓學(xué)生觀看．雖然學(xué)生沒有親自動(dòng)手,但實(shí)驗(yàn)視頻或動(dòng)畫現(xiàn)象明顯、可見度高、直觀形象,學(xué)生認(rèn)識(shí)會(huì)更清楚,理解會(huì)更透徹．這能給學(xué)生很好的學(xué)習(xí)體驗(yàn),最大限度彌補(bǔ)了不能動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的缺憾．

例如,在光電效應(yīng)的教學(xué)中,該實(shí)驗(yàn)成功的概率較小,而且實(shí)驗(yàn)中學(xué)生只能看到驗(yàn)電器張角的變化或者電流表G讀數(shù)的變化,而為什么會(huì)這樣需要教師進(jìn)行詳細(xì)準(zhǔn)確的解釋．解釋、推理的過程學(xué)生會(huì)覺得抽象、枯燥,在教學(xué)中在讓學(xué)生觀察光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)或?qū)嶒?yàn)視頻后,給學(xué)生播放如圖3所示的動(dòng)畫．通過動(dòng)畫演示,學(xué)生對(duì)光電效應(yīng)現(xiàn)象、原理有了深刻理解．

圖3

再如,原子核的衰變、裂變等不可能在實(shí)驗(yàn)室或教室完成,播放模擬動(dòng)畫能夠加深學(xué)生的印象,深化學(xué)生對(duì)現(xiàn)象與知識(shí)的理解．

2.3 補(bǔ)充慢鏡頭輔助實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

物理上一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯,操作簡(jiǎn)單,學(xué)生可以在教師的引導(dǎo)下完成．但實(shí)驗(yàn)過程很快,學(xué)生來不及詳細(xì)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象就結(jié)束了.這會(huì)影響學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或現(xiàn)象分析得出正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果．為此,教師可以在學(xué)生實(shí)驗(yàn)之后,補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)慢鏡頭,讓學(xué)生通過觀察慢鏡頭分析實(shí)驗(yàn)結(jié)論,慢鏡頭可以延長(zhǎng)學(xué)生的觀察時(shí)間,可以根據(jù)需要暫停,還可以在慢鏡頭上添加運(yùn)動(dòng)物體的軌跡或其他有助于學(xué)生理解的標(biāo)記等,使得實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的呈現(xiàn)最優(yōu)化,實(shí)驗(yàn)教學(xué)效益最大化．

例如,在研究平拋運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)中,需要通過實(shí)驗(yàn)得出可以將平拋運(yùn)動(dòng)等效成水平方向的勻速直線運(yùn)動(dòng)和豎直方向的自由落體運(yùn)動(dòng)．實(shí)驗(yàn)儀器簡(jiǎn)單,操作方便,學(xué)生都能完成,但卻難以根據(jù)實(shí)驗(yàn)分析出結(jié)論,原因在于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象太快,教學(xué)中給出圖4所示的實(shí)驗(yàn)視頻慢鏡頭,讓學(xué)生觀察,即可快速得出正確結(jié)論．

圖4

2.4 豐富實(shí)驗(yàn)探究素材優(yōu)化探究結(jié)果

教學(xué)中經(jīng)常需要列舉生活實(shí)例、演示實(shí)驗(yàn)，然后歸納得出一般性的規(guī)律、特點(diǎn)．有時(shí),教材所給的例子具有局限性,涉及范圍不夠廣泛、不夠典型,且所列舉例子都是以文字、圖片說明為主,教學(xué)中教師要想方設(shè)法開發(fā)演示實(shí)驗(yàn)將教材中的文字、圖片變成實(shí)驗(yàn)過程,將不夠典型的例子替換,并補(bǔ)充探究?jī)?nèi)容,豐富實(shí)驗(yàn)探究素材,讓學(xué)生在探究中有更深刻的體驗(yàn),讓學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)探究更好得出一般性結(jié)論．

以牛頓第三定律教學(xué)為例,教材上列舉了手拉彈簧、推桌子、湖面上推船、地面上物體和地球相互吸引等例子說明物體間力的作用具有相互性．這些例子有如下3個(gè)不足: (1) 物體類型涉及面不夠廣泛,所有的例子都只涉及固體和固體間的相互作用; (2) 力的類型涉及面不夠廣泛,只涉及重力、彈力; (3) 地面上物體和地球相互吸引的例子不具有典型性,學(xué)生沒有學(xué)習(xí)萬有引力定律,很難理解,教師的解釋也只能是灌輸．如果根據(jù)這些例子得出結(jié)論“物體間的作用是相互的”,教學(xué)有以偏概全的不足,阻礙學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng),也會(huì)因?yàn)楣噍斒降闹v授讓學(xué)生缺失知識(shí)的建構(gòu)過程,難以深入理解、切實(shí)掌握所學(xué)知識(shí)．為了改善教學(xué)效果,給學(xué)生提供更豐富的實(shí)驗(yàn)探究,積累更多的感性素材可以讓學(xué)生完成圖5—圖9的實(shí)驗(yàn)．圖5中甲乙兩人拔河,一人站在滑板上,甲乙互相給對(duì)方拉力;圖6中將硬紙板放在圓柱形鉛筆上,電動(dòng)玩具車置于紙板上,啟動(dòng)玩具車,車往前走紙板后退,車和紙板互相給對(duì)方摩擦力;圖7中,啟動(dòng)玩具直升飛機(jī),飛機(jī)上升,手明顯感覺到氣流向下,直升飛機(jī)與空氣產(chǎn)生相互作用;圖8中,彈簧秤下掛一個(gè)重物,記下讀數(shù),將重物放入臺(tái)秤上的水中,彈簧秤讀書變小,臺(tái)秤讀數(shù)變大,彈簧和重物,重物和水,水和容器,容器和臺(tái)秤之間都產(chǎn)生相互作用;圖9中給導(dǎo)體棒通電后,導(dǎo)體棒受到安培力運(yùn)動(dòng),小車和磁鐵向相反方向運(yùn)動(dòng)．

圖5

圖6

圖7

圖8

圖9

在上述實(shí)驗(yàn)中,不同種類的物體(固體、液體、氣體)之間,產(chǎn)生不同性質(zhì)的力,重力、彈力、摩擦力、電磁力等．充分的實(shí)驗(yàn)探究可以讓學(xué)生更容易得出、理解“物體之的作用總是相互的”這一結(jié)論,更有助學(xué)生形成物理觀念,落實(shí)核心素養(yǎng)培養(yǎng)．

2.5 開展課外探究實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)實(shí)踐意識(shí)

實(shí)踐意識(shí)屬于核心素養(yǎng)“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”范疇,與科學(xué)本質(zhì)、科學(xué)態(tài)度、科學(xué)倫理、STSE都聯(lián)系密切,培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐意識(shí)可以有效落實(shí)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)．教學(xué)中,加強(qiáng)物理與生活的聯(lián)系,將物理教學(xué)內(nèi)容、物理情景多與生產(chǎn)生活場(chǎng)景聯(lián)系,多取材于學(xué)生生活,尤其是將與生活有關(guān)的實(shí)驗(yàn)延伸到課外．

物理實(shí)驗(yàn)探究延伸到課外常見的策略有如下兩種： (1) 是將與生活聯(lián)系密切的內(nèi)容設(shè)置為課題讓學(xué)生在課后進(jìn)行研究和手工制作,例如學(xué)習(xí)完必修1之后,讓學(xué)生進(jìn)行課題“橋梁的研究”,具體內(nèi)容包括:橋梁有哪些種類?為什么有這些不同的設(shè)計(jì)?建橋的材料及性能;自己設(shè)計(jì)并制作一個(gè)橋梁模型等．還可以,進(jìn)行“各種汽車加速性能的對(duì)比研究”,“觀察、分析自行車上增大和減小摩擦的做法”、“剎車時(shí)車輪抱死的利與弊”等課題的研究．[3](2) 將日常生活與物理探究實(shí)驗(yàn)有機(jī)融合．例如,在平拋運(yùn)動(dòng)的研究中,為了描述平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡,除了可以利用實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備,還可以利用飲料瓶和細(xì)管開發(fā)成實(shí)驗(yàn)裝置,如圖10(甲)所示，并讓學(xué)生嘗試用圖10(乙)和圖10(丙)的裝置通過細(xì)水柱的形狀來演示平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡,比較3種情況的不同之處,并且解釋為什么要采用圖10(甲)的裝置．最后,讓學(xué)生思考圖10(甲)與生活中什么情景相類似,體驗(yàn)該裝置的優(yōu)點(diǎn)．

圖10