注重科學探究 自主創新實驗
——自制教具優化教學的探索與實踐

夏良英

(廣東省深圳市龍華高級中學，廣東 深圳 518109)

1 問題的提出

實驗是物理學的重要基礎,重要物理理論的建立離不開物理實驗的支持和推動．丁肇中說過:實驗可以推翻理論,而理論永遠無法推翻實驗．

物理學科4個核心素養,其中的科學探究是一個過程,是一種學習方式和科學研究方式,是一種學習科學知識,發展科學思維、形成科學態度的手段和途徑．

實驗教學是物理教學內容的重要組成,是實現物理課程目標,全面提高學生科學素養的重要途徑．重視學生物理實驗,不僅能提高物理學業水平,而且能培養動手實踐觀測力與科學探究素養,尤其是對學生的生涯發展規劃與未來專業自主選擇具有關鍵的鋪墊作用,為未來人生奠定基礎．

而自主創新實驗,有不可忽視的4個方面的實踐價值.(1) 是激發物理學習興趣的重要手段．豐富的自主創新實驗活動,蘊含了豐富的物理現象和規律,有些實驗現象和規律,具有意想不到的效果,超越了學生已有的認識能力和現象水平,從而激發了學生強烈的好奇心和學習興趣及探究欲望．(2) 是促進學生理解物理知識的重要方法．(3) 是實施科學探究活動的重要載體．也是學生親身經歷探究過程、有效培養探究意識和思維能力的重要載體．(4) 是揭示物理現象規律的重要工具．

故此,我們要善于營造學習環境,讓學生身臨其境;要精于創新設計,讓學生“在水中學游泳”;要樂于制作教具,讓學生知識體系、能力結構有機生成．積極探索,大膽創新、自制教具,做到建構有方、生成有道,從而實現教學的優化．

2 自制教具優化教學的探索與實踐

建構主義學習理論認為:學習的過程是自我建構的過程,是順應和同化的過程．

實踐已反復證明:用實驗再現的物理現象,用實驗建立的物理概念,用實驗總結的物理規律,用實驗驗證的物理理論和用實驗應用的物理知識,是生動的、全面的、深刻的和牢固的．“百聞不如一見”,只有加強實驗教學,才能激發學生的熱情;只有加強實驗教學,才能突破教學的難點;只有加強實驗教學,才能進行有效的建構．

怎樣利用自制教具來優化教學促進生成呢?筆者在以下4個方面做了探索.

2.1 創新設計引入性實驗,優化生成的環境

教育心理學的研究成果表明,學生在形成知識的最初階段都必須借助于感覺,先把具體事物的觀察和接觸轉化為具體事物的感性認識,再把感性認識轉化為抽象、概括的理性認識．

新課的引入能否迅速吸引學生的注意,強烈激發學生的興趣,是促進生成的重要前提．良好的實驗引入,能迅速激發學生的認知沖突,充分調動求知欲望,強烈碰出思維的火花．

在教學的過程中,筆者十分注重新課的引入,積極優化生成環境,不斷探索,創新設計了一系列引入性實驗．例如:

(1) 學習摩擦力時,筆者設計了:誰的力氣大?別開生面的拔河比賽實驗(如圖1,選手用兩塊短木板夾住長木板進行拔河比賽),學生熱情高漲.

(2) 學習電場時,筆者設計了:空中取電實驗(如圖2,用輝光球作為電源,光管靠近可以發光),學生高呼神奇.

(3) 學習電磁感應時,我們設計了:你敢抓他嗎?會電人的體驗性實驗(如圖3,用簡易風扇制作)學生驚險體驗.

(4) 學習動量定理時筆者設計了:你能把繩子拉斷嗎?拉斷繩子挑戰性實驗(如圖4,拉斷纖維繩),學生躍躍欲試……

圖1

圖2

圖3

圖4

通過這些新穎的設計,使學生迅速置身于物理情景之中,獲得了強烈的感性認識,激發了學習動機,為理性認識的生成打下了堅實的基礎,收到了較好的預期效果．

2.2 創新設計探究性實驗,夯實生成的過程

理論與實踐表明,科學家從事科學研究的過程與學生接受科學教育的過程,二者在本質上有著極大的相似性:學生的學習過程是對人類文化發展過程的一種認知重演,他們學習科學的心理順序差不多就是前人探索科學的歷史順序．波利亞在“教學發生學原理”中指出:“在教一個科學的分支(或一個理論、一個概念)時,我們應讓孩子重蹈人類思想發展中那些關鍵的步子”．

因此,理想的物理教學也應是:以濃縮的時空和必然的形式重演人類豐富多彩的科學活動,將教學過程轉化為學生的“亞研究”、“類創造”的探究過程．探究離不開實驗的支持．優質的實驗設計,是確保探究過程有序、有機、有效開展的關鍵,是攻克難點、夯實生成過程的“利劍”．筆者通過發揮團隊力量,認真總結,積極鉆研,創新設計了很多優質的探究性實驗,有效攻破了學習難點,特別是定量探究的難點．例如:

(1) 圖5,功率探究儀:用兩個半徑不同,轉速可調的電機制作而成,不僅能定性探究P、v、F3者的定性關系,還能探究定量關系．有效突破了功率關系很難定量探究的難題．

(2) 圖6,滑動變阻器接法探究儀:通過豎直木板,把電學儀器進行組裝,不僅改變了電路實驗無法豎直觀看的遺憾,還可以讓學生通過定量測量,清晰地探究到滑動變阻器限流式、分壓式接法的差異,改變了只能理論探究的不足．

(3) 圖7,平拋運動規律探究儀:由多個導軌組成,通過電磁鐵控制兩個相同的小球,解決同時釋放問題,還能調節不同的高度,實現多點探究,現象清晰、結果準確、探究高效．

(4) 圖8,電磁感應規律探究儀:通過兩個正對的大磁鐵,不僅能夠探究單邊切割,還能清晰地探究雙邊切割沒有感應電流的規律,有效突破了雙邊切割沒有感應電流的教學難點．

圖5

圖6

圖7

圖8

通過這些創新設計,讓知識“稀釋還原”, 讓學生追根溯源,建構的過程是自然的、同頻的,生成的基礎是扎實的、結果是牢固的．

2.3 創新設計驗證性實驗,提升生成的水平

大部分高中生正處于具體運算向形式運算演變的發展階段．調查研究表明:只有15%的高中生達到了形式運算階段．

因此,我們應該從學生的實際出發,按最近發展區的理論,對相關教學內容進行加工、重組,直觀呈現事物原貌,讓學生眼見為實．努力降低認知的臺階,積極搭建建構通道,提升生成的水平．設計直觀具體、形象生動的驗證性實驗,能很好地突破重、難點,從而實現感性到理性、具體到抽象、簡單到復雜的順利過渡,也有利于增強學生客服困難的信心,促進三維目標的生成．筆者也做了積極的探索．例如:

(1) 圖9,離心運動演示儀:由可改變轉速轉盤制成．演示時,隨著轉速的加快,小茶餅會做離心運動,由于小茶餅底部有凹陷,塞進蘸有紅墨水棉花,能把離心運動的軌跡清晰地演示出來．既突破了離心運動的發生條件,又顯現了離心運動的軌跡．

(2) 圖10,作用力與反作用力演示儀:由遙控小車和平板小車組成．通過控制遙控小車,能直觀地看到車的運動情況,很好地反映了作用力與反作用力的關系．此實驗儀還能用來演示反沖的現象,只需加上兩塊磁體即可,實現一物多用．

(3) 圖11,惰性管:由塑料管和鋁管制成,能清晰對比出兩塊相同磁鐵通過兩管的時間差異,驗證電磁感應原理．

(4) 圖12,做功因素演示儀:由兩條長度不同的塑料管制成,結構簡單,但效果明顯,用相同的力氣在兩管的一端吹小紙團,從長管出去的紙團能把礦泉水瓶擊倒,管越長威力越大,直觀驗證做功與位移有關．

圖9

圖10

圖11

通過這些創新設計,很好地呈現了物理的原生態,讓學生直接突破難點,提升了生成的水平．

2.4 創新設計應用性實驗,實現生成的升華

習得過程是內化建構的過程,應用的過程則是外化構建的過程．習得的過程是一維到二維的發展過程,應用的過程則是立體發展的過程．所以,我們要通過設計實踐活動,特別是具有創新精神的實踐活動,讓學生動手動腦,多層次、全方位、零距離認識物理世界的真實面貌．一直以來,筆者努力搭建應用的平臺,創新開展實踐活動．例如:(1) 圖13,水火箭射遠;(2) 圖14,縱波模擬器;(3) 圖15,燈總匯;(4) 圖16,電磁探雷器．

圖13

圖14

圖15

圖16

制作的過程,是活用知識的過程,是發現問題、解決問題的過程,更是思維創新的過程．知行合一、春風化雨、潤物無聲,這是質的升華．這是其它方法無法比擬的、無法替代的．

3 創新設計自制教具感悟

物理是由“物”和“理”二字組成,“物”是事實證據,以實驗為基礎,實驗是物理的根;“理”是規律，是理性思維,以思維為中心,思維是物理的魂．豐富的生活資源讓物理教學內容更加豐富,獨具匠心的實驗探究讓物理教學過程更加精彩,扎實的思維訓練讓學生智慧之門開啟．認清物理學科本質有助于我們對物理教學的理解和把握,使物理教學具有濃濃的“物理味道”:生活味、探究味、方法味．

受應試教育的影響,實驗的教學被淡化,只講不做的實驗教學模式普遍存在．高分低能、眼高手低的現象無處不在．這是教學的缺失,也是發展的傷害．實驗是物理教學的基礎,不是教學的從屬．以實驗為基礎突破,用實驗去突破,它是一種教學手段,也是一種教學方法,更是一種教學思想．這是教學的要求,也是認知的要求,更是時代的要求,我們要學會堅守．