創(chuàng)新實驗設(shè)計,提高學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)

葛德成

(杭州學(xué)軍中學(xué)，浙江 杭州 310000)

物理實驗是培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的重要手段．因此,教學(xué)要切實做到以實驗為基礎(chǔ),展現(xiàn)實驗的魅力,淋漓盡致發(fā)揮實驗的教學(xué)功能,使核心素養(yǎng)在課堂落地生根．

1 設(shè)計實驗,調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性

課堂是教學(xué)的主戰(zhàn)場,也是學(xué)生獲得知識、發(fā)展能力、提高核心素養(yǎng)的主渠道．高效率的課,應(yīng)該是在課堂有限的時間和空間內(nèi),實現(xiàn)耳、眼、口、腦“全頻道”式接受,“多功能”式協(xié)調(diào),“立體”式滲透．教師要運用教學(xué)藝術(shù)對課堂的各個環(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)控,使學(xué)生大腦皮層處于積極的興奮狀態(tài),保持全神貫注而又輕松愉快地上好每一節(jié)課．通過實驗,可以引起學(xué)生的有意注意,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情,從而為學(xué)生物理觀念的形成、科學(xué)思維的發(fā)展提供良好的土壤．

1.1 故設(shè)懸念,激發(fā)學(xué)生求知欲

圖1

俗話說,良好地開端是成功的一半．在物理教學(xué)中,巧妙地運用實驗引入新課,就如在平靜地湖面上投石,能激起一片思維漣漪,可以點燃思維火花,產(chǎn)生急欲一聽的感染力．例如,新課引入的時候我們可以做這樣一個實驗:用一個普通的燈泡(額定電壓220 V),與一捆電線相連,構(gòu)成閉合電路,沒有電源,一個電磁爐(為了使其正常工作在面板上放一盛水的小碗),現(xiàn)在要用它點亮這個燈泡,打開開關(guān),見證奇跡的時刻——燈亮了(如圖1)．學(xué)生疑惑不已,自然地引入新課．魔術(shù)般的實驗,吸引了學(xué)生的眼球,故設(shè)懸念,增強(qiáng)了學(xué)生的求知欲,使學(xué)生帶著問題進(jìn)行感應(yīng)電流產(chǎn)生條件的探究,從而激發(fā)了學(xué)生求知欲．這樣的新課引入起到先聲奪人,課亦始,趣亦生的效果．

1.2 創(chuàng)設(shè)情景,促進(jìn)學(xué)生積極思考

創(chuàng)設(shè)問題情景,提供一定的刺激模式,能激起學(xué)生認(rèn)識和解決矛盾的心向,撥動學(xué)生的心弦,點燃好奇之火,掃除障礙,矯治思維“盲點”,撥正思維歧途,師生進(jìn)入“積極思維的王國”,教學(xué)相長．運用實驗創(chuàng)設(shè)問題情景,一要考慮適時性;二要考慮針對性;三要考慮啟發(fā)性．同時要兼顧問題本身的性質(zhì)和學(xué)生的接受能力、思維特點,并適時啟發(fā)、點撥,力爭促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展．

例如:在全反射教學(xué)時,將電池、激光筆、手機(jī)串聯(lián)構(gòu)成“激光信號發(fā)射裝置”(圖2),再將太陽能板和便攜式揚聲器串聯(lián),組成“激光信號接受裝置”．教師手持放射裝置站在講臺旁,一名學(xué)生拿著接受裝置站在教室最后面．

圖2

演示1:用手機(jī)播放音樂,并打開激光筆,只要當(dāng)激光照到太陽能板時,揚聲器中就會發(fā)出響亮的音樂聲,實現(xiàn)了手機(jī)音樂的無線傳輸(圖3)．

演示2:當(dāng)有障礙物遮擋光路,激光照不到太陽能板時就不能傳輸音樂．

學(xué)生們普遍對利用激光實現(xiàn)“無線傳輸”頗有興趣,同時發(fā)問:光被擋住了就不能傳遞信息．為了解決如何實現(xiàn)具有實用價值的“激光通信”,學(xué)生接下來自主探究“全反射”的條件與規(guī)律,并嘗試?yán)谩叭瓷洹痹韺崿F(xiàn)光通信．這一實驗,不僅有效地創(chuàng)設(shè)問題情景,而且使問題在情景中得以解決,學(xué)生在解決問題的情境中思維水平也得到了發(fā)展．

圖3

1.3 設(shè)計高潮,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

心理學(xué)研究表面,中學(xué)生維持高度注意時間,一般來說25 min,一堂課內(nèi)學(xué)生的注意力集中將出現(xiàn)兩次波峰,它一般出現(xiàn)在課間15 min和35 min左右．教師必須要抓住這一點,有意無形地把一堂課分為兩個階段,在每個階段學(xué)生注意波峰期,用節(jié)奏語言和新穎內(nèi)容激發(fā)學(xué)生思維,使教師的情感學(xué)生注意力和思維發(fā)生“共鳴”,整個課堂氣氛形成高潮,在物理教學(xué)中,物理實驗?zāi)軌蛴行Ъぐl(fā)課堂高潮．

圖4

圖5

例如:在學(xué)習(xí)了全反射的原理后,學(xué)生自然想到了是否能讓光信號在水中不斷的全反射從而使光約束在水中傳播．在水中滴入幾滴牛奶,就成了膠體,利用丁達(dá)爾現(xiàn)象可顯示光路,將膠體倒入到不同形狀的容器中(如圖4),適當(dāng)調(diào)節(jié)激光的入射角度,會發(fā)現(xiàn)激光的光路也會隨著水管的彎曲而彎折,這是因為光在水管中發(fā)生了全反射．運用全反射原理可用注滿水的玻璃管傳輸光信號,水管怎樣鋪設(shè),光信號就怎樣傳播,但是,實用性值得商榷,需尋求更方便、更實用的材料充當(dāng)光傳播的介質(zhì)．學(xué)生提出了以下改進(jìn)方案:利用有機(jī)玻璃棒傳遞光信號.利用“光導(dǎo)纖維”實現(xiàn)光通信．教師肯定了學(xué)生的想法,并向?qū)W生展示這種直徑較細(xì)的有機(jī)玻璃做成的“光導(dǎo)纖維”,并用光導(dǎo)纖維傳輸光信號,使音樂再次響起(如圖5),課堂氣氛達(dá)到高潮．有了良好的課堂氣氛,學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣很容易得到激發(fā)．

2 豐富表象,形成物理觀念

列寧在《哲學(xué)筆記》一書中指出:“從生動的直觀到抽象的思維,并從抽象的思維到實踐,這就是認(rèn)識真理,認(rèn)識客觀世界的辨證的途徑”．這也是教學(xué)基本的認(rèn)識過程,從感知過渡到思維的中間環(huán)節(jié)是表象,教學(xué)的目的之一,就是要引導(dǎo)學(xué)生自覺地進(jìn)行表象活動,以促進(jìn)形象思維跟抽象思維的順利轉(zhuǎn)化.對于抽象思維處于急劇發(fā)展時期的中學(xué)生,表象活動尤其重要.進(jìn)行表象活動選擇的實例越是為學(xué)生所熟知,越充分運用學(xué)生的經(jīng)驗,越能促進(jìn)學(xué)生對概念、規(guī)律的理解,有助于學(xué)生形成相應(yīng)的物理觀念．

2.1 豐富學(xué)生感性認(rèn)識,促進(jìn)物理觀念的形成

物理概念是物理現(xiàn)象的本質(zhì)聯(lián)系在人們頭腦中反映．因此,我們在物理教學(xué)中,應(yīng)向?qū)W生提供足夠的感性材料,盡量使得所要研究的現(xiàn)象和過程形象鮮明,本質(zhì)突出,以便于學(xué)生分析和概括,再加以提煉與升華,最后內(nèi)化為學(xué)生頭腦中的物理觀念．

圖6

現(xiàn)以“電容”教學(xué)為例,對學(xué)生來說,這是個抽象難學(xué)的概念．如果照本宣科,先講什么叫“電容”:電容器所帶電量跟兩極電勢差的比值叫電容器的電容;再介紹它的國際單位,然后舉個例題．這種教法是形而上學(xué),學(xué)生并不體會為什么要學(xué)“電容”,為什么這樣定義“電容”．為使學(xué)生能建立起這個概念,我們運用實驗手段,通過電容器對石英鐘放電時指針?biāo)吒駭?shù)的變化,粗略而形象地表明電容器容納電量多少,會根據(jù)情況不同而不一樣,其教學(xué)過程如下．① 演示電容器的充放電現(xiàn)象:先把洗衣機(jī)電容器接入直流高壓電源充電取下后短路放電,學(xué)生在看到耀眼地閃光時,同時還聽到了尖脆地聲響;再取一只電解電容器,充電后與音樂成相連,奏出了悠揚悅耳地樂曲聲;最后將電流傳感器接入電容的充放電回路,觀察電流大小和方向的變化,從而使學(xué)生對電容器的本質(zhì)特性有了深刻的認(rèn)識．② 定性實驗研究:分別用1節(jié)干電池和2節(jié)干電池對同一電容充電,再對沒有電源的石英鐘放電,比較指針?biāo)叩母駭?shù)為近似兩倍關(guān)系,猜想電容器所帶電量與兩極電勢差成正比．③ 定量實驗研究:取兩個相同電容器(3300 μF),對用2節(jié)干電池對其中一個充電,用電壓傳感器測量兩端電壓,再將其和另外一個放完電的電容接觸,兩電容所帶電量均分(如圖6).亦可對石英鐘放電檢驗電量是否減半,重復(fù)以上操作,并用電壓傳感器記錄電壓,電量具體值不清楚,但是電量按比例減小,可記作q、0.5q、0.25q…(如圖7)．做q-u圖發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)點分布在過原點直線上(如圖8)．④ 教師進(jìn)一步指出:電容器所帶電量跟電勢差成正比,他們的比值是一個恒量,再與水容器進(jìn)行類比,從而說明可用這個比值來表示電容器的特性．以上電容器的教學(xué)過程,我們充分利用創(chuàng)新實驗設(shè)計,先從感官直覺,再定性分析,然后定量探究,層層深入,學(xué)生自然明白為什么要定義“電容”,“電容”為什么能表示電容器的特性．這種教法是把概念建立在感性認(rèn)識的基礎(chǔ)上,符合學(xué)生的認(rèn)識規(guī)律．

圖7

2.2 展示準(zhǔn)確的物理圖景,加深理解物理觀念

物理教學(xué)中諸多難點的形成,往往是由于學(xué)生缺乏相應(yīng)的感性材料,表象單薄,因而不能建立起準(zhǔn)確清晰的物理圖像,阻礙了相應(yīng)物理觀念的深入理解．例如帶電粒子速度與磁場方向不垂直時的運動軌跡問題．

圖9

筆者在洛倫茲力演示儀上裝了3個攝像頭(如圖9),左上角攝像頭,用于側(cè)面觀察粒子軌跡．中間的攝像頭對準(zhǔn)正面,用于顯示正視畫面．底部右側(cè)的攝像頭對準(zhǔn)兩個儀表,既可以用來體現(xiàn)實驗操作過程,又便于定量讀數(shù)．通過攝像頭我們清楚看到帶電粒子速度與磁場方向平行時粒子軌跡為直線,垂直時,軌跡是圓,不垂直時,粒子軌跡為螺旋線(如圖10)．通過計算機(jī)攝像頭拍照功能還可對動態(tài)生成的圖像進(jìn)行瞬間定格,定量分析半徑與加速電壓和勵磁電流的關(guān)系,驗證軌跡半徑與磁感應(yīng)強(qiáng)度及粒子速度的定量關(guān)系．

通過以上直觀手段的運用,就為學(xué)生提供了豐富的表象材料,使他們在頭腦中建立一幅較為清晰、準(zhǔn)確的物理圖景,從而就有可能在根本上突破這個難點．

圖10

2.3 精心設(shè)計實驗,轉(zhuǎn)變學(xué)生的錯誤觀念

圖11

為使學(xué)生更好地掌握分析解決物理問題的思路和方法,還可以將實驗與一些疑難問題有機(jī)結(jié)合,利用演示實驗起到言簡意明,畫龍點睛地作用．例如:關(guān)于牛頓第二定律瞬時性的教學(xué)中,只是從理論上分析剪斷繩子瞬間兩小球受力如何變化,學(xué)生還是容易犯錯．用等長的細(xì)繩和橡皮筋分別懸掛兩個相同小球,用力傳感器顯示兩小球同時釋放后拉力的變化(如圖11),通過比較發(fā)現(xiàn)后者彈力變化時間遠(yuǎn)大于前者(如圖12)．我們還可以用前文提到的Tracker軟件,將實驗視頻直接轉(zhuǎn)化成頻閃照片(如圖13),照片中我們清楚的看到,釋放兩球瞬間,彈簧的瞬間力并未發(fā)生突變,而繩子的力發(fā)生了變化．通過實驗突破教學(xué)難點,使學(xué)生獲得了鮮明地感性認(rèn)識,作為認(rèn)識地基礎(chǔ),并提供了思考問題的途徑,在這個基礎(chǔ)上,進(jìn)一步提高到理性認(rèn)識的高度來理解牛頓第二定律的瞬時性,學(xué)生對問題的理解就比較牢固了．

圖12

3 激發(fā)思維,促進(jìn)科學(xué)思維發(fā)展

物理實驗不僅可以促進(jìn)學(xué)生物理觀念的形成,還可以促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展．學(xué)生可以基于實驗進(jìn)行抽象、概括,從而建構(gòu)理想模型;學(xué)生可以基于實驗對不同觀點和結(jié)論提出質(zhì)疑、批判,展開討論,使學(xué)生的科學(xué)推理、質(zhì)疑能力得到提升;學(xué)生可以基于實驗對問題進(jìn)行描述、解釋和預(yù)測,像科學(xué)家一樣研究．

3.1 借助直觀形象,集中思維

圖14

在教學(xué)過程,常常會遇到學(xué)生對某一問題爭論不息,教師用抽象的理論知識解釋,也難以滿足學(xué)生的需要.這時,演示實驗做到一點可破,把學(xué)生的發(fā)散思維,收攏到一起來．例如:雙縫干涉條紋間距公式的證明,需用到小量近似,學(xué)生將信將疑,課后紛紛討論．課堂上教師可用加濕器產(chǎn)生水霧,展示立體的干涉光路,條紋間距與L成正比,與波長成正比等規(guī)律一目了然(如圖14)．這樣的演示啟發(fā)學(xué)生的思維,引導(dǎo)學(xué)生分析,然后揭露出現(xiàn)象的本質(zhì),最后把學(xué)生的思維集中到正確軌道上．這樣,學(xué)生才能消除疑團(tuán),對條紋間距公式的理解也就比較深刻了．

3.2 引發(fā)認(rèn)知沖突,誘發(fā)思維

當(dāng)學(xué)生求知心理達(dá)到平衡時,往往需要教師通過一定的教學(xué)手段去打破學(xué)生的心理平衡,從而激發(fā)思維,其過程是:創(chuàng)設(shè)不協(xié)調(diào)→探究→發(fā)現(xiàn)→解決問題(達(dá)到第二次平衡)．從認(rèn)識論的角度來看,只有不斷的打破學(xué)生原有的認(rèn)識結(jié)構(gòu),使他們的思維遠(yuǎn)離平衡狀態(tài),才能有效地調(diào)動學(xué)生思考的積極性．為此,我們可以運用實驗手段,將新舊知識的矛盾,尖銳地擺在學(xué)生面前,使得他們的思維處在激烈的不平衡狀態(tài)之中,從而帶著要解決問題的迫切心情投入學(xué)習(xí)．

圖15

例如:提問百米起跑、賽車加速、火箭發(fā)射時哪個加速度最大?學(xué)生不假思索地回答:火箭．然后利用Tracker視頻分析軟件的火箭發(fā)射初期的一段視頻進(jìn)行分析,其原理類似打點計時器,軟件對視頻中火箭的時位信息進(jìn)行采集后,通過v-t圖像求得火箭發(fā)射的加速度很小(如圖15，16),甚至比百米起跑的加速度還小,在視頻分析結(jié)果和學(xué)生前概念嚴(yán)重不符時,強(qiáng)烈的認(rèn)知沖突驅(qū)使學(xué)生運用已學(xué)的牛頓第二定律,對視頻分析結(jié)果的合理性作出檢驗,在不斷嘗試運用規(guī)律分析問題的過程中,學(xué)生增進(jìn)了對牛頓第二定律的理解．

圖16

3.3 突破思維障礙,點撥思維

學(xué)生能否積極地進(jìn)行思維和語言交流與他們的思維是否受到“點撥”有關(guān),教師在授課中不僅要善于巧設(shè)疑,同時還要善于導(dǎo)疑、點撥．當(dāng)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中陷入困境或?qū)δ硞€問題發(fā)生爭執(zhí)無法深入時,教師要分析學(xué)生成疑的原因,及時以適當(dāng)?shù)姆绞近c破迷津,另辟新徑．可以根據(jù)教材的實際和學(xué)生的認(rèn)識能力,預(yù)測學(xué)生學(xué)習(xí)新知識時可能產(chǎn)生的思維障礙,并通過實驗,突破難點．

圖17

可起到“千言萬語說不清,一看實驗說分明”的效果．

圖18

綜上所述,創(chuàng)新實驗設(shè)計,可以很好地促進(jìn)學(xué)生物理觀念的形成和科學(xué)思維的發(fā)展,從而使核心素養(yǎng)在課堂落地生根,在學(xué)生頭腦中開花結(jié)果．