基于初中物理課堂教學尷尬的低成本物理實驗開發與利用

洪艇

【摘 要】課堂教學尷尬是指教師在課堂教學中遭遇學生好奇卻遠離學習目的的提問，或是打亂預設教學設計的學生發言時的不知所措、難以應對的情況。對課堂教學尷尬的處理和應對無疑是教師教學智慧的體現。基于初中物理課堂教學尷尬的低成本物理實驗的開發與利用就是通過開發初中物理教學中的部分低成本物理實驗，巧妙地進行教學設計，幫助學生在課堂中獲得更加直觀的、指向學習目標的物理情境體驗，幫助教師避免課堂教學尷尬，從而提高課堂教學效率，在教師的“問”與學生的“思”中順利達成預設的教學目標。

【關鍵詞】教學尷尬;物理實驗;創新;改進

【中圖分類號】G633.7 ?【文獻標識碼】A ?【文章編號】1671-8437（2020）16-0182-04

新一輪基礎教育課程改革提出，高效初中物理課堂的設計原則是“以學生為主體，注重科學探究和思維發展，關注有效的合作與交流”。因此，以問題鏈驅動科學思維和多維對話，以探究活動架構課堂教學模塊，已逐漸成了新課程改革后初中物理課堂教學設計的主要方式。

不可否認，問題是思維的起點，框架性問題鏈的設計可以使課堂結構更清晰。因此，教師在教學中總希望把傳統課堂教學中的“滿堂講”轉變成基于學生思維和對話的“滿堂問”。在設計問題時，教師總是希望學生給出自己想要的回答，希望在師生的問答與交流中逐漸達成預設的教學目標[1]。但筆者發現，對于教師在課堂上拋出精心設計的問題，學生的回答往往會讓教師猝不及防，教師難以引導學生達成自己預設的教學目標，就會陷入一次次的教學尷尬。課堂教學尷尬（Awkward classroom teaching）是指教師在課堂教學中遭遇學生好奇卻遠離學習目的的提問，或是打亂預設教學設計的學生發言時的不知所措、難以應對的情況。如在向學生介紹牛頓第一定律時，教師一來就告訴學生;“力能使靜止的物體運動，能使運動物體的速度加快、減慢或改變運動的方向。”這是學生都能體會到的。然后突然就讓學生思考這樣一個問題：如果物體不受力，將會怎樣呢？這時，學生就不能接受了。有學生提出：“我們不是研究力與運動的關系嗎？那就研究力是怎樣使靜止的物體運動、怎樣使運動的物體速度加快、減慢或改變運動方向呀。干嘛去推斷物體不受力時的運動呢？”面對學生這樣的課堂反應，教師可能會出現無法應對的教學尷尬。

對課堂教學尷尬的處理和應對無疑是教師教學智慧的體現。筆者試圖通過開發與利用部分與學生生活密切相關的低成本物理實驗來應對初中物理的課堂教學尷尬，使以問題鏈驅動的課堂教學模式在初中物理課堂中得到更好的應用。

1 ? 對覆杯實驗的改進

【造成教學尷尬的實驗設計】

在八年級下期向學生介紹大氣壓強時，基本上所有教師都會給學生展示如圖1所示的覆杯實驗[2]。

在玻璃杯中裝滿水（如圖1（a）），用硬紙片輕輕蓋住玻璃杯，使硬紙片和杯口周邊都緊密接觸（如圖1（b））。之后用手輕輕按住硬紙片，將玻璃杯倒置過來，置于空中（如圖1（c））。然后慢慢松開按住硬紙片的手，觀察硬紙片是否掉落。最后，將玻璃杯傾斜，使硬紙片朝向各個方向，觀察硬紙片是否會掉落。

【原有實驗設計產生課堂教學尷尬的原因】

第一，操作不方便。實驗中使用的雖然是硬紙片，但紙片難免不平整，覆蓋杯口后難免會出現漏氣的現象。特別是傾斜玻璃杯時，很容易出現因杯口漏氣使紙片掉落的情況，造成演示實驗失敗。

第二，這個實驗裝置本身容易引起教師課堂教學的尷尬。教師將裝滿水的玻璃杯倒過來，是希望學生通過觀察紙片沒有掉落的現象體會到大氣壓強的存在。但多數學生在小學的科學課上都已經看過這個現象了，等到初中教師再讓他們觀察這個現象時，他們就會冒出一些讓教師猝不及防的想法。如有的學生提到，可能是硬紙片被水粘住了，所以掉不下來。學生覺得，水對紙片是有粘性的，在一張紙上抹點兒水就可以貼在墻上不掉落。學生的這種想法，來自于他們對生活的觀察和體驗，是有道理的。如果教師依然用傳統的覆杯實驗，在教學時，難免會因為學生的這種疑慮而陷入教學尷尬。

第三，有學生在觀察實驗后提問，既然大氣壓強能夠不讓覆蓋在杯口的紙片掉落，那為什么實驗時還要在杯口覆蓋一張紙片呢？不用紙片，水面也與大氣接觸呀，大氣也應該能把水托住，不讓水流出來啊。學生總覺得覆蓋在杯口的那張紙片就像是魔術師變魔術時手上拿來遮東西的那塊布一樣，不真實。

【對傳統的覆杯實驗的改進】

為了消除學生的疑慮，使學生順利體驗到空氣的“力量”，可對覆杯實驗作如圖2所示的改進。

第一，將玻璃杯改為藥瓶，適當減小杯口的面積（如圖2（a）所示）;同時，將覆蓋杯子的硬紙板改為乒乓球（如圖2（b）所示）。乒乓球比硬紙板硬度更好，并且是球形的，對瓶口的密封性更好。這樣做既能使傾斜藥瓶時，被乒乓球覆蓋的瓶口即使朝向各個方向，也絕不會出現瓶口漏氣的情況，也能大大降低實驗失敗的風險。

第二，為了消除學生“有可能是玻璃片被水沾住了”的疑慮，可以在瓶子底部穿一個小孔（如圖2（c）所示）。在進行演示實驗時，先用手將小孔堵住，等學生觀察到乒乓球沒掉下來的現象后，再將手放開。由于空氣從底部的孔進入，所以學生能看到在瓶子的位置沒有任何改變的情況下，乒乓球掉落下來，他們會由此形成一個對比（如圖2（d）（e）（f）所示）。這樣做既便于學生感受大氣壓的存在，也消除了學生認為開始時堵在瓶口的乒乓球不掉落是“因為水的粘性造成的”的錯誤認識。

第三，針對有些學生提出的不用紙片水面也與大氣有接觸，大氣壓應該能把水托住而不讓水流出的想法，可以對該實驗進行如下分析。

觀察滴管這類物品，里面有水的時候，即使滴管管口朝下，也不會有水漏出來，這是因為大氣壓將水堵在管子里了。那么，為什么對于杯子這類物體，就必須要用紙片覆蓋在杯口呢？這是因為在杯口較大的情況下，如果沒有用一張紙片覆蓋杯子，水面是不能保持穩定的。水面一旦晃動，水就會流出來。所以，做覆杯實驗時，還可以對這個傳統的實驗進行如下的改進。

利用“茶杯+濾網”來做覆杯實驗。如圖3所示，可以在茶杯里裝水后，利用茶杯自帶的濾網蓋住水面。學生可以看到，茶杯中的水可通過濾網的每一個小孔和大氣直接接觸，同時因為濾網上的每個小孔之間的液面都是穩定的，所以在將茶杯倒置過來的時候，水不會流出。將這樣的實驗現象呈現在學生面前，能使學生對覆杯實驗有更加深刻的理解，能使他們更加堅信是大氣壓的力量托住了容器中的水。

2 ? 探究光的反射定律實驗改進

【造成教學尷尬的實驗設計】

在探究光的反射定律時，按教材要求，教師會為學生演示如圖4所示的實驗。

照圖4（a）那樣，把一面鏡子M平放在水平面上，把一個畫有角度的白色硬紙板立在鏡面上，硬紙板是由E、F兩塊粘接起來的，可以繞接縫ON轉動，ON垂直于鏡面。先使E、F兩塊紙板成為同一平面，讓學生體驗入射光線、反射光線分居法線兩側以及反射角等于入射角這兩個規律。之后，教師將紙板F向前折或向后折（如圖4（b））。這時根據在F紙板上看不到反射光線的現象，讓學生認知入射光線、反射光線、法線在同一平面內的結論[3]。

【原有實驗設計產生課堂教學尷尬的原因】

筆者在給學生演示這個現象時，遇到了與下面類似的實驗探究題。

（2017·錦州）如圖5所示，探究光的反射定律時，將一塊平面鏡放在水平桌面上，再把一張硬紙板豎直放在平面鏡上，硬紙板由可以繞ON折轉的E、F兩塊板組成。讓一束光貼著硬紙板左側的E板沿AO方向射到O點，在右側F板上能看到反射光線OB。

若將F板向后折轉一定的角度，則在F板上 不能 （選填“能”或“不能”）看到反射光線，此時反射光線和入射光線 在 （選填“在”或“不在”）同一平面內。

通過觀察傳統的演示實驗，學生基本都能正確回答第一個空。但對于這道題的第二個空，很多學生會覺得在F板折轉后看不到反射光，由此得出此時反射光線和入射光線不在同一平面的結論。筆者認為，學生之所以會出現這樣的錯誤，一是由于學生并沒有深刻理解反射現象中入射光線、反射光線、法線在同一平面內這一實驗結論，二是由于在演示實驗中，教師在展示折轉F光屏后，缺少對反射光線的保留，給學生對比造成了困難。

【對探究光的反射定律實驗的改進】

如圖6所示，在將光屏向后折后，用噴水霧的方法來呈現反射光線。這樣學生既能觀察到被折的光屏上反射光線消失，又能清楚地觀察到反射光線的位置（如圖6（c）），更能對三線共面的認識更深刻。但這樣的改進仍有不盡如人意的地方，主要問題是噴水霧畢竟時間很短，反射光線的呈現無法持續保持，實驗現象轉瞬即逝，不便于學生觀察。于是，筆者對實驗又進行了如下改進。

如圖7（a）所示，把可折轉的光屏橫向再分成兩半，一半動一半不動。在為學生演示時，可折轉的光屏上半部分保持不動，用以呈現反射光線的位置，下半部分向后折轉，從而讓學生體驗反射光線與入射光線在同一平面內（如圖7（b）所示）。

在對探究反射定律的實驗裝置作出這樣的改進后，學生既能長時間地觀察折轉光屏后反射光線的位置，也能觀察到折轉部分的光屏上不再呈現反射光線。筆者認為，這樣的改進更利于為學生建立起入射光線、反射光線和法線在同一平面內的物理情境，也便于讓學生更好地領悟右側光屏折轉后就看不到反射光線的原因。

3 ? 聲音的可視化

【造成教學尷尬的實驗設計】

在給學生介紹聲音的波形時，教材用到了示波器。但由于示波器笨重，且需要專門的電源以及與之配套的麥克風，示波器的顯示屏是直徑約為10cm的圓形，非常小，課堂上為學生演示聲波波形圖時可視化效果非常差（如圖8所示）[4]。

【對探究聲波圖形實驗的改進】

對低成本實驗的理解，我們不應該局限于實驗器材本身的價格低廉，其實一些價格較貴但容易獲得的實驗器材，也屬于低成本實驗的器材[5]。如智能手機、筆記本電腦等，這些電子產品雖然價格較高，但隨手可得。筆者認為，這類電子產品也屬于低成本實驗器材的開發范疇。

改進方法一：在手機上下載一個虛擬示波器Oscilloscope（如圖9（a）所示），這樣就可以將智能手機變成一個示波器，利用手機話筒采集聲音信號，利用Oscilloscope軟件顯示聲音波形，再配合希沃授課助手（如圖9（a）所示）進行投屏，就可以很方便地在課堂上讓學生看到聲音的波形了（如圖9（b）所示）[6]。

改進方法二：如圖10所示，在電腦上下載“NOBOOK物理仿真實驗室”，利用該軟件中自帶的虛擬示波器，也可以演示聲波的波形，再利用教室里的投影儀將電腦顯示器的虛擬示波器的畫面呈現出來，這樣就能夠立即增加聲波圖形的可視性。

總之，實驗在物理教學中占有非常重要的地位，是發展學生能力和使學生得到科學訓練的重要途徑，是探索物理奧秘的工具[7]。通過對低成本物理實驗進行開發和利用，可以生動課堂教學，有效減少課堂教學尷尬的出現，降低教師課堂教學的難度，提高課堂教學的效率，增強學生學習物理的興趣，培養學生的注意力和意志力，拉近師生的距離，展現教師的形象和魅力，使以問題鏈驅動的課堂教學模式在初中物理課堂中得到更好的應用。

【參考文獻】

[1]中華人民共和國教育部制定.全日制義務教育物理課程標準（2011版）[M].北京：北京師范大學出版社，2001.

[2]馮化友.初中物理實驗通論[M].成都：四川辭書出版社，2014.

[3]經全國中小學教材審定委員會2002年初審通過，義務教育課程標準實驗教科書《物理》八年級[M].上海科技出版社，2002.

[4]義務教育物理課程標準實驗教科書編寫組，經全國中小學教材審定委員會2002年初審通過，義務教育課程標準實驗教科書《物理》八年級[M].北京：教育科學出版社，2002.

[5]教育部.國家中長期教育改革和發展規劃綱要[Z]，2010.

[6]孫少輝.從幾款APP看安卓智能手機在中學物理教學中的應用[J].物理教學探討：中學教學教研專輯，2016（4）.

[7]閻金鐸，田世昆.中學物理教學概論[M].北京：高等教育出版社，1985.