基于實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生物理觀念的探究

摘 要：物理觀念在學(xué)生認(rèn)識和理解物理知識的過程中起著重要的作用，所有基礎(chǔ)物理理論知識都源于對物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察和認(rèn)知。物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有生動性、直觀性，能夠充分調(diào)動學(xué)生的各種感官，是物理教學(xué)的基礎(chǔ)。教師采用實(shí)驗(yàn)教學(xué)能促使學(xué)生形成物理觀念。文章就基于實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生物理觀念進(jìn)行了探究，以期為相關(guān)教育工作者提供參考。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn);物理觀念;內(nèi)涵;作用;策略

中圖分類號：G633.7? ??文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ?文章編號：2095-624X（2021）41-0073-03

作者簡介：邱婷（1983.5—），女，廣東省廣州市禺山高級中學(xué)，中學(xué)一級教師，本科，研究方向：物理教學(xué)。

一、物理觀念的內(nèi)涵

所謂物理觀念，即從物理學(xué)角度思考問題，形成的對物質(zhì)、運(yùn)動與相互作用、能量之間關(guān)系的認(rèn)識。人的大腦通過不斷思考與總結(jié)，可以將物理概念與規(guī)律等知識運(yùn)用到實(shí)踐中，如用物理知識來解釋下雪、結(jié)冰、蒸發(fā)、霧霾等現(xiàn)象，就都是將物理觀念運(yùn)用于生活中各個方面的體現(xiàn)。本文提到的物理觀念是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成部分，主要指學(xué)生對物質(zhì)、運(yùn)動與相互作用以及能量等知識的一種基本認(rèn)知，是物理概念和物理規(guī)律在學(xué)生腦海中的升華，更是學(xué)生從物理學(xué)的角度對自然現(xiàn)象進(jìn)行解釋以及解決實(shí)際問題的依據(jù)。實(shí)驗(yàn)是物理教學(xué)中一個非常重要的環(huán)節(jié)，所有基礎(chǔ)物理理論知識都源于對物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察和認(rèn)知。學(xué)生通過學(xué)習(xí)，能夠形成物質(zhì)、能量、相互作用等物理意識，然后將之運(yùn)用到實(shí)踐中，可以解決生活化的物理問題，形成理論與實(shí)踐的融合。

二、培養(yǎng)學(xué)生物理觀念對物理教學(xué)實(shí)踐的作用

學(xué)生物理觀念的形成與其認(rèn)知水平相適應(yīng)，屬于認(rèn)知成果的范疇。隨著物理學(xué)習(xí)的不斷深入，學(xué)生物理觀念的培養(yǎng)和形成也會具有一定的層次性，主要表現(xiàn)為學(xué)生在不同時期會逐漸形成不同的物理觀念。因此，教師在教學(xué)中幫助學(xué)生形成物理觀念，能夠使學(xué)生在面對一些新問題時不被其表象迷惑，而是主動地運(yùn)用相關(guān)物理觀念來解決問題，并對此能給出一個科學(xué)的解釋。此外，學(xué)生在學(xué)習(xí)物理的過程中，記憶與遺忘往往是交織的，隨著時間的推移，遺忘速度及遺忘知識點(diǎn)的數(shù)量會呈現(xiàn)先多后少的趨勢，最后仍然留在學(xué)生腦海中的知識才是教育價(jià)值的真正體現(xiàn)。著名物理學(xué)家愛因斯坦認(rèn)為，物理觀念在物理學(xué)一系列理論建立的過程中發(fā)揮著不可替代的作用。因此，在物理教學(xué)過程中，教師一定要注重培養(yǎng)學(xué)生的物理觀念。

三、基于實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生物理觀念的策略

（一）通過實(shí)驗(yàn)調(diào)動學(xué)生的多種感官，構(gòu)建物理觀念

實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠充分調(diào)動學(xué)生的多種感官，為學(xué)生呈現(xiàn)具體的物理現(xiàn)象，在強(qiáng)化學(xué)生感知的同時又能糾正學(xué)生已形成的錯覺，豐富學(xué)生頭腦中的感性材料，達(dá)到發(fā)展學(xué)生智力、培養(yǎng)學(xué)生能力的目的。開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生物理觀念的重要方式之一，在物理教學(xué)中發(fā)揮著十分重要的作用。

根據(jù)力的作用效果分解力與實(shí)際生活之間的聯(lián)系不夠直觀，學(xué)生缺乏這方面的感性認(rèn)識，很難判斷被分解的力產(chǎn)生了哪些作用效果，理解起來會比較困難。教師可以讓學(xué)生上臺做演示實(shí)驗(yàn)：準(zhǔn)備一條細(xì)繩，一端系上鉤碼，另一端系在學(xué)生手指上，然后用筆的末端頂住細(xì)繩的某個點(diǎn)，把筆尖正對掌心。實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生能感覺到手掌有些痛，這證明筆尖對掌心產(chǎn)生了壓力，學(xué)生能看到手指上的勒痕，說明細(xì)繩對手指產(chǎn)生了拉力。在此實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，學(xué)生就可以將鉤碼向下拉細(xì)繩時產(chǎn)生的兩個力的方向在紙上畫出來，并求出這兩個力的大小。學(xué)生通過這個實(shí)驗(yàn)可以更深入地理解力的分解規(guī)律，構(gòu)建“力的作用是相互的”觀念。

（二）通過實(shí)驗(yàn)在學(xué)生原有觀念的基礎(chǔ)上發(fā)展其物理觀念

學(xué)生在初中就已經(jīng)積累了許多生活經(jīng)驗(yàn)和科學(xué)概念，教師將新的物理觀念的培養(yǎng)置于真實(shí)的物理問題情境中可有效地調(diào)動學(xué)生原有的經(jīng)驗(yàn)。此時，教師通過實(shí)驗(yàn)解決實(shí)際問題，能幫助學(xué)生建立新的物理觀念與原有經(jīng)驗(yàn)之間的聯(lián)系， 再應(yīng)用類比等方法，就可以進(jìn)一步發(fā)展學(xué)生的物理觀念，這對一些抽象概念的建立尤為重要。

學(xué)生可以從生活經(jīng)驗(yàn)中得知，用手提起裝滿水的桶，桶會受到人施加的力向上運(yùn)動，手必定也會受到桶施加的力，而感到疼痛，教師可以告訴學(xué)生這是因?yàn)榱Φ淖饔檬窍嗷サ摹Ｄ敲匆粚ο嗷プ饔昧τ惺裁刺攸c(diǎn)呢？教師可以設(shè)計(jì)如下兩個實(shí)驗(yàn)。學(xué)生演示實(shí)驗(yàn)：教師邀請兩位體重相差很大的學(xué)生用彈簧秤進(jìn)行對拉演示，讓學(xué)生先猜想可能的現(xiàn)象，然后觀察彈簧秤的讀數(shù)。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程會發(fā)現(xiàn)，只有在靜止或緩慢勻速拉動彈簧秤時才能清楚地讀數(shù)，而且盡管學(xué)生一胖一瘦，兩個彈力大小總是相等。這時有學(xué)生提出：“非平衡狀態(tài)的讀數(shù)也相同嗎？”此時教師可以采用傳感器演示，讓學(xué)生進(jìn)一步探究，發(fā)現(xiàn)相互作用力與物體運(yùn)動狀態(tài)無關(guān)。最后學(xué)生歸納總結(jié)：一對相互作用的力總是大小相等、方向相反作用在同一直線上，與物體的運(yùn)動狀態(tài)無關(guān)。教師演示實(shí)驗(yàn)：將一塊條形磁鐵放在桌面上，在其周圍放置小鐵釘，它會把周圍的小鐵釘吸過來，接著引導(dǎo)學(xué)生用所學(xué)知識解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。根據(jù)所學(xué)知識，學(xué)生都知道磁鐵和小鐵釘之間有大小相等的相互作用力，但是為什么鐵釘動了，磁鐵沒有動，很多學(xué)生解釋不了。此時，教師需要引導(dǎo)學(xué)生：“判斷物體的運(yùn)動需要對其進(jìn)行完整的受力分析。”如果學(xué)生仍然無法判斷，教師則可以進(jìn)一步提示：“桌面是粗糙的。”學(xué)生便可將實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與摩擦力知識相結(jié)合，作出正確的分析。

這種以物理核心素養(yǎng)培養(yǎng)為導(dǎo)向的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究意識，學(xué)生能在真實(shí)情境中提出有價(jià)值的問題，接著利用科學(xué)方法獲取和處理信息，習(xí)得知識，最后用于解決生活中的實(shí)際問題，形成物理觀念。

（三）通過實(shí)驗(yàn)激發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，強(qiáng)化正確的物理觀念

作為學(xué)生學(xué)習(xí)的引導(dǎo)人，教師應(yīng)當(dāng)首先樹立物理正確的觀念，只有這樣，才能深入了解學(xué)生的認(rèn)知沖突，準(zhǔn)確解決學(xué)生在物理學(xué)習(xí)過程中存在的認(rèn)知錯誤等問題。在學(xué)習(xí)物理時，學(xué)生可能會出現(xiàn)認(rèn)知沖突，就是當(dāng)舊觀念和新經(jīng)驗(yàn)兩者出現(xiàn)對立時，學(xué)生會覺得疑惑和緊張，可能還會有些不舒服，這是正常現(xiàn)象。皮亞杰的認(rèn)知論指出：認(rèn)知沖突是指認(rèn)知發(fā)展過程中原有概念或認(rèn)知結(jié)構(gòu)與現(xiàn)實(shí)情境不相符時，在心理上所產(chǎn)生的沖突或矛盾。認(rèn)知沖突是在認(rèn)知活動中產(chǎn)生的，學(xué)生在面對真實(shí)場景時回想起舊的知識經(jīng)驗(yàn)，并試圖對新、舊經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行對比、融合，尋找新平衡點(diǎn)，這就是認(rèn)知沖突的解決過程。因此，在激發(fā)學(xué)生認(rèn)知沖突時，教師直接幫助學(xué)生改錯，往往效果不佳。在這種情況下，教師不妨讓學(xué)生在錯誤的思路上“撞一撞南墻”，切身感受陷入困境的滋味，然后再給予引導(dǎo)，學(xué)生便會“吃一塹長一智”，從山窮水盡走向柳暗花明，享受成功的喜悅。

教師可以利用多媒體投影蹦極視頻，要求學(xué)生觀察運(yùn)動員的速度和彈性繩伸長量的關(guān)系，判斷運(yùn)動員在什么位置動能最大。由于過程短，速度快，學(xué)生未必能觀察清楚，絕大部分學(xué)生都是憑借自己的慣性思維認(rèn)為繩子一拉直就受到向上的彈力，此處彈力是阻力，物體開始減速。此觀點(diǎn)有嚴(yán)重錯誤，但教師不必急于糾正學(xué)生，而要繼續(xù)引入以下題目。

地面上豎直放置一輕質(zhì)彈簧，小球從其正上方某一高度自由下落到彈簧上，針對小球從剛接觸彈簧到彈簧被壓縮至最短的過程（彈性限度內(nèi)）提出以下問題。

問題一：力與運(yùn)動

A.小球速度變大，合力變大

B.小球速度先變大后變小，合力先變小后變大

C.小球速度變大，合力變小

D.小球速度先變小后變大，合力先變大后變小

部分學(xué)生會沿用之前的錯誤經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為小球一碰到彈簧就開始減速。此時，教師可以鼓勵學(xué)生進(jìn)行小組討論，讓學(xué)生講解自己的觀點(diǎn)，得出結(jié)論。若學(xué)生無法討論出正確結(jié)論，教師則可以進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生回顧物體做加速運(yùn)動和減速運(yùn)動的條件：合力與速度同向或?yàn)殇J角時，物體做加速運(yùn)動，反之則做減速運(yùn)動。學(xué)生只有用知識指導(dǎo)實(shí)踐進(jìn)行受力分析才能得出正確答案，而不能僅憑感覺去猜想。

問題二：功能關(guān)系和能量守恒

從功能關(guān)系角度解釋小球的動能、重力勢能、彈簧的彈性勢能、怎么變化。

從能量守恒角度回答：第一，小球重力勢能和彈簧彈性勢能的總和如何變化;第二，小球動能和彈簧彈性勢能的總和如何變化;第三，小球動能和重力勢能的總和如何變化。

教師通過以上分析可以幫助學(xué)生建立知識間的聯(lián)系，使學(xué)生形成物理觀念——物體相互作用的過程總是伴隨著能量轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)化，功是能量轉(zhuǎn)化的量度，做了多少功就有多少能量發(fā)生轉(zhuǎn)化，在任何轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)化的過程中，系統(tǒng)的總能量保持不變。最后再回到蹦極現(xiàn)象，學(xué)生便可以用所學(xué)知識分析受力情況，用正確的物理觀念解釋生活，徹底轉(zhuǎn)變“受到阻力馬上減速”的錯誤思想。

（四）通過實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)學(xué)生體驗(yàn)評價(jià)、反思概括，實(shí)現(xiàn)物理觀念遷移應(yīng)用

在傳統(tǒng)的教學(xué)過程中，一般是教師進(jìn)行知識小結(jié)。在新課改背景下，教師要以觀念構(gòu)建為導(dǎo)向?yàn)閷W(xué)生提供交流的平臺，指出概括反思的方向，同時對學(xué)生學(xué)習(xí)過程的表現(xiàn)進(jìn)行評價(jià)，不斷優(yōu)化教學(xué)策略。教師還要以此為依據(jù)幫助學(xué)生進(jìn)一步構(gòu)建、完善物理觀念體系，實(shí)現(xiàn)物理觀念的遷移應(yīng)用。

在“探究滑動摩擦力大小”實(shí)驗(yàn)中，教師可讓學(xué)生猜想滑動摩擦力與哪些因素有關(guān)，并自行討論，自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，用控制變量法進(jìn)行探究。此處，學(xué)生要明確的知識是二力平衡，用彈簧秤測的是拉力，要使拉力和摩擦力大小相等才可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。接下來，教師讓學(xué)生思考：若按照教材設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案（見圖1），要怎么操作？學(xué)生通過理論分析可以得出：必須滿足拉力呈水平方向，手勻速拉動彈簧秤才能保證物體做勻速直線運(yùn)動。學(xué)生在自己動手操作時，會覺得很難判斷木塊是否在做勻速直線運(yùn)動，便會對實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論產(chǎn)生懷疑。此時，教師不應(yīng)直接給出新的實(shí)驗(yàn)方案，而應(yīng)讓學(xué)生在不斷嘗試中去體驗(yàn)、歸納，最后逐步完善為圖2的實(shí)驗(yàn)方案。教師要讓學(xué)生分析，按照圖2的方案要如何拉木板，此時教師不妨邀請基礎(chǔ)較弱的學(xué)生回答相關(guān)問題，若他能回答正確則說明班級大部分學(xué)生都懂了，便可以開始實(shí)驗(yàn)操作。每一位學(xué)生都真正參與的課堂才是有效、深刻的課堂，才能促使學(xué)生獲得全面的發(fā)展。

（五）運(yùn)用新型教學(xué)方式，激活學(xué)生認(rèn)知

階梯式教學(xué)模式是一種基于學(xué)生認(rèn)知發(fā)展水平的教學(xué)模式，要求教師從學(xué)生身心發(fā)展規(guī)律和實(shí)際學(xué)習(xí)情況出發(fā)，與物理學(xué)科進(jìn)行融合，以分層和階梯學(xué)習(xí)計(jì)劃不斷引導(dǎo)學(xué)生循序漸進(jìn)地把握對應(yīng)的知識，從學(xué)生的經(jīng)驗(yàn)水平出發(fā)引導(dǎo)學(xué)生掌握相關(guān)的概念，然后再從概念出發(fā)引導(dǎo)學(xué)生思考、探究，促進(jìn)學(xué)生思想水平的提升。

例如，在教學(xué)“合力與分力”相關(guān)的內(nèi)容時，教師要先從學(xué)生已有的經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生思考一個大人推動一個物體和兩個小朋友共同推動這個物體的力的作用是否完全相同，激活學(xué)生的物理經(jīng)驗(yàn)，接著，教師要從學(xué)生的知識水平出發(fā)引入相關(guān)的概念，給出“分力”“合力”“力的分解”“力的合成”等基礎(chǔ)概念，為學(xué)生“等效代替”思想的形成做鋪墊。最后，當(dāng)學(xué)生深入領(lǐng)會物理思想和方法之后，教師就可以引導(dǎo)學(xué)生利用這種思想來學(xué)習(xí)新的物理知識。經(jīng)歷了這樣一個過程，學(xué)生就能很好地培養(yǎng)自身的物理觀念。

結(jié) 語

物理是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)、富有理性思考的一門學(xué)科，物理學(xué)習(xí)既離不開觀察與實(shí)驗(yàn)，也離不開理性思考。實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)的基礎(chǔ)，通過實(shí)驗(yàn)研究物理是學(xué)習(xí)和發(fā)展物理學(xué)的重要手段。實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠充分調(diào)動學(xué)生的多種感官，給學(xué)生呈現(xiàn)物理現(xiàn)象，在增強(qiáng)學(xué)生感知的同時又能夠糾正學(xué)生的錯覺，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)物理知識。因此，培養(yǎng)學(xué)生的物理觀念離不開實(shí)驗(yàn)教學(xué)。在教科書編寫方面，研發(fā)人員要針對物理教學(xué)的發(fā)展，創(chuàng)新設(shè)計(jì)相關(guān)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng)。為了物理教學(xué)更加高效，教師要改變以往傳統(tǒng)的授課模式，在教學(xué)物理觀念時不能僅傳授相關(guān)知識，還應(yīng)重視每位學(xué)生對問題的不同理解，設(shè)計(jì)個性化的教學(xué)模式，開展多樣化的物理教學(xué)活動，合理安排課程學(xué)習(xí)，這樣才能幫助學(xué)生樹立正確的物理觀念。

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