基于科學觀念建構的物理實驗設計

李國坤

摘要：物理是一門以實驗為基礎的學科。實驗教學可以直觀展示實驗現象和規律，以實踐論證能夠更好得出結論，以層進式探究能夠引導疑問推理，以形象的實驗演示便于建立物理模型，從而幫助學生構建起科學觀念，培養科學思維能力。

關鍵詞：科學觀念;物理實驗設計

科學觀念是以科學角度思考生活問題，探討和研究物理現象的內在規律及相互關系。科學觀念主要包括實踐論證、疑問推理以及模型建立。初中物理是一門以實驗為基礎的學科，實驗作為物理教學中的重要科學探究手段，對學生學好物理起著至關重要的作用。

一、以實驗進行實踐論證，建構科學觀念

實踐是檢驗真理的唯一標準。物理課堂教學過程中，凡是能采用實驗證明的，絕對不能口頭講述，甚至以動畫和視頻替代。只有讓學生身臨其境的進行實踐論證，才會有強烈的視覺沖擊和深度體驗，才能夠完成科學觀念的建構。

案例一：《光的反射定律》的實踐論證過程

在探究光的反射定律時，如何歸納出反射光線、入射光線和法線在同一平面內這一個規律是這節課的一個難點。以往的演示實驗器材（圖1）只能探究光在某一個平面內的情況，缺乏普遍意義，而且實驗現象不明顯。

為此，教者改進了實驗器材（圖2），利用半圓形透明玻璃罩（充滿煙霧），將實驗現象從二維的平面現象拓展到三維立體模型，可以很方便地從多角度選取入射光線，學生能夠非常清晰直觀地觀察到反射光線，進而掌握了反射光和入射光的“共面”特征，并且通過實踐論證，輕松的理解“法線”引入的意義，“法線”為確定“共面、等角、異側”，起到關鍵性作用，幫助學生尋找實驗規律，再次建立起物理模型，構建起科學觀念。

二、以實驗展開疑問推理，建構科學觀念

為了讓學生積極參加探究活動，教師要精心設計實驗，激發學生的探究欲望，因勢利導學生完成科學探究，讓學生在物理探究中觸發深度思維，并且能夠釋疑解惑，進行邏輯推理，尋找物理規律，最終構建起科學觀念，提升科學思維和科學探究能力。

案例二：《牛頓第一定律》的疑問推理過程

如圖3，A為小球，B是斜面，C是不同材料的水平面，D是實驗桌

實驗步驟：

（1）C為棉布，將小球A從斜面的某一高度靜止釋放，記下小球釋放的位置和停下的位置;

（2）把C換成粗糙的紙張，再將小球A從斜面的同一高度靜止釋放，記下小球釋放的位置和停下的位置;

（3）把C換成較光滑的紙張，再將小球A從斜面的同一高度靜止釋放，記下小球釋放的位置和停下的位置;

（4）把C換成玻璃。

當學生做到第三步時，學生已經初步認識到粗糙程度越小，小球滾得越遠，做到第4步時，小球滾出了桌面。在做完試驗后，教者問到這個現象說明了什么？學生回答摩擦力越小，小球滾得越遠，教者再追問若斜面絕對光滑呢？學生恍然而悟，小球將一直運動下去，此時小球沒有受到摩擦力的作用。

這樣一個實驗過程，引導學生從現象到本質，最終得出了力與運動之間的關系，同時也構建起科學觀念，提升了科學思維和科學探究能力。

三、以實驗建立物理模型，建構科學觀念

初中學生思維正處于形象思維向抽象思維過渡的階段，在很大程度上，學生仍舊憑主觀經驗分析事物，不善于抽象思維和理論推理。心理學研究也表明：人們認識事物存在著知覺優先的傾向。這就要求教師必須給學生提供足夠的感性材料和活動體驗，加強演示實驗配合教學內容，將抽象的物理概念建立起物理模型，引導學生觀察思考，并使之正確認識物理事實，幫助其更好地構建起科學觀念。

案例三：《電阻》建立物理模型

如圖4，2個礦泉水瓶，用燒杯取水，倒入2個礦泉水瓶中，觀察比較水流過礦泉水瓶的快慢，水流快慢不一樣是什么原因？學生思考，展示第2圖，是在A、B瓶中分別填塞棉布和泡沫，它們對水的阻礙作用不一樣。

在第一次教學時，教者直接給出了電阻的概念，但教學效果不佳。于是經過課后教學反思，選取身邊的常見物品，設計了上述演示實驗，學生觀察之后，很快建立起“電阻”的物理模型，順利構建起電阻的概念，實驗的教學效果立竿見影。

通過演示實驗，學生親眼所見，發現水都能從A、B兩個礦泉水瓶中流過，但在A中流速較慢，B中流速較快。兩個瓶都能讓水經過，為什么流速不同呢？因為兩個瓶中的物體對水流的阻礙作用不同，A瓶中的棉布對水的阻礙作用大，所以水流慢，B瓶中的泡沫對水的阻礙作用較小，所以水流較快。根據類比的思想，學生也理解了導體在導電的同時，對電流也有阻礙作用，阻礙作用越大，電流就越小。于是學生就順其自然的構建起電阻的科學觀念。

物理實驗在課堂教學中的重要性不言而喻，它對構建學生的科學觀念，進而培養學生的物理核心素養至關重要。

（作者單位：無錫市梅里中學，江蘇 無錫214000）