PBL模式在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

邱清芽 劉堅(jiān)輝 張曉璇 鄭衛(wèi)峰

摘? ?要：將PBL教學(xué)模式應(yīng)用于物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，以探究安培力方向教學(xué)為例，針對(duì)傳統(tǒng)教材中實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的不足，選用自制教具“旋轉(zhuǎn)的液體”進(jìn)行基于PBL教學(xué)模式的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)，以此更好地實(shí)現(xiàn)學(xué)生的探究式學(xué)習(xí)。

關(guān)鍵詞：PBL教學(xué)模式;自制教具;物理實(shí)驗(yàn);安培力

引言

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中提到在物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)過(guò)程中，建議一線(xiàn)教師開(kāi)展生動(dòng)活潑的實(shí)驗(yàn)課堂以及通過(guò)問(wèn)題解決促進(jìn)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的達(dá)成[ 1 ]。因此以問(wèn)題為導(dǎo)向進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，有利于促進(jìn)學(xué)生能力的培養(yǎng)和提升，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效進(jìn)行，落實(shí)物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。PBL教學(xué)模式（Problem Based Learning，基于問(wèn)題的學(xué)習(xí)）是以學(xué)生為主體，讓學(xué)習(xí)過(guò)程處于復(fù)雜的、有意義的問(wèn)題情境中，以小組的形式進(jìn)行互相討論、交流，以此解決相關(guān)問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)、問(wèn)題解決能力的教學(xué)策略[ 2 ]。因此，本文以旋轉(zhuǎn)的液體探究安培力方向教學(xué)為例，將PBL教學(xué)模式應(yīng)用到物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，更好地達(dá)到核心素養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo)。

1? 基于PBL教學(xué)模式的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)基本環(huán)節(jié)

應(yīng)用PBL教學(xué)模式將物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)分為創(chuàng)設(shè)情境、問(wèn)題驅(qū)動(dòng)、制定方案、合作探究和評(píng)價(jià)總結(jié)五個(gè)環(huán)節(jié)。構(gòu)建基于PBL模式的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)基本環(huán)節(jié)（如表1所示），分別指出各環(huán)節(jié)中教師與學(xué)生活動(dòng)主線(xiàn)內(nèi)容。

2? 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

現(xiàn)魯科版高中物理選擇性必修第二冊(cè)教材中第1章第1節(jié)的內(nèi)容為“安培力及其應(yīng)用”，安培力的方向是該部分中的一個(gè)主要內(nèi)容。關(guān)于“安培力方向”的教學(xué)，教材中呈現(xiàn)的是以鋁箔“天橋”實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行探究。但是，該部分是讓學(xué)生按部就班進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，這樣的教學(xué)模式顯然不能實(shí)現(xiàn)學(xué)生個(gè)性化和創(chuàng)造力的發(fā)展。并且，在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，教材中鋁箔紙高度不夠，很難同時(shí)觀察到拱起和下凹現(xiàn)象，且實(shí)驗(yàn)過(guò)程中如要改變電流方向，操作繁瑣，不易實(shí)現(xiàn)[ 3 ]。針對(duì)以上的問(wèn)題，本文應(yīng)用PBL模式，選用自制改進(jìn)的教具“旋轉(zhuǎn)的液體”來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，以此更好促進(jìn)學(xué)生的科學(xué)思維發(fā)展，提高科學(xué)探究能力。

3? 學(xué)生學(xué)情分析

學(xué)生學(xué)習(xí)本節(jié)內(nèi)容前，已經(jīng)學(xué)習(xí)并了解了電流周?chē)嬖诖艌?chǎng)，知道磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)體會(huì)產(chǎn)生作用力。并且在之前學(xué)習(xí)牛頓第二定律時(shí)已經(jīng)進(jìn)行過(guò)實(shí)驗(yàn)探究，因此掌握了一些物理實(shí)驗(yàn)研究方法，具備了實(shí)驗(yàn)探究的能力。

4? 教學(xué)流程

以PBL教學(xué)模式為理論框架，以根據(jù)“旋轉(zhuǎn)的液體探究安培力方向”的實(shí)驗(yàn)為教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計(jì)了本節(jié)課的教學(xué)流程（如圖1）。

5? 教學(xué)過(guò)程

5.1? 創(chuàng)設(shè)情境，激發(fā)探究欲望

首先，教師播放視頻《旋轉(zhuǎn)的液體》（如圖2）。學(xué)生通過(guò)觀看視頻，發(fā)現(xiàn)液體在通電之后發(fā)生旋轉(zhuǎn)，提出疑問(wèn)：為什么沒(méi)有看到有外力的借助下，藍(lán)色溶液會(huì)旋轉(zhuǎn)？

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)液體旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象設(shè)置問(wèn)題情境，使學(xué)生發(fā)生認(rèn)知沖突，必定會(huì)吸引學(xué)生的注意，引起學(xué)生進(jìn)行思考，提出猜想。

5.2? 問(wèn)題驅(qū)動(dòng)，促進(jìn)深入探究

（1）深入剖析，建構(gòu)概念

在學(xué)生進(jìn)行猜想的基礎(chǔ)上，教師給學(xué)生展示“旋轉(zhuǎn)的液體”教具實(shí)物，帶領(lǐng)學(xué)生一起來(lái)探索液體旋轉(zhuǎn)的奧秘。讓學(xué)生觀察討論并思考該教具到底有什么神奇的力量讓溶液旋轉(zhuǎn)起來(lái)。在學(xué)生的思維集中之時(shí)，教師引導(dǎo)學(xué)生分析：教具由哪些材料構(gòu)成，每個(gè)部分都有什么用途。在學(xué)生進(jìn)行交流討論的基礎(chǔ)上，教師與學(xué)生一起進(jìn)行分析并歸納到表格當(dāng)中（如表2）。

學(xué)生了解制作原理之后，教師再告知學(xué)生教具是通過(guò)改進(jìn)教材上某個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置得來(lái)的，給學(xué)生展示實(shí)驗(yàn)裝置的相關(guān)資料（如圖3），以及給學(xué)生講解改進(jìn)思路（如表3）。

通過(guò)學(xué)生對(duì)教具的由來(lái)和原理有了充分的認(rèn)知之后，教師再次引導(dǎo)學(xué)生對(duì)“旋轉(zhuǎn)的液體”進(jìn)行物理建模，試著分析其轉(zhuǎn)動(dòng)的原因，將表2中的信息通過(guò)圖呈現(xiàn)出來(lái)（如圖4）。

學(xué)生在圖表中的事實(shí)證據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行分析就可以解釋藍(lán)色溶液為什么在通電之后會(huì)旋轉(zhuǎn)，歸納得出：磁場(chǎng)對(duì)硫酸銅溶液中產(chǎn)生的電流有力的作用。旋轉(zhuǎn)的方向就是力的方向。

教師順勢(shì)給出安培力的概念：磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)線(xiàn)產(chǎn)生的力稱(chēng)為安培力。

設(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)學(xué)生剖析教具的構(gòu)造，將獲取的證據(jù)整合到表格當(dāng)中，并對(duì)情境現(xiàn)象進(jìn)行模型建構(gòu)，實(shí)現(xiàn)思維可視化，以此促進(jìn)學(xué)生基于圖表中的事實(shí)證據(jù)分析、歸納得出總結(jié)。使學(xué)生經(jīng)歷“觀察—分析論證—總結(jié)歸納”的思維活動(dòng)，為本節(jié)課合作探究環(huán)節(jié)打下基礎(chǔ)。讓學(xué)生了解教師改進(jìn)教具的思路，能夠培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，解決問(wèn)題的能力，并且在溶液改進(jìn)部分，不僅做到跨學(xué)科教學(xué)，而且提高學(xué)生環(huán)保意識(shí)。

（2）明確探究問(wèn)題

學(xué)生建構(gòu)安培力概念之后，教師更加深入地提問(wèn)：液體旋轉(zhuǎn)的方向能否改變？怎么改變？

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生了解了教具的原理后能對(duì)影響因素進(jìn)行合理猜想。再以問(wèn)題為驅(qū)動(dòng)，激發(fā)學(xué)生進(jìn)行探究驗(yàn)證猜想的欲望。

5.3? 點(diǎn)評(píng)反思，完善方案

將班級(jí)成員分為若干個(gè)小組，每個(gè)小組分配好如圖5所示的實(shí)驗(yàn)器材。

由于該教具進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，可能因?yàn)楦鞣N原因使得實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯或者沒(méi)有現(xiàn)象，因此教師需要引導(dǎo)學(xué)生預(yù)設(shè)相關(guān)問(wèn)題的解決方案。這也是設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案的重要一個(gè)環(huán)節(jié)。

因?yàn)榇艌?chǎng)在本次實(shí)驗(yàn)中也是其中一個(gè)重要因素，而在之前的實(shí)驗(yàn)中學(xué)生沒(méi)有涉及到對(duì)磁場(chǎng)問(wèn)題的解決方法，因此教師給學(xué)生提出解決建議，提供相關(guān)資料：可用phyphox軟件測(cè)試磁場(chǎng)，使用方法為打開(kāi)手機(jī)phyphox軟件，選定列表當(dāng)中的“磁力計(jì)”，將手機(jī)放在需要測(cè)量磁場(chǎng)的地方，再按開(kāi)始鍵便可以測(cè)量磁場(chǎng)，如圖6所示。

小組成員進(jìn)行溝通交流，根據(jù)具備的知識(shí)和能力，再借助提供的相關(guān)資料，自主選擇制定方案時(shí)所需解決的問(wèn)題，并列表格當(dāng)中。以表4為例。

每個(gè)小組根據(jù)問(wèn)題解決方案制定初步的實(shí)驗(yàn)方案，并對(duì)選擇的實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行組裝。完成實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)之后，每個(gè)小組派個(gè)代表對(duì)本組的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行展示。這時(shí)教師作為參與者，與其他小組成員進(jìn)行互相點(diǎn)評(píng)，對(duì)實(shí)驗(yàn)方案存在的問(wèn)題做出修改，完善方案。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生已經(jīng)掌握教具的制作原理并且制作過(guò)程易于操作，因此在組裝實(shí)驗(yàn)器材的環(huán)節(jié)中也加上制作教具的內(nèi)容，以此幫助學(xué)生回憶起教具中所蘊(yùn)含的物理知識(shí)。由于學(xué)生的知識(shí)有限，對(duì)于一些目前還無(wú)法進(jìn)行解決的問(wèn)題，教師提出應(yīng)用軟件phyphox的解決建議和解決思路，學(xué)生不僅可以獲得解決磁場(chǎng)問(wèn)題的方法，還能夠?qū)W到解決問(wèn)題的思維方式，并且感受到信息技術(shù)的進(jìn)步。

5.4? 合作探究，得出結(jié)論

學(xué)生根據(jù)完善的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，每個(gè)小組合理分工，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，觀察假設(shè)的影響因素與安培力方向的改變情況，將結(jié)果記錄于表格當(dāng)中（如表5），再根據(jù)表中的實(shí)驗(yàn)證據(jù)進(jìn)行分析，最后得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論：安培力方向與磁場(chǎng)方向、電流方向有關(guān)。

5.5? 經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，促進(jìn)遷移

小組間進(jìn)行成果展示，討論交流實(shí)驗(yàn)總結(jié)，并提出在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，例如：實(shí)驗(yàn)過(guò)程中進(jìn)行通電，石墨和鋁質(zhì)易拉罐薄片處在硫酸銅溶液中的部分會(huì)有黑斑生成。通過(guò)與教師和學(xué)生探討分析，最終得以解決問(wèn)題，知道黑斑是硫酸銅溶液通電進(jìn)行電解反應(yīng)生成的銅。

教師根據(jù)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告以及實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的表現(xiàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，并進(jìn)行教學(xué)反思。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)讓學(xué)生交流實(shí)驗(yàn)總結(jié)以此幫助學(xué)生將本堂課的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)遷移到其他的實(shí)驗(yàn)探究中，提高進(jìn)行第二課堂活動(dòng)的可實(shí)現(xiàn)性。

結(jié)語(yǔ)

本文以PBL教學(xué)模式為指導(dǎo)，選用自制教具來(lái)進(jìn)行“探究安培力方向”的教學(xué)，將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)改成探究式實(shí)驗(yàn)，激起學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究的內(nèi)驅(qū)力，幫助學(xué)生深刻理解掌握物理概念和物理規(guī)律。

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