讓兩性一度成為實驗的“催化劑”*

李思成 向世昊 艾振宙

(湖南第一師范學院物理與化學學院 湖南 長沙 410205)

1 引言

在第十一屆“中國大學教學論壇”上,教育部高等教育司司長吳巖闡述題為“建設中國金課”的報告,提出了“兩性一度”的金課標準,即高階性、創新性、挑戰度.對課程教學提出了更高的要求,培養學生成為“全面發展的人”.新時代下,國家也提倡學校教育和實踐鍛煉相結合,培養學生高級思維及創新能力.物理作為一門以實驗為基礎的學科,著重培養學生科學素養.但在現在的物理教學中,教師忽略了物理實驗的重要性[1],只在課堂上演示實驗或直接觀看視頻;教學方式固化,在新課改的背景下,內容沒有與時俱進,未做到以學生為主體,常采取“題海”戰術,久而久之使學生失去了創新精神及學習主動性.基于以上問題,通過結合物理教學案例,嘗試將“兩性一度”融入物理實驗中,希望對當前“金課”建設提供借鑒.

2 設計依據

2.1 創新性——創新性實驗

兩性一度中的“創新性”要求課程內容有前沿性和時代性,教學形式體現先進性和互動性,學習結果具有探究性和個性化,培養學生去探究,能夠把學生的個性特點發揮出來[2].在物理實驗教學中,要進行教學模式的構建以及教學方式的改變,從而得到更好的學習結果.從原來的單一的講課模式過渡到由講課、教師演示實驗、討論、學生自主設計實驗、評價等多種教學方式相結合[3].同時構建探究式、合作學習的教學模式.教師可在課堂上根據實驗設置相應探究問題以及合作學習環節,通過以上結構模式的搭建,在一步步的問題探究中培養學生的思維及創新能力,且通過與他人的交流以及思想碰撞,學習者會有產出,這些產出中就包括了知識和新的想法.

實際課堂中,可采取教師演示創新性實驗的教學方式,改進實驗教具.如在設計“蒸發運動”的實驗時,構建可視化實驗模型,使學生更直觀地觀察到其運動現象,激發學生的學習興趣,為學生提供接下來課堂中的學習探究思路.落實了以“學生為主體,教師為主導”的教育思想,以此來推動學生個性化發展.

2.2 高階性——多思維實驗

高階性是指知識、能力、素質的有機融合,培養學生解決復雜問題的綜合能力和高級思維[2].而多思維組合是一種高級思維方式,把多思維與實驗課程結合能有效地促進學生對跨學科、多維度知識的學習思路構建,多思維可包含數學思維、抽象思維、求異思維、辯證思維等;多思維活動可包括記憶、應用、創造、分析等.所以教師在設計教學內容時可嘗試將課本內容與思維多樣化相結合,設置多思維活動,不同的思維相互交融,更能促進學生的高級思維發展.如在設計凸透鏡的實驗前,學生回顧凸透鏡的各種知識點,這便是“記憶”思維中的回憶;學生舉出生活中凸透鏡例子,這便是“理解”思維中的舉例;學生在概述這些知識點的同時可為設計凸透鏡組合實驗奠定基礎.實驗時,學生可開始通過自己的理解開展“創新”思維活動[4].實驗后,學生可通過“發散”思維尋找規律關聯.這樣有助于培養學生對核心知識思維概念的構建,也有利于培養學生的科學探究精神以及看待問題的全面性[4].

2.3 挑戰度——拓展性實驗

兩性一度中的“挑戰度”是指課程有一定難度,需要跳一跳才能夠得著,對于教師備課和學生課下學習活動有較高要求[2].物理實驗課堂中要體現挑戰度,主要集中在兩個方面,一是拓展物理教材中知識的深度和廣度并在教學目標的情感態度與價值觀維度上,對學生做出更高的要求;二是優化課程考核評價,將物理的拓展性實驗作為考核的重要部分,融入對學生實驗操作能力的考核.課程考核評價主要分為兩個部分,形成性評價占總體的40%,終結性評價占總體的60%.其中形成性評價包括課堂表現及平時小組實驗完成情況;終結性評價分為實驗前、中、后3部分,里面又分別包括了資料查詢、儀器操作、答辯情況等,具體情況及占比如圖1所示.旨在通過課程考核方式的優化,改變學生成績“一紙定結果”的局面,提高課程的挑戰度.

前文中提到的拓展性實驗,是指將略難于課本內容的知識運用到實驗中,將生活中奇特現象或是課本中提及的復雜概念,以問題為導向,以已有知識為基礎,以實驗為路徑,鼓勵學生自由發表觀點,克服畏難思想,勇攀知識高峰.據此,教師能夠從學生的回答及課堂表現中了解到他們的知識掌握情況并形成最終的課程評價.

3 案例設計

3.1 創新性實驗

3.1.1 起舞的液滴

(1)實驗材料:燒熱的玻璃片及球面玻璃,丙二醇,色素.

(2)實驗步驟

1)將丙二醇溶于水,不同濃度的加入不同顏色的色素來區分.

2)在燒熱的玻璃板上滴入兩滴同一顏色的丙二醇溶液,如圖2所示.

3)在燒熱的球形玻璃內側滴入兩滴不同顏色的丙二醇溶液,如圖3所示.

圖3 不同濃度液滴融合過程

3.1.2 實驗分析

可視化模型分析原因:用后面貼有磁鐵的淺藍色半圓形紙片代替液滴,后面貼有磁鐵的深藍色圓形小紙片代替水汽,通過移動圓形小紙片來演示蒸發過程,如圖4所示.

圖4 液滴蒸發運動可視化模型

因為水蒸發得比較快,所以在水滴周圍都包裹了一層水汽.當兩個液滴緩慢靠近時,中間的濕度會比四周的濕度高,導致中間蒸發較慢,四周蒸發較快,二者之間的壓力差會把液滴往中間推.與此同時兩個不同濃度的溶液還會存在表面張力的差異,水的表面張力較大,拉扯著分子遠離表面張力小的丙二醇.

創新點:用色素來表示不同濃度的液體,便于區分;用加熱的玻璃板進行實驗能加快水汽蒸發,提高實驗效率;同濃度液滴實驗時,用可視化的模型來模擬整個液滴蒸發運動過程;不同濃度液滴實驗時,用球形玻璃來進行實驗,能夠更加明顯地觀察到表面張力對液滴融合的影響.

3.2 多思維實驗

3.2.1 隱形的手

(1)活動目標

通過運用4個透鏡對光的相互作用來制造盲區;能夠分析“隱形的手”形成的原理;能夠通過找到透鏡焦距,計算出各透鏡之間的距離.

(2)活動重難點

活動重點:凸透鏡成像規律的光路圖.

活動難點:4個透鏡、手的擺放位置.

(3)活動資源

兩組凸透鏡(每組中兩個同焦距透鏡且兩組焦距已知),光具座.

(4)活動過程

1)實驗前回顧凸透鏡成像規律的光路圖以及焦距知識.

2)引導學生設計實驗.

a.先將4個凸透鏡都畫在紙上,分析光路圖確認凸透鏡的先后順序以及光線盲區,如圖5所示.

b.通過計算焦距來估測4個凸透鏡的位置.

c.將兩組凸透鏡都放在光具座上,調節到猜想位置.

d.將手放到猜想位置,觀察現象.

e.若觀察不到“隱形的手”,則繼續調節透鏡的位置或順序,直至成功,如圖6所示.

3)得出結論,總結實驗過程中存在的不足.

3.2.2 實驗分析

本實驗運用了凸透鏡對光線作用造成視野盲區的原理.在進行實驗前教師可以通過設計問題鏈的方式來為學生提供實驗設計思路,以增強實驗的邏輯性.本實驗中,學生可運用“分析”思維來設計實驗方案,分析光路圖;可運用“抽象”思維來確認光線盲區位置;可運用“數學”思維來計算凸透鏡之間的距離;可運用“評價”思維來反思實驗中存在的不足;可運用“創造”思維從實驗中推測出隱身衣的原理,具體如圖7所示.

圖7 多思維實驗流程圖

3.3 拓展性實驗

開展拓展性實驗前,學生應該對凹凸鏡對光的匯聚和發散作用有一定的了解.在此知識基礎上,來設計拓展性實驗,引導學生運用已學知識,再進一步思考問題.

3.3.1 透光銅鏡

(1)實驗材料:青銅鏡,燈光.

(2)實驗步驟

1)學生猜測當光照到青銅鏡上時反射光形成的像.

2)在暗處將光照射到青銅鏡上,觀察現象,如圖8所示.

圖8 透光銅鏡實驗圖

3.3.2 實驗分析

由于透光銅鏡由多個連續的凹凸鏡組成,如圖9所示,當光照到鏡面上時,凸鏡發散光,看起來較為暗;凹鏡聚集光,看起來較為亮.這樣便將背面的紋飾反射出來了.

圖9 鏡面凹凸情況

3.3.3 拓展資料

銅鏡的歷史及用處:青銅鏡最早于距今4 000年左右起家文化墓葬中出土,直徑6 cm、厚0.3 cm,鏡面有光澤,鏡背中央有一個橋型鈕,沒有紋飾.據史料記載,自商周起,古人便將青銅磨光做成鏡子,因其背后有紋飾又起到裝飾的效果.

透光銅鏡鏡面形成多個連續的凹凸鏡的原因:青銅鏡在淬火時,厚的地方冷卻慢,薄的地方冷卻快,由此產生的內應力使厚的地方凹進去,薄的地方凸起來[5].在經過打磨后,隨著青銅鏡剛度的下降,鏡體的曲率會和背面的圖文相互對應起來,形成多個連續的凹凸鏡.

4 結束語

通過開展創新性實驗、多思維實驗、拓展性實驗,讓學生能夠在課堂上學到知識、學出快樂、積極思考、動手實踐,以構建兩性一度的物理實驗學習思路.