創(chuàng)新物理實驗　提升科學(xué)思維

黨立寧

［摘 要］科學(xué)思維是物理課程核心素養(yǎng)的重要組成部分。在物理教學(xué)過程中，有時教師可以依據(jù)某些物理原理或物理規(guī)律，構(gòu)建物理模型，進(jìn)行創(chuàng)新性實驗，讓學(xué)生親身體驗，同時引導(dǎo)學(xué)生理性思考，從而提升學(xué)生的科學(xué)思維素養(yǎng)。文章以初中物理教材中幾個常見的實驗為例，探討學(xué)生模型建構(gòu)、推理論證、質(zhì)疑創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

［關(guān)鍵詞］物理原理；物理實驗；科學(xué)思維

［中圖分類號］? ? G633.7? ? ? ? ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］? ? A? ? ? ? ［文章編號］? ? 1674-6058（2023）23-0031-03

科學(xué)思維是建構(gòu)物理模型的抽象概括過程，是從物理學(xué)視角對物質(zhì)世界的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律以及相互聯(lián)系的認(rèn)識方式，是推理論證等方法在物理教學(xué)中的具體應(yīng)用，是激發(fā)學(xué)生智慧火花后，促使學(xué)生大膽質(zhì)疑、形成創(chuàng)新思維的高度體現(xiàn)。實驗又是發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維的有效措施，是物理學(xué)科實踐的典型方式，新課程、新課標(biāo)特別強(qiáng)調(diào)要強(qiáng)化學(xué)科實踐，因此，在具體教學(xué)中，教師通過實驗創(chuàng)新培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，顯得尤為必要。

一、通過實驗創(chuàng)新，培養(yǎng)學(xué)生的模型建構(gòu)能力

創(chuàng)新實驗1：杠桿的模型建構(gòu)

模型建構(gòu)是科學(xué)思維的重要組成部分，它包括情境、問題和過程。杠桿模型是初中物理教材中的典型模型，下面以杠桿模型為例，闡述模型建構(gòu)的重要性。

創(chuàng)設(shè)情境：如圖1所示，將一根粗細(xì)不均勻的胡蘿卜用細(xì)線豎直懸掛起來，當(dāng)胡蘿卜處于水平平衡時，發(fā)現(xiàn)懸掛點距粗的一側(cè)端點距離近，距細(xì)的一側(cè)端點距離遠(yuǎn)。

問題呈現(xiàn)：教師給出問題，即如果從懸掛點處切一刀，是左側(cè)粗的半段胡蘿卜重，還是右側(cè)細(xì)的半段胡蘿卜重？學(xué)生議論紛紛，有的說粗的那段重，有的說細(xì)的那段重，還有的說兩段一樣重。教師說：“眼見為實，讓我們測一測吧。”于是用天平分別測量了兩段胡蘿卜，如圖2所示，結(jié)果發(fā)現(xiàn)是粗的那段重，細(xì)的那段輕。多數(shù)學(xué)生很詫異，他們認(rèn)為細(xì)的那段那么長，應(yīng)該是細(xì)的那段重，還有學(xué)生認(rèn)為將胡蘿卜懸掛起來后，當(dāng)胡蘿卜水平平衡時，懸掛點就是它的重心位置，從重心處分割，左右兩段應(yīng)該一樣重才對。

通過現(xiàn)實情境和問題呈現(xiàn)，教師將學(xué)生原有的認(rèn)知概念與真實的實驗現(xiàn)象作對比，使學(xué)生產(chǎn)生認(rèn)知沖突。學(xué)生在爭論中激發(fā)出思維的火花，在思維碰撞中深度思考：究竟是什么原因？

教師順?biāo)浦郏喝鐖D3所示，對此狀態(tài)下杠桿的受力等情況進(jìn)行分析，標(biāo)出支點、動力、阻力三個要素，進(jìn)而引出動力臂和阻力臂（如圖4）。如此，杠桿的模型建構(gòu)基本完成，為后續(xù)研究杠桿平衡的條件做好了鋪墊，打下了基礎(chǔ)。經(jīng)歷杠桿模型建構(gòu)歷程后，學(xué)生發(fā)現(xiàn)情境是模型建構(gòu)的基礎(chǔ)和載體，問題質(zhì)疑是模型建構(gòu)的助推器，過程是模型建構(gòu)需要強(qiáng)調(diào)的，因此，在建模過程中，學(xué)生可以經(jīng)歷體驗、可以強(qiáng)化認(rèn)知。實施實驗創(chuàng)新，需要針對典型模型進(jìn)行合理的建構(gòu)，這對發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維至關(guān)重要。

二、通過實驗創(chuàng)新，培養(yǎng)學(xué)生的推理論證能力

推理論證是核心素養(yǎng)中科學(xué)思維的主要組成部分，在《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》中明確指出：“在歸納或演繹中會引用證據(jù)，養(yǎng)成使用證據(jù)的習(xí)慣。”這就要求教師要創(chuàng)造條件，引導(dǎo)學(xué)生尊重證據(jù)、尋找證據(jù)，進(jìn)而學(xué)會使用證據(jù)進(jìn)行解釋。實驗創(chuàng)新，就是典型的創(chuàng)造條件以獲得證據(jù)的主要方式。

創(chuàng)新實驗2：馬德堡半球?qū)嶒?/p>

如圖5所示，多數(shù)情況下，教師在課堂教學(xué)中演示馬德堡半球?qū)嶒灂r大多采用這種方式：先在兩個銅半球的邊緣上涂抹凡士林，再將它們合在一起，以增強(qiáng)氣密性；然后用抽氣機(jī)抽盡球內(nèi)的空氣，關(guān)閉進(jìn)氣閥；最后讓兩隊學(xué)生以拔河的方式反方向用力拉半球上的兩根繩。結(jié)果是震撼人心的：兩隊學(xué)生用了很大的力氣都沒能將兩個銅半球拉開。這時教師發(fā)問：銅半球為什么拉不開？學(xué)生思考，并發(fā)表見解。有學(xué)生認(rèn)為，反方向的兩個力足夠大時，兩個半球完全可以被拉開，因為力可以改變物體的運動狀態(tài)；有學(xué)生認(rèn)為，之所以拉不開兩個半球，很有可能是因為半球外側(cè)空氣對兩個半球向內(nèi)有擠壓，與兩隊學(xué)生的拉力形成了抗衡之勢。教師順勢引導(dǎo)：同學(xué)們的觀點是正確的，就是半球周圍的空氣產(chǎn)生的壓強(qiáng)頂住了半球，使兩個半球難以被拉開。但有學(xué)生產(chǎn)生了質(zhì)疑：空氣能產(chǎn)生這么大的壓力將半球頂住嗎？通常教師會順?biāo)浦郏瑢肭蛏系倪M(jìn)氣閥打開，讓空氣進(jìn)入球中，再重復(fù)以上的操作，這時學(xué)生就能輕松地將兩個半球拉開了。教師引導(dǎo)學(xué)生分析：球內(nèi)空氣被抽走，內(nèi)部氣壓很小，是外部空氣產(chǎn)生的壓力擠壓半球，使半球不能被拉開。這種常規(guī)式馬德堡半球?qū)嶒灛F(xiàn)象明顯，能很好地驗證大氣壓強(qiáng)的存在。

有學(xué)生反問：如何更直觀地證明是球外空氣的作用，使兩個半球緊緊合在一起？

創(chuàng)新實驗：如圖6、圖7、圖8所示，將兩個吸盤（相當(dāng)于馬德堡半球）相對擠壓，排盡盤內(nèi)的空氣后，發(fā)現(xiàn)兩個吸盤很難被拉開。把合為“一體”的吸盤一端豎直掛在真空罩內(nèi)，然后逆向思維操作，用抽氣機(jī)將罩內(nèi)吸盤外的空氣抽出，讓學(xué)生觀察實驗現(xiàn)象。學(xué)生驚奇地發(fā)現(xiàn)，在抽氣過程中，下面的吸盤慢慢地與上面的吸盤脫離。教師提問：下面的吸盤為什么會脫落？有了以上證據(jù)，學(xué)生不難做出推理：吸盤內(nèi)近似真空，吸盤外也近似真空，下面的吸盤沒有了空氣的壓力，吸盤的內(nèi)外都沒有了空氣的作用，下面的吸盤就會因為受到重力而改變運動狀態(tài)。這樣便得出是大氣壓的作用，讓我們看到了馬德堡半球?qū)嶒灥恼鸷钞嬅妗Ｒ陨蠈嵗瑢鹘y(tǒng)實驗與創(chuàng)新實驗有機(jī)結(jié)合，步步為營，分析綜合，為學(xué)生的創(chuàng)新思維發(fā)展搭梯子，從而有效培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)推理能力。

創(chuàng)新實驗3：做功改變物體的內(nèi)能

如圖9、圖10、圖11所示是做功改變物體內(nèi)能的創(chuàng)新實驗，實驗所需器材有：噴水壺，PT100溫度傳感器，自制小風(fēng)扇。

如圖12所示，將傳感器探頭置于壺內(nèi)，將自制小風(fēng)扇固定在噴壺噴嘴口的正前方，這樣，一個做功改變物體內(nèi)能的簡易裝置就制作完成了。

如圖13所示，使用活塞對桶內(nèi)氣體做功。在這個過程中，活塞的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為被壓縮空氣的內(nèi)能，使桶內(nèi)氣體內(nèi)能增大，溫度升高。PT100溫度傳感器可以顯示桶內(nèi)氣體的溫度。這樣就可以驗證是外界對物體做功，使物體內(nèi)能增大，溫度升高。

如圖14所示，桶內(nèi)氣體對小風(fēng)扇及周圍氣體做功，可以直觀看到小風(fēng)扇被氣體推動而轉(zhuǎn)動起來，同時看到溫度傳感器顯示溫度下降，即物體對外界做功時，物體內(nèi)能減小，溫度降低。PT100溫度傳感器讓實驗呈現(xiàn)的證據(jù)可信度更高，對推動培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)論證能力起到了關(guān)鍵作用。

由于熱傳遞的存在，停止打氣后（但不放氣），即物體不對外做功時，溫度也會下降，傳感器溫度示數(shù)也會變化，這個問題該如何解決？

如圖15所示，制作兩組簡易裝置，采用對照組的方式進(jìn)行實驗創(chuàng)新：待兩個溫度傳感器顯示的溫度相同時，就將兩個壺內(nèi)的空氣壓縮至相同溫度，然后一組放氣，一組不放氣，讓學(xué)生觀察溫度的變化情況。可以發(fā)現(xiàn)，放氣的這一組溫度下降得很快，不放氣的那組溫度下降得很慢，這就充分說明了，除熱傳遞外，做功也是改變內(nèi)能的一種方式。以上實驗操作可以有效引領(lǐng)學(xué)生思維進(jìn)階，讓學(xué)生的思維由感性認(rèn)識上升到理性認(rèn)識。用“證據(jù)”說話，在對比中比較獲取的不同信息，讓科學(xué)論證思維提升了高度，拓展了寬度和深度。

整個設(shè)計提倡運用“證據(jù)物理”的理念進(jìn)行學(xué)與教，通過“尋找證據(jù)”“解釋證據(jù)”來發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維，用生活中的簡易器材制作出做功改變內(nèi)能的演示器，幫助學(xué)生獲得說服力強(qiáng)的證據(jù)，使學(xué)生在“尋找證據(jù)”的過程中成長。啟發(fā)學(xué)生解釋證據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生掌握科學(xué)方法，提升學(xué)生的科學(xué)推理與歸納能力，讓學(xué)生充分經(jīng)歷知識（證據(jù)）誕生的過程，進(jìn)而具備提出創(chuàng)造性見解的品格和能力，這不正是發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維所必需的嗎？

三、通過實驗創(chuàng)新，培養(yǎng)學(xué)生的質(zhì)疑創(chuàng)新能力

創(chuàng)新實驗4：干冰的升華

在盒里放入適量的干冰，然后往盒中倒入熱水，學(xué)生就可以看到如圖16所示的實驗現(xiàn)象——仙氣裊裊。教師啟發(fā)學(xué)生思考：此現(xiàn)象形成的原因是什么？學(xué)生分組討論，并發(fā)表各自的見解：倒入熱水后，干冰迅速升華并吸熱，降低了周圍水蒸氣的溫度，使水蒸氣液化成小水滴，出現(xiàn)霧狀，形成壯觀的“冰瀑現(xiàn)象”。在學(xué)生贊嘆“冰瀑的美”的時候，教師要及時發(fā)問：“你如何讓它變得更美？你有哪些創(chuàng)新？”有學(xué)生說：“我給白霧打上彩色燈光，利用光的色彩更好地呈現(xiàn)冰瀑的壯麗，紅光照射可以看到紅瀑，綠光照射可以看到綠瀑……”根據(jù)學(xué)生的回答，教師可讓學(xué)生親自操作，用光源打出各種色光。如此一來，全體學(xué)生不僅了解了使冰瀑更美的方式，還感受到了物理之美、創(chuàng)造之美。教師繼續(xù)啟發(fā)：除此之外，你們還有什么好辦法？有小組展示：配音樂。配音樂能讓畫面更有意境，在音樂中享受物理之美，跨學(xué)科的思想和意識也融入創(chuàng)新實踐之中。這樣做，不只是讓學(xué)生驚嘆實驗現(xiàn)象之美，更是讓學(xué)生在做中學(xué)、用中學(xué)、創(chuàng)中學(xué)。創(chuàng)造美，不是讓學(xué)生只看到“滿漢全席”，而是給學(xué)生呈現(xiàn)“原材料”，啟發(fā)學(xué)生加工、創(chuàng)造，把它們變成“思想創(chuàng)造的盛宴”。美麗冰瀑的形成，是學(xué)生集體討論的智慧成果，學(xué)生在質(zhì)疑中發(fā)展了創(chuàng)新思維，提升了創(chuàng)新能力。

總之，在初中物理課堂教學(xué)中，教師要特別重視實驗創(chuàng)新，做到遷移應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)推理思維；證據(jù)歸納，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)論證思維；點撥啟發(fā)，培養(yǎng)學(xué)生的質(zhì)疑批判思維。科學(xué)推理和科學(xué)論證相輔相成，緊密相連，構(gòu)建“證據(jù)”要做到兩點：一是充分獲得證據(jù)，二是對證據(jù)進(jìn)行有效表述。實驗改進(jìn)創(chuàng)新后，我們獲得的證據(jù)更充分，而這些證據(jù)也有更明確的價值取向——數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，支持主張。證據(jù)的有效表述是構(gòu)建科學(xué)論證的關(guān)鍵，學(xué)生只有條理清晰地表述證據(jù)，才能將問題說清楚，做到更好地支持主張。教師只有做到了這些，才能更好地發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維，讓培養(yǎng)核心素養(yǎng)的種子落地生根。

［? ?參? ?考? ?文? ?獻(xiàn)? ?］

［1］? 張世成.證據(jù)課堂：證據(jù)物理的十年探索［J］.中學(xué)物理教學(xué)參考，2020（28）：5-9.

［2］? 樊黨娟.指向?qū)W生科學(xué)思維的物理實驗創(chuàng)新能力培養(yǎng)：以中考試題中“物理科學(xué)思維能力的考查”為例［J］.中學(xué)物理，2021（16）：12-14.

［3］? 陳民兵，費志明.模型認(rèn)知視域下課堂教學(xué)策略［J］.中學(xué)物理，2022（14）：35-37.

（責(zé)任編輯 易志毅）