素養導向下物理實驗教學的創新路徑

徐立海

(北京師范大學臺州附中,浙江 臺州 318020)

實驗教學是培養學生科學素養、樹立學生科技創新意識的重要渠道. 在核心素養視域下,物理實驗教學應該有新的思考、新的展現和新的突破. 為此,本文結合對實驗教學的思考和實踐,探究了物理實驗教學的創新方向與路徑.

1 物理實驗教學的創新方向

《普通高中物理課程標準(2017年版2020年修訂)》(簡稱新課標)強調在高中物理課程中應注重科學探究,凸顯實驗在物理學、物理課程改革中的重要作用,為高中物理實驗教學注入豐富的內涵[1],因此凸顯核心素養的實驗教學成為高中物理課程的理想訴求和價值導向. 下面從物理學科核心素養的4個維度闡述實驗教學的創新方向.

1.1 運用實驗豐富物理表象,促進學生物理觀念素養的形成

物理觀念是從物理學視角形成的關于物質、運動、相互作用以及能量等的基本認識,是物理概念、規律在頭腦中的提煉和升華. 物理概念和規律是物理現象(過程)的本質聯系在頭腦中的反映. 依據現代認知理論觀點,可以認為物理觀念的形成首先是對客觀世界的感知,即知覺在思維活動的參與下內化為表象,進而在思維活動的反復作用下構建起物理概念和規律,再進一步抽象、關聯、醞釀形成物理觀念. 物理實驗能夠使學生獲得豐富的感性認知,生動的形象、真切的覺察、直觀的感受均可以內化為物理表象,這些表象又以“物理圖景”的形式存在于認知結構中,它們是建構物理概念和規律,凝練形成物質觀念、運動觀念、相互作用觀念、能量觀念的認知基礎.

例如,在靜摩擦力教學中,設計了體驗性小實驗,如圖1所示.

圖1 用細線懸掛鉤碼感受靜摩擦力

掛鉤槽碼、橡皮筋、細線三者連在一起,并用手提細線上端. 此處使用的細線是為了凸顯靜摩擦力的感知效果,學生需擠壓手指才能提起重物,從中體會到彈力對于靜摩擦力的必要性;橡皮筋是為了顯示靜摩擦力大小的變化,使學生可以同時根據物體的重力、橡皮筋的伸長量、手指的擠壓程度來感受靜摩擦力. 實驗中,教師引導學生手腦并用,結合感知思考靜摩擦力的產生條件、大小和方向.

1.2 運用實驗創設問題情境,促進學生科學思維素養的進階

新課標明確指出,物理學是基于觀察與實驗,通過建構模型、應用工具、科學推理和論證而形成的系統的研究方法和理論體系[1]. 物理實驗是物理概念、規律的形成、建立與發展的基礎,也是學生的模型建構、科學推理、質疑論證等科學思維素養進階的基礎. 運用實驗可以創設多種問題情境促進不同科學思維的進階,例如為發展學生的建模思維,可用實驗創設“原型轉化為模型”的建構思想;為發展學生的質疑論證思維,可用差異性實驗制造認知沖突. 此外,利用實驗展現物理現象,能夠促發學生認知上的矛盾和沖突,增強學生的科學創新思維.

例如,在楞次定律“阻礙”思想的教學中,在豎立的木板底部安裝滑輪做成可以自由滑行的小車,然后在該木板上固定電感線圈、二極管、開關組成的電路,如圖2所示. 實驗分成3個環節展開教學,提出“什么是阻礙”“誰在阻礙”“阻礙什么”“為何阻礙”4個問題,引導學生思考.

圖2 楞次定律“阻礙”作用的實驗裝置示意圖

環節1:將木板小車固定,斷開開關,讓強磁鐵靠近或遠離電感線圈,使不同的二極管發光,根據二極管的發光判定感應電流的方向,進而根據右手定則確定感應電流的磁場方向,然后再結合磁極方向、磁通量變化,得出“增反減同”的結論,并分析得出:感應電流產生的磁場總是阻礙線圈中磁通量的變化.

環節2:閉合開關,放開木板小車,讓磁鐵靠近或遠離電感線圈. 再改變磁極重復以上操作,根據實驗現象歸納出“來拒去留”,然后進一步分析得出:磁鐵與電感線圈通過感應電流產生的相互作用力總是阻礙物體間的相對運動.

環節3:將木板順時針翻轉90°,用輕軟彈簧豎直懸掛磁鐵,靜止處于線圈的正上方. 實驗時,斷開開關,將磁鐵向下拉到某一位置,然后釋放,可以觀察到2個二極管交替發光,且彈簧振動會在較短時間內停止. 引導學生從能量轉化與守恒的角度進行分析,可以得出:電磁感應現象是磁鐵與電感線圈之間通過克服磁力做功將機械能轉化為電能.

以上教學中,教師運用實驗的3個環節,引導學生思考“什么是阻礙”“誰在阻礙”“阻礙什么”“為何阻礙”4個問題,學生通過觀察思考,逐步從“增反減同”到“來拒去留”,再到“振幅衰減”3個層次對“阻礙”建構起了觀念理解和模型認知;再通過科學推理,從“磁與電”到“力與運動”,再到“功與能”,逐步建立“阻礙”思想;最后,通過質疑論證,意識到楞次定律“阻礙”思想的本質是能量的守恒與轉化.

1.3 運用實驗設置探究過程,促進學生科學探究素養的提升

物理實驗的探究過程蘊含著豐富的核心素養,既是培養與提升學生物理學科核心素養的重要途徑,也是物理學科素養的重要內容和重要載體[2]. 運用實驗設置探究過程,促進學生科學探究素養的提升,是物理教學的重要任務和目標. 新課標要求:引導教學方式的改革,突出科學探究的本質,重視思維型科學探究,強調要避免程式化、表面化的傾向,既重視動手操作,又注重動腦思考;注重創設真實的教學情境,引發學生的認知沖突,激發學生在探究與實踐中積極思考,引導學生對所學知識、方法以及形成的態度進行總結反思,并應用到真實情境,遷移到其他領域[1].

例如,在“遠距離輸電”教學中,教師可以基于實驗,創設實驗探究過程.

觀察:如圖3所示,講臺上的小燈泡A接入學生電源后正常發光.

圖3 遠距離輸電示意圖

問題:怎樣使遠距離連接的小燈泡B發光?

觀察:用1卷細導線將小燈泡B接入學生電源,亮度很暗.

問題:為什么遠處的小燈泡會發光暗淡?有什么解決方案?

觀察:換1卷較粗的導線將遠處小燈泡接入學生電源,亮度增加.

問題:怎樣才能在保持輸送功率不變的條件下減小導線中的電流?

觀察:依次接入升壓變壓器和降壓變壓器,燈泡B正常發光[3].

以上教學中,教師以實驗為載體,設置思維型科學探究過程,使探究與實踐活動相結合,不斷地提出問題、引導觀察,讓學生始終處于積極的思維狀態.

1.4 運用實驗引發深刻反思,促進學生科學態度素養的發展

實驗是引發學生深刻反思的重要載體,是促進學生科學態度素養發展的重要途徑. 實驗操作要求規范有序,不可以隨意擺弄,以此培養學生認真規范的行事態度;實驗數據要求嚴謹求實,不允許弄虛作假,以此培養學生實事求是、嚴謹求真的科學態度;實驗過程會出現各種問題,以此培養學生發現問題和解決問題的能力.

例如,在牛頓第三定律教學中,為整合不同物體間的相互作用,以論證任何物體間的相互作用都存在作用力與反作用力,同時為激發學生的學習興趣,設計了海陸空三棲遙控小車(固定無人機的電動小車),如圖4所示.

圖4 海陸空三棲遙控小車

在課堂教學中,教師圍繞“有哪些動力方式可以推動小車”的問題,從5個方面引導學生思考:a.用手推動,用嘴吹動;b.馬達推動,地面施力;c.氣球反沖,空氣推進;d.空氣動力使小車升空;e.水中旋槳使小車航行. 通過實驗展示上述猜想可以使學生深度思考,更好地理解作用力和反作用力. 根據現場教學效果可知:以問題為導向,并用實驗驗證的教學方式,能夠激發學生的好奇心、創造力和想象力,提高學生的科學探究素養.

2 物理實驗教學的創新路徑

當前,物理實驗教學存在依賴教材,缺乏創新,實驗與生活實際聯系不夠緊密,教師演示多,學生參與少,對實驗器材的有效使用較少的問題. 基于該實驗教學現狀,提出了創新物理實驗教學的6條路徑.

2.1 在教具改進上創新

教具改進是實驗教學創新的主旋律,隨著時代的進步,新材料、新工具、新方法不斷涌現,利用新材料、新工具、新方法可以有效地改進原有實驗在“原理、設計、方法、效果”等方面存在的缺陷,使實驗更加精確、美觀和高效,使實驗現象更能凸顯物理本質,促使學生能更清晰、更直觀地觀察實驗現象,并更好地理解物理概念與規律.

例如光的薄膜干涉實驗,將黑色亞克力板做成的箱子分成上、下2部分,下半部分盛有特制液體(洗潔精、甘油、蒸餾水混合液體),上半部分背面是黑色的面板,前部鏤空,如圖5(a)所示. 將鐵圈深入液體中再提出,獲得液體薄膜,然后用高亮度LED燈管發出的光照射薄膜,光在薄膜上反射后,可觀察到如圖5(b)所示的干涉條紋.

(a)薄膜干涉 (b)紅光干涉條紋圖5 光的薄膜干涉實驗裝置

2.2 在現代技術上創新

現代技術的興起,例如3D打印、激光雕刻、DIS傳感、手機傳感等新技術的應用,超級電容、銣磁鐵、透明AB硅膠、PVE膜、導電橡膠、鑄工膠、光影畫布等新材料的出現[4],AI人工智能技術和大數據模型的迭代發展,都為物理實驗教學創新提供了更多的可能性. 現代技術可以使實驗裝置制做得更加便捷,實驗效果更加清晰,實驗結論更有說服力,還可以使不可見的實驗現象變得可見,使難以厘清的物理關系清晰顯現,讓學生了解現代科技在物理實驗中的應用.

例如,在牛頓第三定律教學中,為了讓學生見證2個不接觸的磁球間的相互作用力是大小相等、方向相反的力. 利用2個力傳感器連接細線拉著磁球,為了防止磁球吸在一起,中間用木條隔開,如圖6所示. 實驗中,調整距離或方向,可以直接觀察到2條細線總是處在同一直線上,在計算機屏幕上可以看到作用力與反作用力總是大小相等.

圖6 研究磁球間相互作用的實驗裝置

又如,在胡克定律教學中,可以應用無線智能小車(集成力與位移傳感)壓縮彈簧,直接在電腦屏幕上顯示彈力F與彈簧伸縮量x的關系圖像.

2.3 在感知體驗上創新

具身學習理論指出:認知基于身體,具有實踐性、活動性等特征[5]. 該理論將“身體”置于認知實踐的中心地位,強調認知是通過身體體驗及其活動方式形成的,體驗是在親身經歷和實踐過程中獲得的獨特感受. 因此,物理學習離不開實驗活動中的感知與體驗. 學生參與實驗,可以激發學習興趣,增進學習情感,促進學生對物理概念和規律的深度理解. 感知體驗是培養學生物理核心素養的必要途徑,物理實驗教學應在感知體驗上創新,積極開發參與性、實踐性和活動性較強的實驗,引導學生通過多種感知促成有效學習.

例如,在勁度系數k的教學中,可以讓學生對比不同彈簧的軟硬程度,思考軟硬程度與比例系數k的聯系.進一步,對比感受2根彈簧串聯或并聯后軟硬程度的變化,探究彈簧串聯或并聯后的總勁度系數與各彈簧勁度系數之間的關系.

又如,在力的分解教學中,為了讓學生更好地理解“1個恒力的2個對稱分力夾角越大,兩分力越大”,可通過實驗讓學生探索. 在細繩中間懸掛鉤碼,手提細繩2端的繩套,然后逐漸向兩側拉,使兩繩之間的張角逐漸變大,如圖7所示. 在該過程中,學生可以強烈感受到夾角越大,繩子所需的拉力越大,進而可以推理得出重力沿細繩方向分解的2個分力變大.

圖7 力的分解示意圖

2.4 在思想方法上創新

實驗不只是用來測量實驗數據,驗證物理結論,也可以用來啟迪思維,解讀物理原理或現象,還可以在實驗設計中滲透科學思維,讓學生運用物理思想參與實驗.

例如,在光電效應“用遏止電壓測量光電子最大初動能”的教學中,遏止電壓和最大初動能是比較抽象的物理概念,為幫助學生更好地理解這2個概念,并建立起二者間的邏輯關聯,可以運用類比思想啟發學生思考與理解. 手里抓大小近似相同的豆子,用力向上迅速拋出,不同豆子上升的高度不同,上升高度最大的豆子,其初動能最大,滿足Ekm=mghm,故可以用最大高度測量豆子的最大初動能. 同理,光電子在反向電場力的作用下從陰極到達陽極,調節反向電壓使光電流恰好為零,即所有光電子都不能到達陽極,則恰好未能到達陽極的光電子具有最大初動能,根據動能定理可知,Ekm=eUc. 類比以上2種情境,克服電場力做功類比克服重力做功,遏止電壓類比最大高度,光電子的最大初動能類比豆子的最大初動能. 通過類比,能夠幫助學生更好地理解抽象概念.

又如,在胡克定律教學中,利用比例思想,通過實驗呈現彈力與彈簧伸長量的線性關系,如圖8所示. 將相同的彈簧等間距放置,從左到右在彈簧下端掛上0,1,2,3,4,5個鉤碼. 觀察發現,彈簧的下端處于同一傾斜直線上,這條直線反映了鉤碼數量與彈簧伸長量呈線性關系,由于鉤碼數量可以比例表示彈力的大小,因此該直線也即反映了彈力與彈簧伸長量的線性關系. 此外,為進一步呈現超過彈性限度后,彈力與伸長量不再是線性關系,可以繼續間隔增加懸掛鉤碼,當重力增加到一定程度,彈簧將由彈性形變轉化為塑性形變,彈簧最下端偏離斜線.

圖8 鉤碼數量與彈簧伸長量的線性關系

2.5 在問題設計上創新

實驗教學的創新不僅包括實驗裝置的改進,實驗技術的迭代升級,還包括問題設計上的創新. 學生對物理知識的理解,乃至核心素養的提升,需憑借一定的教學情境來實施,其中實驗是最好的教學情境. 能否讓學習真正發生,讓學生積極思考、主動探究,其關鍵在于問題的導向性. 物理實驗教學過程是把知識融合在實驗情境中,以實驗為載體引出問題,以問題為核心深入探究,做到實驗與思維有機結合,使學生始終處于積極參與的狀態,在實驗中不斷發現問題、思考問題、解決問題,從而提升學生的抽象概括、建構模型、科學推理、科學探究等物理核心素養.

又如在電動機的傳動實驗教學中,可以通過問題串的設計,運用實驗來證實與解答.

問題1:電動機可以當發電機使用嗎?

如圖9所示,閉合2個電路中的電鍵,使左側電機轉起來帶動右側電機,可以看到右側電路中的電流計發生了偏轉,以此證實了電動機可以當發電機使用.

圖9 研究兩電機相互帶動的實驗裝置

問題2:右側電路產生的電流是交流嗎?

實驗中可以發現,電流計指針只是單方向偏轉,因此形成的是直流電.

問題3:線圈轉動切割磁感線產生的是交變電流,為什么顯示的是直流電?

如圖10所示,教師引導學生通過分析得知,電機中裝有換向整流器,換向整流器會將交流電轉換為直流電輸出.

圖10 直流電動機換向整流器的示意圖

問題4:在電機運轉過程中,突然將電機卡死,左側電路中的電流將如何變化?

在左側電路接入電流傳感器,閉合電鍵使電機正常運轉,接著摁住轉軸,使電機停止轉動,可觀察到電流突然變大.

問題5:左側電機在轉動過程中是否存在反電動勢?

學生根據電磁感應原理對此作出猜想,認為存在反電動勢. 然后,教師引導學生先測出電機內阻,接著在電機正常運轉的情況下,在左側電路中測出電池的路端電壓和電流,再通過計算發現確實存在反電動勢.

2.6 在知識應用上創新

應用是理解的關鍵所在,是指在不同的現實情境中能夠有效地使用知識. 要檢驗是否理解,不是看學生是否能夠準確重述所學內容,而是要看學生是否能夠將相應的概念或原理應用到新的問題情境中. 而設置的問題情境需與學生的想法、知識和行動相匹配,而實驗是創設知識應用的常用情境. 因此,在知識應用上創新是實驗教學創新的另一個方向.

例如,在牛頓第三定律教學的應用發現環節,可以創設以下實驗情境. 先由教師提出:根據奧斯特實驗知道通電導線可使小磁針發生偏轉,若用牛頓第三定律分析該現象,會有什么新的發現?通過思考,學生可以得出:根據牛頓第三定律,物體間力的作用是相互的,所以磁針對通電導線也會有力的作用,若將磁針固定,讓通電導線自由轉動,可能會觀察到通電導線動起來. 為驗證該想法,用鐵架臺懸掛密繞線圈,馬蹄型磁鐵的一極穿過線圈,如圖11所示. 閉合開關,可以觀察到線圈向左彈出,從而驗證了該猜想.

圖11 電磁彈射實驗裝置

又如,為了體現胡克定律的應用價值,創設了讓學生現場研制臂力計的活動情境. 活動任務是如何利用重10 N的瓶裝水、彈簧和鋼尺測量同學的臂力. 具體方法如下:如圖12所示,彈簧在線槽內處于自然伸長狀態,使鋼尺與彈簧線槽平行,讓鋼尺0刻度線與彈簧右端點對齊,并在白色紙條上標記0. 然后用細繩連接彈簧右端,再通過滑輪掛上重10 N的水瓶,平衡后,在彈簧右端點對應白色紙帶上的位置標記10,以此類推,可以得到測力計,該測力計可以用來測量臂力. 該活動不僅能讓學生真切體會到知識的價值,還能激發學生學習物理的興趣,有助于提升學生的科學核心素養.

圖12 自制臂力計

3 結束語

實驗教學是高中物理教學的重要組成部分,也是發展學生物理核心素養的重要途徑. 物理實驗不僅能夠培養學生的物理學科情感,還能夠提升學生觀察質疑、動手實踐、分析論證、交流合作的能力,培育學生的創新思維和科技意識,是物理教學變革的主陳地. 教師要以科學、科技育人為己任,教學中要以實驗為載體,以科學思維為核心,以學生能力發展為主線,多渠道創新實驗教學,探索基于創新實驗的項目化學習,讓學生積極參與實驗探究活動,從問題、證據、解釋和交流4個方面增強學生科學探究的意識、素養和精神.