创新实验设计,提高学生的物理学科核心素养

葛德成

(杭州学军中学，浙江 杭州 310000)

物理实验是培养学生核心素养的重要手段．因此,教学要切实做到以实验为基础,展现实验的魅力,淋漓尽致发挥实验的教学功能,使核心素养在课堂落地生根．

1 设计实验,调动学生学习积极性

课堂是教学的主战场,也是学生获得知识、发展能力、提高核心素养的主渠道．高效率的课,应该是在课堂有限的时间和空间内,实现耳、眼、口、脑“全频道”式接受,“多功能”式协调,“立体”式渗透．教师要运用教学艺术对课堂的各个环节进行调控,使学生大脑皮层处于积极的兴奋状态,保持全神贯注而又轻松愉快地上好每一节课．通过实验,可以引起学生的有意注意,激发学生的学习兴趣,调动学生学习的热情,从而为学生物理观念的形成、科学思维的发展提供良好的土壤．

1.1 故设悬念,激发学生求知欲

图1

俗话说,良好地开端是成功的一半．在物理教学中,巧妙地运用实验引入新课,就如在平静地湖面上投石,能激起一片思维涟漪,可以点燃思维火花,产生急欲一听的感染力．例如,新课引入的时候我们可以做这样一个实验:用一个普通的灯泡(额定电压220 V),与一捆电线相连,构成闭合电路,没有电源,一个电磁炉(为了使其正常工作在面板上放一盛水的小碗),现在要用它点亮这个灯泡,打开开关,见证奇迹的时刻——灯亮了(如图1)．学生疑惑不已,自然地引入新课．魔术般的实验,吸引了学生的眼球,故设悬念,增强了学生的求知欲,使学生带着问题进行感应电流产生条件的探究,从而激发了学生求知欲．这样的新课引入起到先声夺人,课亦始,趣亦生的效果．

1.2 创设情景,促进学生积极思考

创设问题情景,提供一定的刺激模式,能激起学生认识和解决矛盾的心向,拨动学生的心弦,点燃好奇之火,扫除障碍,矫治思维“盲点”,拨正思维歧途,师生进入“积极思维的王国”,教学相长．运用实验创设问题情景,一要考虑适时性;二要考虑针对性;三要考虑启发性．同时要兼顾问题本身的性质和学生的接受能力、思维特点,并适时启发、点拨,力争促进学生科学思维的发展．

例如:在全反射教学时,将电池、激光笔、手机串联构成“激光信号发射装置”(图2),再将太阳能板和便携式扬声器串联,组成“激光信号接受装置”．教师手持放射装置站在讲台旁,一名学生拿着接受装置站在教室最后面．

图2

演示1:用手机播放音乐,并打开激光笔,只要当激光照到太阳能板时,扬声器中就会发出响亮的音乐声,实现了手机音乐的无线传输(图3)．

演示2:当有障碍物遮挡光路,激光照不到太阳能板时就不能传输音乐．

学生们普遍对利用激光实现“无线传输”颇有兴趣,同时发问:光被挡住了就不能传递信息．为了解决如何实现具有实用价值的“激光通信”,学生接下来自主探究“全反射”的条件与规律,并尝试利用“全反射”原理实现光通信．这一实验,不仅有效地创设问题情景,而且使问题在情景中得以解决,学生在解决问题的情境中思维水平也得到了发展．

图3

1.3 设计高潮,激发学生学习兴趣

心理学研究表面,中学生维持高度注意时间,一般来说25 min,一堂课内学生的注意力集中将出现两次波峰,它一般出现在课间15 min和35 min左右．教师必须要抓住这一点,有意无形地把一堂课分为两个阶段,在每个阶段学生注意波峰期,用节奏语言和新颖内容激发学生思维,使教师的情感学生注意力和思维发生“共鸣”,整个课堂气氛形成高潮,在物理教学中,物理实验能够有效激发课堂高潮．

图4

图5

例如:在学习了全反射的原理后,学生自然想到了是否能让光信号在水中不断的全反射从而使光约束在水中传播．在水中滴入几滴牛奶,就成了胶体,利用丁达尔现象可显示光路,将胶体倒入到不同形状的容器中(如图4),适当调节激光的入射角度,会发现激光的光路也会随着水管的弯曲而弯折,这是因为光在水管中发生了全反射．运用全反射原理可用注满水的玻璃管传输光信号,水管怎样铺设,光信号就怎样传播,但是,实用性值得商榷,需寻求更方便、更实用的材料充当光传播的介质．学生提出了以下改进方案:利用有机玻璃棒传递光信号.利用“光导纤维”实现光通信．教师肯定了学生的想法,并向学生展示这种直径较细的有机玻璃做成的“光导纤维”,并用光导纤维传输光信号,使音乐再次响起(如图5),课堂气氛达到高潮．有了良好的课堂气氛,学生的学习兴趣很容易得到激发．

2 丰富表象,形成物理观念

列宁在《哲学笔记》一书中指出:“从生动的直观到抽象的思维,并从抽象的思维到实践,这就是认识真理,认识客观世界的辨证的途径”．这也是教学基本的认识过程,从感知过渡到思维的中间环节是表象,教学的目的之一,就是要引导学生自觉地进行表象活动,以促进形象思维跟抽象思维的顺利转化.对于抽象思维处于急剧发展时期的中学生,表象活动尤其重要.进行表象活动选择的实例越是为学生所熟知,越充分运用学生的经验,越能促进学生对概念、规律的理解,有助于学生形成相应的物理观念．

2.1 丰富学生感性认识,促进物理观念的形成

物理概念是物理现象的本质联系在人们头脑中反映．因此,我们在物理教学中,应向学生提供足够的感性材料,尽量使得所要研究的现象和过程形象鲜明,本质突出,以便于学生分析和概括,再加以提炼与升华,最后内化为学生头脑中的物理观念．

图6

现以“电容”教学为例,对学生来说,这是个抽象难学的概念．如果照本宣科,先讲什么叫“电容”:电容器所带电量跟两极电势差的比值叫电容器的电容;再介绍它的国际单位,然后举个例题．这种教法是形而上学,学生并不体会为什么要学“电容”,为什么这样定义“电容”．为使学生能建立起这个概念,我们运用实验手段,通过电容器对石英钟放电时指针所走格数的变化,粗略而形象地表明电容器容纳电量多少,会根据情况不同而不一样,其教学过程如下．① 演示电容器的充放电现象:先把洗衣机电容器接入直流高压电源充电取下后短路放电,学生在看到耀眼地闪光时,同时还听到了尖脆地声响;再取一只电解电容器,充电后与音乐成相连,奏出了悠扬悦耳地乐曲声;最后将电流传感器接入电容的充放电回路,观察电流大小和方向的变化,从而使学生对电容器的本质特性有了深刻的认识．② 定性实验研究:分别用1节干电池和2节干电池对同一电容充电,再对没有电源的石英钟放电,比较指针所走的格数为近似两倍关系,猜想电容器所带电量与两极电势差成正比．③ 定量实验研究:取两个相同电容器(3300 μF),对用2节干电池对其中一个充电,用电压传感器测量两端电压,再将其和另外一个放完电的电容接触,两电容所带电量均分(如图6).亦可对石英钟放电检验电量是否减半,重复以上操作,并用电压传感器记录电压,电量具体值不清楚,但是电量按比例减小,可记作q、0.5q、0.25q…(如图7)．做q-u图发现数据点分布在过原点直线上(如图8)．④ 教师进一步指出:电容器所带电量跟电势差成正比,他们的比值是一个恒量,再与水容器进行类比,从而说明可用这个比值来表示电容器的特性．以上电容器的教学过程,我们充分利用创新实验设计,先从感官直觉,再定性分析,然后定量探究,层层深入,学生自然明白为什么要定义“电容”,“电容”为什么能表示电容器的特性．这种教法是把概念建立在感性认识的基础上,符合学生的认识规律．

图7

2.2 展示准确的物理图景,加深理解物理观念

物理教学中诸多难点的形成,往往是由于学生缺乏相应的感性材料,表象单薄,因而不能建立起准确清晰的物理图像,阻碍了相应物理观念的深入理解．例如带电粒子速度与磁场方向不垂直时的运动轨迹问题．

图9

笔者在洛伦兹力演示仪上装了3个摄像头(如图9),左上角摄像头,用于侧面观察粒子轨迹．中间的摄像头对准正面,用于显示正视画面．底部右侧的摄像头对准两个仪表,既可以用来体现实验操作过程,又便于定量读数．通过摄像头我们清楚看到带电粒子速度与磁场方向平行时粒子轨迹为直线,垂直时,轨迹是圆,不垂直时,粒子轨迹为螺旋线(如图10)．通过计算机摄像头拍照功能还可对动态生成的图像进行瞬间定格,定量分析半径与加速电压和励磁电流的关系,验证轨迹半径与磁感应强度及粒子速度的定量关系．

通过以上直观手段的运用,就为学生提供了丰富的表象材料,使他们在头脑中建立一幅较为清晰、准确的物理图景,从而就有可能在根本上突破这个难点．

图10

2.3 精心设计实验,转变学生的错误观念

图11

为使学生更好地掌握分析解决物理问题的思路和方法,还可以将实验与一些疑难问题有机结合,利用演示实验起到言简意明,画龙点睛地作用．例如:关于牛顿第二定律瞬时性的教学中,只是从理论上分析剪断绳子瞬间两小球受力如何变化,学生还是容易犯错．用等长的细绳和橡皮筋分别悬挂两个相同小球,用力传感器显示两小球同时释放后拉力的变化(如图11),通过比较发现后者弹力变化时间远大于前者(如图12)．我们还可以用前文提到的Tracker软件,将实验视频直接转化成频闪照片(如图13),照片中我们清楚的看到,释放两球瞬间,弹簧的瞬间力并未发生突变,而绳子的力发生了变化．通过实验突破教学难点,使学生获得了鲜明地感性认识,作为认识地基础,并提供了思考问题的途径,在这个基础上,进一步提高到理性认识的高度来理解牛顿第二定律的瞬时性,学生对问题的理解就比较牢固了．

图12

3 激发思维,促进科学思维发展

物理实验不仅可以促进学生物理观念的形成,还可以促进学生科学思维的发展．学生可以基于实验进行抽象、概括,从而建构理想模型;学生可以基于实验对不同观点和结论提出质疑、批判,展开讨论,使学生的科学推理、质疑能力得到提升;学生可以基于实验对问题进行描述、解释和预测,像科学家一样研究．

3.1 借助直观形象,集中思维

图14

在教学过程,常常会遇到学生对某一问题争论不息,教师用抽象的理论知识解释,也难以满足学生的需要.这时,演示实验做到一点可破,把学生的发散思维,收拢到一起来．例如:双缝干涉条纹间距公式的证明,需用到小量近似,学生将信将疑,课后纷纷讨论．课堂上教师可用加湿器产生水雾,展示立体的干涉光路,条纹间距与L成正比,与波长成正比等规律一目了然(如图14)．这样的演示启发学生的思维,引导学生分析,然后揭露出现象的本质,最后把学生的思维集中到正确轨道上．这样,学生才能消除疑团,对条纹间距公式的理解也就比较深刻了．

3.2 引发认知冲突,诱发思维

当学生求知心理达到平衡时,往往需要教师通过一定的教学手段去打破学生的心理平衡,从而激发思维,其过程是:创设不协调→探究→发现→解决问题(达到第二次平衡)．从认识论的角度来看,只有不断的打破学生原有的认识结构,使他们的思维远离平衡状态,才能有效地调动学生思考的积极性．为此,我们可以运用实验手段,将新旧知识的矛盾,尖锐地摆在学生面前,使得他们的思维处在激烈的不平衡状态之中,从而带着要解决问题的迫切心情投入学习．

图15

例如:提问百米起跑、赛车加速、火箭发射时哪个加速度最大?学生不假思索地回答:火箭．然后利用Tracker视频分析软件的火箭发射初期的一段视频进行分析,其原理类似打点计时器,软件对视频中火箭的时位信息进行采集后,通过v-t图像求得火箭发射的加速度很小(如图15，16),甚至比百米起跑的加速度还小,在视频分析结果和学生前概念严重不符时,强烈的认知冲突驱使学生运用已学的牛顿第二定律,对视频分析结果的合理性作出检验,在不断尝试运用规律分析问题的过程中,学生增进了对牛顿第二定律的理解．

图16

3.3 突破思维障碍,点拨思维

学生能否积极地进行思维和语言交流与他们的思维是否受到“点拨”有关,教师在授课中不仅要善于巧设疑,同时还要善于导疑、点拨．当学生在学习过程中陷入困境或对某个问题发生争执无法深入时,教师要分析学生成疑的原因,及时以适当的方式点破迷津,另辟新径．可以根据教材的实际和学生的认识能力,预测学生学习新知识时可能产生的思维障碍,并通过实验,突破难点．

图17

可起到“千言万语说不清,一看实验说分明”的效果．

图18

综上所述,创新实验设计,可以很好地促进学生物理观念的形成和科学思维的发展,从而使核心素养在课堂落地生根,在学生头脑中开花结果．