以学生自主创新实验促进初中物理深度学习的教学策略

肖永琴 隋巧虹

摘   要：学生自主创新实验，是指学生在教师或相关实验启发下，围绕初中物理有关问题，任务驱动，自主选择实验器材，优化实验方法，经历设计实验、观察现象、收集证据、分析论证和质疑交流等探究过程，掌握物理知识和研究问题的方法，养成应用所学知识解决问题的习惯。它不仅是一种理念，也是一种教学方式，强调学生“四动”，即动手、动口、动笔和动脑。本文以“滑轮”教学为例，阐述在课前、课中、课后以学生自主创新实验促进学生深度学习的策略，进而培养学生正确的价值观念，形成必备品格和关键能力。

关键词：学生自主创新实验;深度学习;初中物理;滑轮

物理学科本质特征的要求，决定实验探究在物理教学中有着重要的作用，科学探究既是学习的目标，又是重要的教学方式。随着时代的发展，学习的重点已从知识积累转向思维训练、能力培养和素养形成，学习的方法也从书本间接知识重点转向与生活、实践全面结合。因此学习经历显得更加重要，对物理而言有实验创新的课堂才更具有生命力，才能更好地落实学科核心素养培育。针对学生学习主动性不强，动手实践不多，探究意识、创新意识不强，探究能力以及解决问题能力不足，我们提出以学生自主创新实验促进学生的深度学习，可以更好地形成必备品格、关键能力和价值观念。

1  学生自主创新实验是一种教学方式

我们倡导的学生自主创新实验，是指学生在教师或相关实验启发下，围绕初中物理有关问题，任务驱动，自主选择实验器材，优化实验方法，经历设计实验、观察现象、收集证据、分析论证和质疑交流等探究过程，掌握物理知识和研究问题的方法，养成应用所学知识解决问题的习惯。它鼓励学生利用身边的生活物品进行动手实验，也鼓励质疑和创新，是一个真实的问题解决过程。

学生的学习主动性不强，探究能力弱，解决问题能力不足等，这样的行为表现一定是由其内在特质和深层动机引发的。学生自主创新实验作为一种教学方式，强调学生“四动”，即动手、动口、动笔和动脑。首先，强调教师要想尽办法极大地唤醒和调动学生积极主动地参与，在“动”中，学生的好奇心和探究欲望被激发，学习兴趣在保持;其次，强调能力和素养培育，在“动”中，学生的思维能力、探究能力、实践能力、表达能力和创新能力得到发展;第三，强调情感交流与合作精神，在“动”中，学生的自信心、自尊心得到尊重，责任心、行为习惯得到培养，合作能力、沟通能力得到发展。正因如此，通过学生自主创新实验促进学生深度学习，更容易打通素质冰山模型中表面的“冰山以上部分”和深藏的“冰山以下部分”，从能力和素养方面促进学生的发展。

2  学生自主创新实验在物理教学中的应用实践

课前，学生在任务驱动和问题引导下，自由地、主动地进行实验，因为自由也就能够兼顾学习中学生的个体差异。课中，将学生自主创新实验作为课堂教学资源的一部分，学生在组内讨论、相互启发的基础上，在教师的引导下进行全班交流，因为开放，也就更容易达成“生创互学”的目标。课后，鼓励学生进一步实验探究，也可以邀请专业的家长参与，用成人的经验和技术给孩子提供有益的帮助。

下面以沪科版八年级物理的“滑轮”教学为例，说明学生自主创新实验在教学中的应用。

2.1  课前针对实际问题，让学生通过观察和思考提出解决问题的初步方案

实际问题：学校正在对科艺楼进行翻修，需要将一些建筑材料及物品运至高层教室。

由于小学科学已对滑轮及省力有一定的了解，所以教师给出学习任务清单[ 1 ]：

（1）查阅图书馆、网络有关资料，搜集古代劳动人民利用滑轮的生活生产事例。

（2）寻找现实生活中的滑轮，观察生产实际中利用滑轮的实例。思考：不同场景中，人们利用滑轮的目的是什么？不同种滑轮有何优缺点？如何使用滑轮可以更省力？

（3）学校要利用暑假更换科艺楼所有教室内的讲台，考虑到教学楼层较高、班级数较多，讲台的质量、体积较大，而工人数量有限，无法直接搬运，请你设计一个方案，帮助解决这个问题。

学生以小组为单位，团队合作开展学习研究活动。

根据学习任务清单，学生以小组的形式组建了学习共同体，收集资料，对滑轮进行大量的观察和研究，自制滑轮模型进行实验探究，在团队内交流讨论，对滑轮特点和作用认识与感悟后，进一步设计实验方案，提出解决讲台运输问题的方案，并制作成PPT。

2.2   课中学生展示研究成果交流分享，教师在关键处帮助学生突破难点

学生自主创新实验，要求边做边说，说自己的实验过程，说自己的创意和思路，因此它是融合了动作表征、图像表征与符号表征的完整过程，必然会促进学生对物理知识的内化[ 2 ]。因此我们将学生自主创新实验作为课堂教学资源的一部分，充分发挥学生的主体作用。

2.2.1  以团队形式展示研究成果，小组之间交流分享

由于学生课前有大量的观察和研究，并制作与组装出了一些简易滑轮模型，因此，课堂上先以团队的形式让学生展示他们的研究成果，解决基本知识，老师则化身为学生跟其他同学一起倾听，提出相关疑问。

团A：利用PPT与事先录好的实验视频分享了三项内容：①古时候以及现代生产生活中运用滑轮的例子，日常生活中隨处可见的滑轮图片;②滑轮的构造;③根据他们观察到滑轮在使用时轴的运动情况不同，尝试进行的分类：定滑轮和动滑轮。

团B：①展示了自制“国旗升降台”模型（图1），模拟定滑轮在实际生活中的应用，进一步巩固了定滑轮可以改变力的方向的知识;②针对一般滑轮在使用过程中轮与轴之间摩擦力较大和绕绳容易脱落的问题，他们组还展示了在家长和老师帮助下，精心研制的创新滑轮（图2），并说明了动滑轮在使用过程中可以省力、但不能改变力的方向的特点。

那么，为什么定滑轮不能省力，动滑轮可以省一半力，这对学生的理解来说是个难点，并不是他们自己容易解决的，因此，教师的指导作用就要在此时此处发挥了。

2.2.2   教师的自主创新实验剖开问题本质，帮助学生突破学习难点

教师通过可拆卸的自制磁性滑轮（图3），将其上、中、下部分进行灵活拆解（各部分利用磁铁进行连接）（图4），将滑轮形象地拆解成了一根杠杆。用其演示可以帮助学生轻松地明确定滑轮、动滑轮的支点位置（图5），有效地突破了观察难点，也是本节课的一个关键，这样学生就较容易理解定滑轮、动滑轮的实质就是一根杠杆，但支点位置是不同的。

教师进一步利用希沃软件里的直尺工具配合滑轮变形图，在大屏幕上直观地、示范画出这个杠杆的力臂，再引导学生运用杠杆的平衡条件进行理论分析，由此得出定滑轮的实质是等臂杠杆，动滑轮的实质是动力臂为阻力臂两倍的省力杠杆，至此为什么定滑轮不能省力，动滑轮可以省一半力就得以较好地解决了。

2.2.3  学习进阶，学生自主创新实验再显其威

在明确了定滑轮、动滑轮的好处后，教师引导学生进一步思考：如果既想省力又想改变力的方向，该怎么办？

由于开放性实验使学生的学习兴趣和动手热情被调动起来，有的团队带来了自己组装的滑轮组作品。如团C：简易起重机模型（图6），团D：滑轮组合模型（图7）。

更有意思的是有的学生还利用乐高玩具制作了簡易升降机与起重机。（图8和图9）

展示的作品都可以达到既省力又改变力的方向的目的，但是问题又来了：①滑轮组最大程度能省多大的力？②绳子自由端的拉力与承担物重的绳子的根数有关吗？③如果有关，有什么样的定量关系？通过一个个有层次的问题驱动，促使学生认真思考，并实现思维进阶，再次通过小组合作设计实验、动手实践、分析论证、汇报交流。同时由于学生展示了不一样的滑轮组省力模型，开放性的课堂生成了好资源，使滑轮组的问题得以一步步解决。

2.3   课末、课后引导学生运用所学知识解决实际问题

2.3.1  课末首尾呼应，解决课前提出的问题

由学生的简易升降机与起重机解决材料运输问题，自然而然地将学习延伸到了工程问题，通过引导他们运用所学知识解决实际工程问题，也解决了学校的实际问题，达到了学以致用的目的。

2.3.2  课后鼓励学生进一步探究，提升科学实践和创新能力。

我们布置的作业既有书面作业，也有实践作业，对不同的学生可有不同的要求，让学生自己选择。

（1）对没有组装起重机的同学：完成笔者命制的2017年福州市质检物理试题，具体如下：

吊车是能够在一定范围内垂直提升和水平搬运重物的起重机械中的一种，起重量是吊车的主要性能参数，指的是吊车能够提升重物的最大质量。一旦超过重量，吊车可能发生倾覆事故。每台吊车的起重量是可以随吊臂倾角和吊臂长度的变化而变化的。小明他们在技术人员的指导下，一起对某型号汽车吊（图10）进行起重量模拟测试，实验数据记录如表1。

①若要研究起重量随吊臂长度的变化规律，应选用图11的实验方案进行研究。你选择的理由是              。

②你认为吊臂倾角为30°时，使用该吊车能否吊起5000kg的重物而不发生倾覆事故？

③由实验可知，增大吊车起重量的方法可能有 。（填序号，答案可能不止一项）

A. 增大吊臂倾角         B. 增大吊臂长度

C. 减小吊臂倾角         D. 减小吊臂长度

（2）对组装了起重机模型的同学：请利用自制起重机，探究起重机的起重量与吊臂长度、倾角的关系，并完成实验报告。

3  结语

学生自主创新实验既是一种理念，也是一种教学方式。首先，它可以充分体现学生的主体性，但教师的教育教学观念要真正改变，应充分相信学生，鼓励学生多观察生活，建立与实际的连接，简单的问题学生能懂由学生自己解决，鼓励其自己做实验、还要说出来、教他人。其次，教师要学会倾听，作为一个教学的组织者和促进者，在关键处、困难处适时适度地加以引导，特别是我们将学生自主创新实验作为课后实践性作业，使课堂教学资源更加丰富、开放和灵动，学生的聪明才智得以更好地发挥，对老师的教学智慧也是一个挑战。第三，本课教学围绕学习目标从真实情境出发，任务驱动、问题引导，学生在解决问题的过程中，已经融合了科学、技术、工程、艺术和数学等多方面知识，是一种STEAM教育，而STEAM学习会促使学生钻研与生活相关的现实任务，从而取得具体的学习成果[ 3 ]。同时，在学习的过程中，有学生充分发挥想象力与创造力，对传统器材进行大胆改进，自制滑轮的工艺和技术已达到了较高水平，这就是一种创新创造。

参考文献：

[1]肖永琴.促进深度学习的初中物理实践作业设计[J].教学与管理， 2020（3）：49-51.

[2]汤金波，黄网官.学生自主创新实验是未来物理教学的最优途径[J].实验教学与仪器， 2018（6）：3-6.

[3]罗伯特·M·卡普拉罗，詹姆斯·R·摩根.基于项目的STEM学习——一种整合科学、技术、工程和数学的学习方式[M]. 上海：上海科技教育出版社， 2016.