基于学生自主创新实验理念有效教学的四个方法

文∣黄跃涛

《普通高中物理课程标准(2017年版)》阐述了“知识”和“发展”的差别。有些学生知识掌握得很好，但是心智发展处于低水平。“知识”和“发展”是有鸿沟的，不能认为知识量增多就会自然而然地成为发展水平高的人。

高中物理课程标准强调要为全体学生的发展和国民科学素养提升而设计课程。要解决发展的问题，重要的是提高学生的求学自信，培育他们的求知欲，优化他们的心理品质。借助课堂引导学生自主创新实验，让教学设计立足于学生的“最近发展区”上，以精准的教学模式促进学生的发展，从而在课堂教学中培养学生的必备品格和关键能力。基于学生课堂自主创新实验的理念和实践经验，我们认为课堂教学中践行“精准起点难度、质疑进阶、发散对比、高关注”原则，能够使学生核心素养落地。

一、用“精准起点难度”打破学生前置经验误区

“精准起点难度”指的是教学应立足于了解学生的前置经验，用恰当的起点难度问题激发学生思考，采用学生自主实验方式，为学习进一步的知识打破前置经验误区。

案例1.在多年的教学过程中，我们发现不少学生以为机械是“万能的”，既能够省力又能够做功快。所以在教学《物理》必修二第七章第三节“功率”课前提出一个起点问题：“生活中我们经常使用机械，是不是使用机械对物体做功就一定快？”

【传统教学】

根据初中学过的公式，教师根据功率定义式让学生直接比较大小。

这样的教学效果其实是记公式背概念，缺乏情景代入，理解不透彻。

【学生自主创新实验教学】

生：用实验来比较哪种形式对物体做功快。

他们设计了使用滑轮组、动滑轮或者用手拉同一物体在相同桌面匀速运动相同距离，记录时间(如图1)。学生讨论认为三种形式对物体做功是一样快的，但是结果发现直接用手拉物体前进反而做功快。

图1

这个例子中，教师通过学生小组的共同实践参与，使学生打破固有思维。这个学生自主实验给学生的感受是“小震撼”，有学生提出：“我这个实验有没有做错，怎么使用机械反而做功慢？”教师组织学生讨论，并得出结论“使用机械对物体做功不一定快”。比较做功快慢必须使用比值定义法，从而引出“功率”概念。

这个例子促使学生意识到机械不是万能的，教师通过自主创新实验帮助学生纠正功率的前置认识，那么师生会有更强烈的共鸣——功率是单位时间做功的多少。学生对比值定义法有了进一步的体验。

“功率”概念表征的是单位时间做功的多少，反映的是做功本领的快慢。并不是做功多、省力就一定做功快。本案例就是用“精准起点难度”教学方法，让学生自主实验解决问题，初中虽然接触过“功率”概念，但是我们发现很多高中生在初中只是“题海训练”，对做功快慢理解不清。功率概念的辨析要回到单位时间做功多少来讨论，人类使用机械的历史就是科学态度与责任感的建立过程，纯粹背诵概念会计算而不实践是科学素养培养的最大误区。

物理课堂教学应立足个体已有经验问题分析，目前课堂教学最大的弊端是教师凭借已有的经验讲授知识。在知识接收过程中，如果知识未能进入脑部控制系统临界发展区域内，脑部控制系统处于无序精神状态，虽然有一个“无形手”在操纵大脑系统的各个子系统，但最终因为组织的无序性而无法形成知识共鸣，即学生无法领会知识。我们应该把大脑作为协同系统，借助脑部通过自己组织发挥作用。

课堂上，教师力求与学生做到已有经验的共鸣，情感的互补，这样才能教学相长。学生在课前进行自主创新实验并提交给教师，教师可以在课前就发现学生已有经验的事实。然后在课堂举例中，整合师生的知识边界，促进情感的交融，让情境化与问题导向的教学帮助学生更好地理解物理概念。

二、用“质疑进阶”推动学生科学探究、思维能力进阶

“质疑进阶”是辨别学生个体能否领悟某个基本概念或基本原理最有效的方法，可以向学生提供与该概念或原理相对应的事例，让学生自主创新实验提炼相关概念。为了更加真实地反映学生是否理解有关知识，教师可以要求学生同时说明实验涵盖知识点的理由。

案例2.平抛运动实验水平方向匀速运动的质疑

【传统教学】

教师根据教材直接告诉学生平抛运动水平方向匀速直线运动。

【学生自主创新实验教学】

学生质疑水平运动是否匀速，提出测量单位水平位移的时间。

师：这个想法很好！那么用什么能够测量这么快的运动轨迹？

生：可以用摄影。

师：那如何确定单位水平位移？

生：可以在竖直木板上做标志。

教师展示图2装置，实验过程录像并记录在表1。

图2

表1 (单位：s)

教师让学生对比录像截图，观察小球抛出，得出水平运动相同距离，但实际时间不同。教师解释在高中阶段条件不足的情况下，我们完成的是理想状态设定下的实验。

平抛运动“化曲为直”的分解思想学生很难理解，但是让他们实际做一做，进行质疑，他们会记住水平方向是理想情况的匀速直线运动，也会提升科学探究、思维能力。

2017年版课程标准更加明确学生成为教学的主体，让学生以饱满的热情积极参与教学活动，教师是教学的主导者和促进者。但从三维目标教改至今，许多教师都提出“时间在教师无启发性提问、花哨表演中与形式上的讨论中流失了”。久而久之，这种活泼的课堂使学生、教师都感到身心疲惫，而学生的压力也越来越大，面对高考，只能回到“题海战术”等提高考试成绩的传统教学方式上。

三、用“发散对比”促进学生探究反思交流能力的进阶

“发散对比”是指同一个物理不良问题可以有不同的实验解决方案，教师引导学生进行多种形式变化反思，潜意识地促进学生反思交流技能的提升。学生在比较总结阶段会因为缺乏系统分析能力就止步不前，教师应有意识培养他们的反思能力，这是核心素养中关于水平五的要求，同时也让学生逐渐养成恰当的科学态度去面对学习困难。

案例3.让学生自主创新实验测量当地的重力加速度

本文的被解释变量是企业劳动生产率。参考以往涉及劳动生产率的研究文献，特别是实证文献，以人均产出来定义企业的劳动生产率，采用人均工业增加值来度量。

【传统教学】

可以用打点计时器测出重力加速度是9.8 m/s2。

【学生自主创新实验教学】

师：一个自主创新实验能够帮助你完成一组知识的理解，请同学们做出方案，我们来比较谁的方案有创意。

a

生3：根据自由落体运动g=2s/t2，测一把尺子下落的高度和时间。高度可由米尺测出，时间可由手表测出。

教师：首先请同学们用欣赏的角度分析各种方案。高中物理数理结合比较紧密，我们在设计方案的时候，也要注意数学推导过程。

对比设计的异同，需要运用物理观念思维，比较方案的异同点，其实就相当于加深理解“运动公式”“单摆原理”“打点计时器的使用”等。学生简单重复地做“程式化”的探究实验或实验题目，会造成学生在探究中往往只关注研究事物的一个维度变化，忽略其他维度的变化，形成片面的认知。教师作为引导者，要积极优化探究活动，助力学生创新实验。教师可以先帮助学生识别易于发现的原实验问题，继而引导学生设计并展示一连串的创新实验，实现多维探究，让学生对所学内容有更加全面的认识。优化探究活动，可以加速学生的探究过程，促成学生与他人对话，让学生在同他人合作中，获取创新的启发，实现多方互动。这样我们可以有效地避免教师单向灌输，导致部分学生视角狭窄，钻进思维的死胡同里的问题。

四、用“高关注”培养学生的必备品格

“高关注”是指教师从情感意志上多加鼓励学生，帮助学生解决实际的科学问题，形成坚忍不拔的必备品格。自主创新实验能够细化学生的认知过程，能够让学生发现自己的思维误区，所以在学生表现出理解的严重错误时，教师需要及时介入。

案例4.学生在初中已经学习过“牛顿第三定律”，为了强化学生对相互作用力性质的认识，教师请学生设计实验说明一对相互作用力同时发生和消失的性质。

【传统教学】

两个弹簧测力计互拉，力同时产生和消失。

【学生自主创新实验教学】

让学生用实验验证这个概念。

师：用环保、最少的材料验证说明一对相互作用力同时发生和消失。减少材料的不必要浪费，并且材料可以反复使用，无污染。同时解决杆子不易寻找、固定气球较难的问题。

生：用细绳穿过吸管，固定在房间中较远的两点(例如门把手和椅子)。而细绳和胶纸用来固定气球。这样就弥补了杆子难固定、难寻找的缺点。而气球向后喷出的气体反过来给气球向前的动力，当气球中喷出的气体耗尽了，给气球向前的力也就消失了，即说明作用力和反作用力两者同时产生、同时消失。

师：××同学进行了一次创新的实验，值得赞扬！

在以上研究中我们发现存在科学研究的一些失误，表述也不够严谨。“气球喷出的气体耗尽了”这是一种错误表述，气球内外气压平衡就没有进一步喷气，且没有向后的力，但气球还是会由于惯性向前运动。所以本实验并不能说明“一对相互作用力同时产生和消失”。

在以上的解释中，学生纠正了气体耗尽这样一种印象经验，又对惯性有了进一步认识，同时引导学生在这个基础上利用手上器材再设计实验，比如手压气球形变，手感受到反作用力；不压气球，反作用力也就消失了。

教师要告诉学生，研究科学的过程不是一帆风顺的，不严谨的表述会出现，但是要逐渐完善，要能够向真理不断靠近。

高中物理教学中我们发现一个问题，就是学生背诵了概念，却在细节上模糊不清。有学生读到高中还根本不能分辨清楚二力平衡和相互作用力的区别，甚至不清楚相互作用力是不同的受力物体。以上实验的失误不是个案，其实反映了学生思考问题的过程。自主实验要求学生考虑多方面因素，进行动手动脑实验。作为教师，要推进学生科学思维能力的发展。教师的关注力度决定了学生对自身学科素养的喜爱程度，学生对高中物理普遍感觉比较困难，不是智力不行，而是缺乏克服困难的意志。

学生的物理观念还是需要学生在不断实践和试错中建立，这才是物理学习的真实过程。学生实验的对或错都是教育资源，如果对与错只是教师脑海里独有的景象，虚构得再精彩绝伦，再鬼斧神工，学生投来的最多就是“羡慕”二字。

五、结语

研究中的顺序是：打破前置经验误区——进阶推动学生科学探究，思维能力——发展发散思维，反思能力——培养科学实验必备品格。

学生的潜能是无限的，教师开展学生自主创新实验教学，是达到教育目标的最优途径之一，学生的核心素养自发获得培养。学生可以达到的层次取决于自己的体验能否得到拓展，但也要借助教师的推动。目前我们关注到关于核心素养的教学设计大多注重课堂精彩的顶层设计，缺乏对学生个体的体验理解的系统预设。所以，将学生的发展与学习知识和技巧有机融合，对学生发展方面进行关注、系统改造，才能促使学生在学习上得到最大的进步。物理是一门科学学科，具有付诸实践的特征，我们在帮助学生时要注意靠近最近发展区的新研究，不要单纯增加练习的大一统性和次数，这样解决不了问题，还会造成学生对学习的厌烦。我们采用的方法是发现学生问题的“根源”(主要是对生活现象进行提炼后的疑问)，教师必须带领学生实施有效的表征建构，帮助学生克服困难，解决问题。在课堂教学中实现学生自主创新实验的精准，教学模式能够有效使学生的核心素养培养成为现实。