初中物理实验可视化教学实践

2023-10-10 14:11文/吴
名师在线 2023年24期
关键词:绘图直观可视化

文/吴 伟

物理实验是学生观察现象,建立物理概念、规律的重要支撑,也是学生检验物理概念、规律的重要手段。对于初中生而言,物理实验不仅是重要的学习内容,还是必不可少的学习方法。物理实验过程中往往存在着不明显的实验现象、繁杂的实验方法、抽象的实验规律等,这些内容与学生的认知和思维的发展情况存在一定的差距,大部分学生难以掌握这些内容。与之相比,学生能轻松地接受直观、简单的实验内容。基于此,教师要应用可视化的方式实施实验教学,确保教学契合学生认知、思维发展情况,助力学生掌握物理概念、规律和学习方法。可视化教学是指在教学过程中,运用各种可视化的工具或方法,如图片、视频、手绘图、思维导图等,直观、清晰、具体地展现抽象、复杂的教学内容,实现内容或形式的可视化,促使学生理清思路,建立认知的教学活动[1]。初中物理教师要善用不同的可视化方式实施实验教学。

一、利用卡通人物画实施实验教学

卡通人物画是一种夸张、形象、趣味的艺术形式,对初中生有极强的吸引力,常常被应用于情境创设环节[2]。物理教师可以依据物理实验教学内容,绘制相关的卡通人物画,直观再现物理现象,激发学生兴趣,促使学生观察、探究。

图1 平面镜成像的卡通人物画

在生活经验的助力下,学生从图中获取了各种各样的信息,如“画中的两个人物到平面镜的距离相等”“画中两个人物的大小一样”等。基于此,教师初步概述平面镜成像的概念,并引导学生思考:“针对平面镜成像的特点,你想到了什么?”学生兴致高昂地进行探究。

通过呈现卡通人物画,教师顺其自然地创设了生活情境。在生活情境中,学生能够产生强烈的兴趣,迁移已有认知,获取信息,深入分析,真正进入物理实验课堂。

二、利用“图”说方式实施实验教学

“图”包括图形、图表、图片、图像等,可以直观、清晰地展现抽象的知识和知识点间的逻辑关系,便于学生发挥形象思维的作用,归纳出知识点和知识点间的逻辑关系,建立深刻的认知[3]。在物理实验课堂上,教师要依据教学需要,善用“图”说的方式助力学生建立认知。

以“水的沸腾特点”为例,教师引导学生操作实验。在学生观察实验现象时,教师提出任务:“观察实验现象,绘画沸腾时液体表面和液体内部的气泡。思考问题:在沸腾前、沸腾中,液体内部和表面的气泡有什么不同?液体在沸腾前、沸腾后,温度发生了怎样的变化?”在任务的推动下,学生有目的地观察沸腾前、沸腾时的气泡变化情况,并就此绘制图像(如图2)。在绘制后,学生分析图像,直观地判断沸腾前、沸腾时的气泡变化情况。

图2 水沸腾前、沸腾时的气泡变化

在此过程中,有学生提出疑问:“为什么沸腾之前,气泡从容器底部到液体表面由大变小?为什么沸腾时,气泡由小变大?”其他学生因此产生探究兴趣。于是,教师鼓励学生合作交流。大部分学生迁移物理认知和生活经验,分析原因,建立一定的认知。

学生利用“图说”方式直观地展现了实验现象,并由此提出了问题,推动了实验教学走向深入。学生在直观图像的助力下深入探究,做到知其然知其所以然,同时锻炼了形象思维能力、物理表征能力。

三、利用教学动画实施实验教学

教学动画是在有关教育理论的指引下,围绕某一教学内容,利用动画软件制作出的动画,具有直观性、动态性、交互性,助力人机互动[4]。在教学动画的辅助下,学生会发挥思维作用,观察、分析直观现象,抽象出结论,由此轻松地建立良好认知。对此,教师应紧抓实验过程,利用教学动画展现实验内容。以“凸透镜成像”为例,教师在电子白板上呈现实验方案,引导学生思考:“凸透镜的成像的虚实、大小、正倒与物距之间有什么关系?”学生代表登台操作电子白板,安装实验装置。之后,学生代表移动蜡烛,改变蜡烛与凸透镜之间的距离,得到不同的像,并由此收集、整理数据。其他学生认真观看,分析现象,整理数据,建立一定的直观认知。

在学生代表操作结束后,教师用动画演示“凸透镜成像规律的特点”的截图,直观展现蜡烛火焰的虚实、大小、正倒变化情况。同时,教师提出任务:“观察截图,联想实验过程,整理物像距离和成像大小情况,建立表格。”学生边观察截图,边回想实验过程,认真分析,借助直观现象了解物距、像距、像的大小、像的性质,形成表格,形成较为全面的认知。之后,学生毛遂自荐,利用电子白板展现自己绘制的表格(见表1)。

对照一组与确诊为前、后半规管耳石症的研究一组患者采用Epley手法复位[3]治疗,医生指导患者头部定向摆动,在重力的作用下使耳石复位。

表1 物像距离和成像大小情况

教师就此引导学生总结“像”的变化与聚焦的关系。在各种教学动画(数字化实验、实验动画截图)的助力下,学生发挥形象思维作用,细心观察蜡烛的虚实、大小、正倒变化情况,结合具体数据,一步步地总结出“像”的变化与焦距之间的关系,建立深刻的认知。同时,在整个可视化的实验学习过程中,学生顺其自然地锻炼了观察分析能力、归纳总结能力,便于提升实验学习水平。

四、利用改进实验实施实验教学

(一)改进实验器材

实验器材是师生操作物理实验的支撑。在实验器材不当的情况下,实验现象难以显现。教师要善于改进实验器材,引导学生动手操作,使实验现象可视化。

以“压力的作用效果”为例,当教师按照教材实验进行操作时,学生无法清晰地观察到一些微小的形变。针对此情况,教师改进实验器材,用白纸、木架替代海绵、沙子,确保显现微小形变。在实验过程中,学生依据实验方案,将一张白纸固定在木架上,使白纸保持水平、悬空状态。接着,学生在白纸上摆放一个实验小桌(四腿朝下),细心观察白纸的变化。学生在实验小桌上放置一盒钩码,再观察白纸的变化。然后,学生将小桌反扣在白纸上,继续观察白纸的变化。

通过改进实验器材,学生获得了观察细微变化的机会。在观察过程中,学生对比、思考,借助直观的现象发现了与压力作用效果有关的因素。同时,部分学生因此汲取实验经验,拓展思维,自主改进实验,操作实验,利用可视化的方式学习物理知识,切实提高了物理学习水平。

(二)使用非常规实验

非常规实验是指生活化的实验,即依据教学需要,利用生活中常见的物品自创的有趣、简单的实验。与教材中的物理实验相比,非常规实验简单、易操作。学生可以获得实验机会,利用可视化的方式学习物理知识。因此,教师可以依据物理教学的需要,引入非常规实验。

以“浮力的方向”为例,在讲到该知识点时,教师为各组发放实验器材——乒乓球、红色细线、小石块、圆形透明水槽、适量水,引导学生操作实验。在操作时,各组在乒乓球的上下两端固定红色细线,并在下端的细线绑上一块小石块。小组成员拉起乒乓球上端的细线,确保乒乓球上下两端的细线处于同一直线上。此时,小组成员手持上端的细线,慢慢地将乒乓球移动到圆形水槽中。随着小石块慢慢地沉入水底,小组成员发现乒乓球上下两端的红色细线仍在同一条直线上。

在实验现象的助力下,学生直观地发现浮力的方向和重力的反向是相反的,从而建立深刻的认知。同时,学生顺其自然地掌握了“浮力产生的原因”这一重点内容,增强了课堂学习效果。

五、利用手绘图实施实验教学

手绘图是利用清晰、简洁的线条,通俗易懂的语言符号,快速、形象地展现自己的所看所想的“工具”。一般来说,手绘图呈现了学生实验观察、思考的结果,便于学生了解自身的实验学习情况。同时,学生可以借助手绘图,加深对实验的记忆和理解,锻炼想象能力、动手能力等。基于此,物理教师可以在实验之后,引导学生回顾实验过程,绘制手绘图。

以“串联和并联电路的电流”为例,在实验课堂上,学生与小组成员合作设计实验方案,动手操作实验器材,观察、分析实验现象,得出物理规律。在课堂总结环节,教师依据学生的课堂学习情况,引导学生回想实验过程,并手绘串联、并联电路的电流实验图。

趣味的活动很容易激发学生兴趣。学生在脑海中描绘串联、并联电路的电流实验过程,就此绘制流程图。在绘制的过程中,学生认真思考、分析,发现自己的实验学习漏洞。基于此,学生主动向他人请教,弥补学习漏洞。

在学生完成手绘图后,教师随机选择一幅作品,利用电子白板进行展示,并鼓励作者化身为“小先生”,描述实验过程、现象和结论。其他学生看、听、想,发现问题,及时提出并进行集体讨论。在集体讨论的过程中,大部分学生通过自主反思,确定自己的学习漏洞,主动弥补。

学生通过绘制实验手绘图,顺其自然地进行了自主反思,弥补了学习漏洞。

六、利用思维导图实施实验教学

思维导图是一种思维工具,展现了全脑分工的理论精髓,实现了左右脑的完美融合。学生在绘制思维导图的过程中,可以发挥全脑潜能,使用简洁的线条、色彩、图画表示复杂、抽象的信息,突出重点,建立清晰的逻辑认知。部分学生可以获取可视化的记忆方法、理解方法,便于展开自主学习。在参与物理实验教学过程中,学生获取了相关的知识点。在实验教学收束阶段,教师要引导学生绘制思维导图,梳理、归纳知识点,建立系统认知。

以“欧姆定律”为例,在实验教学结束之际,教师提出任务:“请大家回想实验探究过程,建立思维导图,总结相关的知识点。”在此任务的推动下,学生边回想边分析,自觉用文字内容描述物理实验及相关结论,由此梳理学习内容。在此过程中,有学生发现知识漏洞,或利用手绘图,或利用教学动画,或向教师请教,运用多种方式弥补了知识漏洞。同时,学生在绘制思维导图的过程中,始终发挥逻辑思维作用,切实提升了逻辑思维水平。

七、结束语

总而言之,可视化的教学方式是物理实验教学的助力,便于学生在获得实验机会的同时,直观、清晰地建立物理认知,掌握实验方法,锻炼多种能力,增强实验学习效果。对此,初中物理教师要依据实验教学需要,善用卡通概念、“图”说方式、教学动画、改进实验、手绘图、思维导图等可视化地实施实验教学,助力学生操作、观察实验,透过实验现象得出物理结论,实现物理学习能力的发展。

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