談物理實驗教學中的情境創(chuàng)設

姜雪鵬

在物理實驗教學中,情境設計起著舉足輕重的作用。這里的情境創(chuàng)設,主要指背景設置、情景鋪墊。其本質在于視覺形象與特定意義的有機結合,目的是使學生進入預定的學習狀態(tài),有效地引起學生的視覺追求和經(jīng)驗激活。

一、應用歷史傳統(tǒng)設計實驗情境

物理學中的許多實驗與歷史上的相關史料有著千絲萬縷的聯(lián)系,許多歷史傳說蘊含著一定的科學道理。在科學發(fā)展的歷史長河中,一代又一代科學的傳人為追求科學的真理作出了大膽的猜測和精細的實驗?？梢哉f,每個成功的實驗,都有著驚心動魄的故事,如歷史上的馬德堡半球實驗。這是1654年德國馬德堡市驗證大氣壓存在的驚世駭俗的實驗。但是,如果當一個“馬德堡半球”呈現(xiàn)在沒有情景準備的學生面前時,學生的頭腦中也許只能形成一個冷冰冰的鐵制品的視覺形象。這種孤立的視覺形象無豐富的內涵,既不能激發(fā)學生的興趣,也不能引起學生豐富的聯(lián)想。這說明物理實驗教學中情境設置的意義不可忽視。因為,物理實驗情景的設置不僅在于歷史的陳述,更重要的,是在于知識背景的展示。

例如,在“阿基米德定律實驗”展開之前,筆者首先應用歷史史料設計實驗情境,介紹“曹沖稱象”這一有趣的史料,并引導學生根據(jù)“曹沖稱象”揭示船的吃水深度→排水量→船與石頭的重量關系之間的聯(lián)系,從而為阿基米德定律實驗的展開奠定了情境基礎。

二、應用學生的“前科學概念”設置情境

教育心理學指出:“學生已有的生活經(jīng)驗或前科學概念是他們學習自然科學的一種內部條件,制約著他們的學習效果?！逼鋵?初中生在學習物理之前,憑借對自然現(xiàn)象的觀察,已經(jīng)積累了一些生活經(jīng)驗,形成了一定的日常概念,為學習物理提供了心理上的準備。這種“概念”,我們稱之為“前科學概念”。這些“前科學概念”,有的是正確的,有的是不完備的,有的甚至是錯誤的。因此,教師在教學中要引導學生激活經(jīng)驗,有效運用“前科學概念”處理物理實驗中的種種信息。

仍以阿基米德原理為例。在課堂教學中,筆者曾試圖激活學生封存的記憶,“浮力的大小跟哪些因素有關?”這是阿基米德原理的本質所在。生1:浮在水上的物體受到阻力,沉在水下的物體不受浮力。生2:體積越大的物體受到的浮力越大。生3:空心物體受到的浮力大,實心物體受到的浮力小。生4:密度小的物體受到的浮力大,密度大的物體受到的浮力小……可見,學生都認為浮力的大小與受力物體的一些屬性有關。然而,他們很難猜想到浮力的大小與排開的液體有關。于是,筆者引導學生通過實驗,讓學生自我否定原有的種種不確切的猜想。從而,產(chǎn)生正確的結論:浮力的大小與排開液體的密度和體積有關。

在實驗教學中,激活學生已有的經(jīng)驗,為實驗創(chuàng)設一定的問題情境,讓學生在對比中判斷正確與錯誤,這既是對錯誤的教學資源的有效利用,又是對新的科學概念的一種定位與確認。學生在經(jīng)歷了錯誤的猜想后,經(jīng)過科學的實驗,作出了自我否定,構建了新的意義世界。這時,教師在實驗教學中起到的是為學生捩航轉向的作用。

三、通過揭示實驗和知識體系的內在聯(lián)系來設計實驗情境

隨著實驗教學的深入,學生不僅需要富有趣味的史料和“前科學概念”的某些啟示,更需要揭示科學體系之間的內在聯(lián)系。這種聯(lián)系正是實驗的必不可少的認知基礎。新的實驗既為知識體系增添了新的素材,同時也為學生的認知思維注入了新的活力。

例如,物理教材中的“電磁感應”一節(jié)。這里,通過六個電磁感應現(xiàn)象的演示實驗總結出感生電流產(chǎn)生的條件是“穿過閉合電路的磁通量的變化”。在具體教學過程中,筆者在演示“磁鐵不動、線框運動,有感生電流產(chǎn)生”之后,啟發(fā)學生運用運動學中的“相對運動”的知識來思考,推理第二個演示實驗。事實證明,大多數(shù)學生能從第一個演示實驗推理出“線框不動、磁鐵運動,同樣有感生電流產(chǎn)生”的結論。有了這一基礎,筆者再進行演示實驗,驗證其正確性。接著,筆者讓學生思考第三個實驗:磁鐵與線圈一起運動,有沒有感生電流產(chǎn)生?學生的思維由于受到第二個實驗的激活,學生學習的內驅力會逐漸加強。用同樣的方法來處理后面的實驗,學生的思維自然進入到聯(lián)想階段,最終得出如下結論:只要閉合電路的磁通量發(fā)生變化,閉合電路中就有感生電流產(chǎn)生。

這種以揭示實驗和知識體系的內在聯(lián)系來設計實驗情景的方法,既顯示了認知上的層遞性,又激活了學生的聯(lián)想思維,為后續(xù)性實驗打下了思想基礎。

四、運用“問題”設計實驗情境

中學物理實驗教學,以驗證性實驗居多。其教學目的,除驗證物理定律以加深理解之外,主要是為了深化認識以及運用物理概念。深化認識的心理動因源于“矛盾”。因而,在演示實驗的整個過程中,不斷地提出疑問,讓學生在矛盾思維的碰撞中,明確探究的目標,以及解決問題的途徑。這是設計物理實驗情境的又一方法。當然,這些問題的設計,應該圍繞實驗目的進行,從而促使學生的思維從疑問開始,在聯(lián)想與想像中深入,在實驗的具體驗證過程中形成對于某一概念的正確認識。

例如,初中物理的“浮力”教學。關于“浮力”,學生的生活觀察或經(jīng)驗積累常常不能完整地說明浮力的本質,有時卻成為學生思維的障礙。如前所述,大部分學生誤以為浮力跟物體的質量、密度有關,跟物體浸入液體中的深度有關……在實驗教學中,筆者獨辟蹊徑,又設計了如下實驗:①用彈簧秤分別掛起體積相同的鐵塊或鋁塊浸入水中,要求學生觀察彈簧秤示數(shù),并提出問題“這說明了什么?”②用彈簧秤掛著鐵塊徐徐浸入水中,讓學生觀察彈簧秤示數(shù)的變化?③換用煤油或酒精重做上面的實驗,讓學生觀察并回答液體密度不同時彈簧秤示數(shù)有何不同?在其他相關實驗中,也可以提出相應的問題,并通過實驗過程加以驗證。例如,空氣有沒有重量?能否稱出空氣的重量呢?磁鐵能夠吸引鐵塊,鐵塊也能吸引磁鐵嗎?這些問題源于生活實際,但又往往被人們所熟視無睹,或者與常規(guī)經(jīng)驗相悖,這就為展開的實驗蒙上一層“疑云”。通過實驗,消除思維上的疑點,實現(xiàn)“云開霧散”的教學效應。這正是設計問題情境的目的所在。

實驗心理學認為,創(chuàng)設實驗情境與實驗教學效果之間具有密切的相關性。教學實踐也證明了這一觀點。只有當學生的思維被教師所設計的實驗情境所吸引,實驗情境與物理實驗才會產(chǎn)生“共振”效應。這種“共振”效應使學生的“前科學概念”發(fā)生質的變化,只有在這個時候,學生的認知與認識才會溢光流彩。