應(yīng)用科學(xué)探究理念拓展演示實(shí)驗(yàn)功能

科學(xué)探究是普通高中物理課程改革的一個(gè)核心問題，它不僅是學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo)和學(xué)習(xí)內(nèi)容，也是一種重要的教學(xué)方式。高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)中，無論是課程性質(zhì)和理念，還是課程目標(biāo)中都提出要關(guān)注科學(xué)探究。在內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)中指出科學(xué)探究包括提出問題、猜想與假設(shè)、制訂計(jì)劃與設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與收集數(shù)據(jù)、分析與論證、評(píng)估、合作與交流等七個(gè)要素，并明確了需要培養(yǎng)的科學(xué)探究能力的具體要求；在具體的課程實(shí)施建議中也要求高中階段的物理課應(yīng)該“關(guān)注學(xué)生在科學(xué)探究過程中的學(xué)習(xí)質(zhì)量，進(jìn)一步加深對(duì)科學(xué)探究的理解，提高科學(xué)探究的能力”。

物理是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然學(xué)科，物理實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力的重要途徑。演示實(shí)驗(yàn)是中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要形式，傳統(tǒng)的演示實(shí)驗(yàn)在展示教學(xué)內(nèi)容密切相關(guān)的物理現(xiàn)象和規(guī)律、喚起學(xué)生的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)、激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)機(jī)、促進(jìn)學(xué)生對(duì)概念和規(guī)律的理解、示范正確規(guī)范的儀器操作方法等方面具有重要的作用，然而傳統(tǒng)的演示實(shí)驗(yàn)并不重視培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。因此，教師應(yīng)對(duì)演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，將科學(xué)探究的理念運(yùn)用到演示實(shí)驗(yàn)的教學(xué)中，讓學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究的過程，從而培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力，拓展演示實(shí)驗(yàn)的功能。

一、讓學(xué)生經(jīng)歷發(fā)現(xiàn)問題并分析解決問題的過程，培養(yǎng)學(xué)生提出問題和分析解決問題的能力

在演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)中讓學(xué)生經(jīng)歷“遇到問題——分析問題——解決問題”的過程，可以讓學(xué)生自主建構(gòu)對(duì)知識(shí)的理解，以培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生利用已有知識(shí)分析問題并創(chuàng)設(shè)有利條件解決問題的能力。

例如，在介紹向心力演示儀時(shí)，傳統(tǒng)的做法是教師直接告訴學(xué)生向心力演示儀的裝置結(jié)構(gòu)和原理。有些教師在展示向心力演示儀時(shí)采用問題驅(qū)使的方法逐步構(gòu)建出實(shí)驗(yàn)裝置。具體的做法如下：教師在一開始只展示了裝置的底座、轉(zhuǎn)盤和小球。這時(shí)教師把小球放在轉(zhuǎn)盤上演示，發(fā)現(xiàn)小球不能隨轉(zhuǎn)盤做圓周運(yùn)動(dòng)。教師引導(dǎo)學(xué)生分析原因：因?yàn)槟Σ亮μ?，不足以提供向心力，小球?qū)⑦h(yuǎn)離圓心。在這個(gè)情境中學(xué)生很自然就能提出“如何讓小球隨轉(zhuǎn)盤做圓周運(yùn)動(dòng)？”的問題，教師稍作引導(dǎo)，學(xué)生就可以結(jié)合原有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，自己得出解決方案：在小槽上固定一塊擋板，使擋板對(duì)小球的彈力提供向心力，這樣小球就可做圓周運(yùn)動(dòng)了。使小球做圓周運(yùn)動(dòng)之后學(xué)生又面臨“如何測(cè)出小球所需的向心力？”大小的問題，小球所受向心力的大小很難直接測(cè)出，教師稍加引導(dǎo)后，學(xué)生提出用彈簧秤來測(cè)出小球?qū)醢宓膲毫M(jìn)而間接測(cè)出小球所需的向心力的大小。這時(shí)教師演示學(xué)生設(shè)計(jì)的方案，發(fā)現(xiàn)彈簧秤隨轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，無法準(zhǔn)確讀數(shù)，這時(shí)學(xué)生又提出“如何才能準(zhǔn)確讀數(shù)？”的問題。教師引導(dǎo)學(xué)生分析轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)只有圓心處是不轉(zhuǎn)動(dòng)的，因此可把水平放置的彈簧秤換成豎直放置并固定在圓心處，裝上彈簧，加上刻度，套上套筒的彈簧秤，并用鐵片來代替擋板，鐵片一段與套筒相連，在鐵片前面放上小球，轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤時(shí)，小球?qū)﹁F片產(chǎn)生壓力，就可通過套筒里露出的紅白刻度來間接測(cè)出向心力的大小。

該教師介紹演示實(shí)驗(yàn)儀器時(shí)，并沒有直接告知學(xué)生儀器的構(gòu)造，而是設(shè)計(jì)了三個(gè)遞進(jìn)的問題，讓學(xué)生在一系列發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的過程中逐步組建實(shí)驗(yàn)儀器。通過這種方式，學(xué)生不但能理解向心力演示儀的裝置原理，還體會(huì)了發(fā)現(xiàn)問題、提出問題并利用已有知識(shí)去創(chuàng)設(shè)條件分析解決問題的過程，很好地培養(yǎng)了學(xué)生提出問題、分析解決問題的能力。

二、讓學(xué)生經(jīng)歷建立假設(shè)并設(shè)計(jì)方案驗(yàn)證假設(shè)的過程，培養(yǎng)學(xué)生的猜想與假設(shè)能力和實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度

“猜想與假設(shè)”是探究過程的重要環(huán)節(jié)，它是使學(xué)生思維發(fā)散的最為活躍的階段。在進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)留給學(xué)生適當(dāng)?shù)牟孪肱c假設(shè)的空間，讓學(xué)生根據(jù)已有知識(shí)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行猜想與假設(shè)，這樣不但能激發(fā)學(xué)生的發(fā)散思維，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，還能夠培養(yǎng)學(xué)生的猜想與假設(shè)能力。在學(xué)生進(jìn)行猜想與假設(shè)之后，進(jìn)一步鼓勵(lì)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)自己的猜想與假設(shè)是否正確，可以讓學(xué)生在主動(dòng)獲取知識(shí)的過程中形成事實(shí)求是的科學(xué)態(tài)度。

例如，在通過演示牛頓欄導(dǎo)入動(dòng)量守恒定律時(shí)，傳統(tǒng)的做法就是直接演示碰撞的過程進(jìn)而導(dǎo)入課題。有些教師在利用演示牛頓欄導(dǎo)入動(dòng)量守恒定律時(shí)采用師生共建演示實(shí)驗(yàn)的方式層層深入進(jìn)而導(dǎo)入動(dòng)量守恒定律。具體做法如下：教師在介紹完實(shí)驗(yàn)裝置之后，并沒有直接進(jìn)行操作，而是提出問題讓學(xué)生猜想：如果將一端的一個(gè)小球拉起后釋放，會(huì)看見什么現(xiàn)象呢？這時(shí)學(xué)生根據(jù)自己的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)提出了兩種猜想：a.小球擺下后會(huì)與下面的小球發(fā)生碰撞，另一端有一個(gè)小球會(huì)被撞起來。b.另一端的小球會(huì)被撞起來，但撞起來的個(gè)數(shù)與小球拉起的高度有關(guān)。這時(shí)教師引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案來驗(yàn)證他們的猜想，學(xué)生自己設(shè)計(jì)得出實(shí)驗(yàn)方案：將一端的一個(gè)小球拉起，使懸線與豎直面成不同角度且處于張弛狀態(tài)。靜止釋放小球，觀察小球釋放后的現(xiàn)象，若另一端只有一個(gè)小球被撞起來，則說明猜想a是正確的；若從不同角度釋放撞起來的小球數(shù)不一樣，則說明猜想b是正確的。這時(shí)再由教師來進(jìn)行操作：將一端的一個(gè)小球拉起，使懸線與豎直面分別約成20°、30°、40°、50°釋放，與被拉起小球相鄰的第1、第2、第3個(gè)小球均未動(dòng)，第4個(gè)小球被撞起，擺動(dòng)上升至與拉起小球幾乎相同高度后擺下。

該案例中教師在提出要演示的問題之后，并沒有直接演示讓學(xué)生觀察，而是先讓學(xué)生猜想，并設(shè)計(jì)方案來驗(yàn)證自己的猜想，這樣既能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生進(jìn)入積極思維的學(xué)習(xí)狀態(tài)，還能培養(yǎng)學(xué)生的猜想與假設(shè)能力。

三、讓學(xué)生經(jīng)歷分析與論證并得出結(jié)論的過程，培養(yǎng)學(xué)生提取和處理信息的能力和邏輯推理能力

學(xué)生在概括歸納得出并解釋結(jié)論的過程中，不僅要搜集證據(jù)，而且要將觀察和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與自己已有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)聯(lián)系起來，借助于分析、推理提出現(xiàn)象或結(jié)果產(chǎn)生的原因，并在實(shí)驗(yàn)證據(jù)和邏輯證據(jù)的基礎(chǔ)上建立各種變量間的聯(lián)系，從而形成以已有知識(shí)和當(dāng)前觀察與實(shí)驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)的新的理解。在觀察完演示實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象或者得出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后，教師可以把對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析、解釋和對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的機(jī)會(huì)留給學(xué)生，引導(dǎo)學(xué)生通過自己的思維過程構(gòu)建對(duì)新知識(shí)的理解，讓學(xué)生從已有的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)出發(fā)，提取有效信息，經(jīng)歷邏輯的分析、綜合、判斷、概括等一系列的思維過程，從而實(shí)現(xiàn)從感性認(rèn)識(shí)到理性認(rèn)識(shí)的躍遷。

例如，在學(xué)習(xí)超重和失重時(shí)，很多教師在演示完實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象之后就直接引導(dǎo)學(xué)生分析得出結(jié)論。但有的教師在用自制模擬電梯并測(cè)量得出電梯上行和下行過程中力的傳感器所受的鉤碼的拉力的變化曲線之后，并沒有直接和學(xué)生一起分析得出結(jié)論，而是讓學(xué)生根據(jù)演示實(shí)驗(yàn)所得圖像數(shù)據(jù)完成如表一所示的實(shí)驗(yàn)探究表格。

該教師在做完演示實(shí)驗(yàn)得出圖像數(shù)據(jù)之后，并沒有直接分析圖像，而是準(zhǔn)備了探究表格讓學(xué)生自己分析處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。在此過程中，學(xué)生不但通過探究得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，體驗(yàn)到獲得知識(shí)的喜悅，還學(xué)會(huì)了如何分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，提取關(guān)鍵信息；如何根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)判斷推理得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

將科學(xué)探究理念融入演示實(shí)驗(yàn)的教學(xué)過程中，不但能給學(xué)生提供自主建構(gòu)知識(shí)的機(jī)會(huì)，也可以在此過程中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。

（責(zé)任編輯黃春香）