高中物理教學(xué)演示的優(yōu)化探索——利用物理知識的形成過程來構(gòu)建探究式的教學(xué)演示

許華軍

浙江省蕭山中學(xué)

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高中物理教學(xué)演示的優(yōu)化探索
——利用物理知識的形成過程來構(gòu)建探究式的教學(xué)演示

許華軍

浙江省蕭山中學(xué)

本文旨在探討構(gòu)建探究式教學(xué)演示的新思路.使學(xué)生能參與到教學(xué)過程中進行自主性的學(xué)習(xí)。從而改變教師只管教，學(xué)生只管學(xué)的傳統(tǒng)教學(xué)模式。這就要求教學(xué)設(shè)計應(yīng)當(dāng)依托于教材但又不拘泥于教材，所構(gòu)建的教學(xué)演示要最大程度的有利于學(xué)生的參與。本文探討了利用物理知識的形成過程來構(gòu)建探究式教學(xué)演示的一種方式。

知識形成過程；構(gòu)建；探究式教學(xué)；教學(xué)演示

一、引言

隨著時代的不斷發(fā)展，教學(xué)改革也從未間斷過。既有教學(xué)內(nèi)容的改變，也有教學(xué)方式、方法的改進。但我們可以看到，不論如何改革，課堂教學(xué)始終是我們教學(xué)過程的主要陣地。所以課堂教學(xué)環(huán)境的改善，課堂教學(xué)模式的創(chuàng)新是教學(xué)改革的一個重要環(huán)節(jié)。

課堂教學(xué)的改進，事實上也從未停止過，無論是教學(xué)領(lǐng)導(dǎo)機構(gòu)指導(dǎo)思想的更新，還是一線教師具體教學(xué)時方式方法的創(chuàng)新。作為教學(xué)主陣地的課堂教學(xué)的改革將永遠的進行下去。就當(dāng)前來說，課堂教學(xué)要求為學(xué)生創(chuàng)設(shè)一個能積極參與的教學(xué)過程，這也就是我們所說的探究式的教學(xué)過程。要達到這一目的，就在于能否構(gòu)建一個可探究的教學(xué)演示，使教學(xué)過程在這一演示的展開中移步換景層層深入，從而使學(xué)生在探究中學(xué)習(xí)，在學(xué)習(xí)中探究。

二、教學(xué)實例

下面以原子的核式結(jié)構(gòu)這堂典型的物理課為例來進一步探討。

(一)新課引入：用不同時代科學(xué)水平對比來構(gòu)建演示引入新課。經(jīng)過歷史檢驗的科學(xué)定律是有著極強生命力的，不僅過去、現(xiàn)在適用，未來依然成立。我們學(xué)習(xí)這些知識時不僅站在現(xiàn)在的時代背境下學(xué)，還應(yīng)對當(dāng)時的科學(xué)發(fā)展水平和歷史背境也有一定的了解。通過現(xiàn)在和過去的對比來了解知識的形成過程。在具體教學(xué)演示設(shè)計時可以利用“現(xiàn)在對比過去，歷史襯托現(xiàn)在”的思路來進行新課的引入。比如原子核式結(jié)構(gòu)的教學(xué)引入本人從現(xiàn)在和過去兩方面對比激發(fā)學(xué)生興趣來引入的：

演示描述1：在上原子核式結(jié)構(gòu)這一節(jié)課前，學(xué)生對核式結(jié)構(gòu)模型都已熟知。為了引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，我們可以將當(dāng)代最先進的顯微鏡依然無法看清原子，更無法看清原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)這一事實與早在100多年前科學(xué)家就已得出構(gòu)式結(jié)構(gòu)模型作對比來引入新課。

演示實施1：

教師：現(xiàn)在原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)是否能用科學(xué)儀器看清楚，請學(xué)生討論。

學(xué)生：提出了許多方法，有顯微鏡、X光機、B超等方法。

教師：呈現(xiàn)電子掃描隧道顯微鏡圖片說明用現(xiàn)代最先進的儀器也無法觀察到原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)。那么100年前盧瑟福是如何對原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行探索的？

學(xué)生：在這一教學(xué)演示呈現(xiàn)后既使他們產(chǎn)生了疑惑也激發(fā)了他們對學(xué)習(xí)的興趣。思維也開始被教師所構(gòu)建的教學(xué)演示所吸引。

教師：介紹發(fā)現(xiàn)核式結(jié)構(gòu)的科學(xué)家：盧瑟福的成就及背景。

演示點評1：用100年前建立的原子核式結(jié)構(gòu)模型，到現(xiàn)在依然是無法被觀察到的這一教學(xué)演示為入口，以知識形成的歷史環(huán)境和現(xiàn)在的時空差異來引發(fā)學(xué)生思考要學(xué)習(xí)的物理知識是在當(dāng)時何種條件下形成的，這樣既交代了知識形成的歷史年代，又順利的引入了新課教學(xué)。

(二)新課展開：用引發(fā)科學(xué)探究的歷史原因來構(gòu)建探究式教學(xué)演示。新出現(xiàn)的科學(xué)現(xiàn)有已有的科學(xué)知識無法解釋，這是科學(xué)探究過程的起因，隨著社會的不斷發(fā)展和對自然界認識的逐步深入，在不同的歷史時期都出現(xiàn)了這樣那樣的物理現(xiàn)象與人們原有認識產(chǎn)生沖突，正是這種沖突引發(fā)了新的科學(xué)探究。本人認為，用知識形成的歷史原因為突破口來構(gòu)建教學(xué)演示，使學(xué)生也經(jīng)歷一次認知沖突，帶著疑惑不知不覺的參與到教學(xué)過程中來。

演示描述1：在學(xué)習(xí)核式結(jié)構(gòu)前，非常有必要了解當(dāng)時科學(xué)家發(fā)現(xiàn)在原子中還打出了帶負電的物質(zhì)，從而打破了原子不可分的傳統(tǒng)觀點，引發(fā)新的科學(xué)探究過程。電子正是原子核式結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)的前提。

演示實施1：

1．教師：化學(xué)反應(yīng)中，原子的種類、數(shù)目都不變，直到19世紀末，人們一直認為原子是不可分的，直到電子的出現(xiàn)。(提問：我們高中學(xué)過那個儀器能發(fā)射電子？)

學(xué)生：因?qū)﹃帢O射線管不很熟悉，多數(shù)學(xué)生不能回答出來。

2．教師：出示陰極射線管，演示陰極射線實驗。通過課堂的實驗儀器和歷史照片對比說明1897年，英國物理學(xué)家湯姆生就是在實驗室用這個實驗發(fā)現(xiàn)了這種從陰極打出來的物質(zhì)。(提問：我們用什么方法可以驗證這種物質(zhì)的電性？這是一個探究過程的開始)

學(xué)生：在這一問題的分析過程中學(xué)生參與積極，有用加電場來驗證，有用加磁場來驗證，還有用驗電器等。對電子帶電性質(zhì)的檢驗體現(xiàn)了探究過學(xué)習(xí)的思路。

演示點評1：以湯姆生發(fā)現(xiàn)電子過程為發(fā)展線索，用現(xiàn)在高中課堂實驗儀器重現(xiàn)當(dāng)時電子的發(fā)現(xiàn)場景，用重現(xiàn)歷史曾經(jīng)出現(xiàn)的“新現(xiàn)象”來構(gòu)建出一個“新的可探究的教學(xué)演示”，使學(xué)生在這一演示中既回顧歷史，又參與探究，更增長了知識。

演示描述2：通過換位思考，全面展開探究式教學(xué)；比如核式結(jié)構(gòu)一課中，可以讓學(xué)生站在100年前的歷史背境中，讓他們來對電子的發(fā)現(xiàn)作一些合理，合情的科學(xué)猜想和探究。

演示實施2：

教師：如果你是當(dāng)時的科學(xué)家，面對原以為不可分的原子中又打出了帶負電的物質(zhì)，你會對原子結(jié)構(gòu)做哪些猜想？

學(xué)生：當(dāng)時學(xué)生根據(jù)已有認知提出了多種可能的情況，比較典型的有以下三種類型。

以上猜想是否合理的，正是探究式教學(xué)的典型教學(xué)過程。在課堂上本人作了以下引導(dǎo)：

首先讓學(xué)生通過日常生活的經(jīng)驗來分析以西瓜的肉和籽是均勻分布，而非一半是籽，一半是肉。說明科學(xué)猜想也要合乎常理。是建立在日常生活經(jīng)驗基礎(chǔ)上的。

通過多媒體展示湯姆生模型的結(jié)構(gòu)，通過正負電核的受力分析說明力學(xué)上的英國科學(xué)家湯姆生的棗糕模型更為穩(wěn)定，而且湯姆遜原子模型提出后能夠解釋當(dāng)時的一些實驗現(xiàn)象如原子發(fā)光，原子呈電中性等問題，所以在當(dāng)時是最為合理也為大家所接受的原子模型設(shè)想。

演示點評2：對新事物，新現(xiàn)象先做出自已合理的猜想是探究過程的第一步，但這種猜想并不是毫無根據(jù)的胡思亂想，而是建立在已有知識和經(jīng)驗基礎(chǔ)上的合理猜想。當(dāng)然，科學(xué)猜想的合理性并不能等同于這種猜想的正確性，所謂猜想的合理性是相對當(dāng)時技發(fā)展條件下與已有的認知水平下最為可能的猜想，至于是否正確是要隨著科學(xué)的發(fā)展和科技的進步來檢驗的。

通過我們現(xiàn)在的猜想與歷史上曾經(jīng)有過的猜想對比，使學(xué)生加深了對科學(xué)探究方法的體會。并在充份了解時代背景的情況下對當(dāng)時科學(xué)家提出的觀點與自已提出的觀點進行比較來領(lǐng)會如何根據(jù)科學(xué)現(xiàn)象通過分析來提出一個較為合理的猜想。

(三)知識探究重現(xiàn)：緊扣知識形成的“關(guān)鍵步驟”來構(gòu)建探究式教學(xué)演示：隨著歷史的一步步發(fā)展，科學(xué)猜想也經(jīng)歷著一個不斷完善的過程。在新認識的逐步形成過程中科學(xué)家們嘗試了許多探究過程，其中為新理論的形成起突貢獻的幾個關(guān)鍵探究過程是我們用來構(gòu)建探究式教學(xué)演示的最好元素。比如實驗在科學(xué)探究中有著無可替代的作用，所以重現(xiàn)形成新知識，新理論的核心實驗，讓學(xué)生通過重做知識形成的關(guān)鍵性實驗來學(xué)習(xí)物理知識，是探究性學(xué)習(xí)的有效方式。如核式結(jié)構(gòu)一課中，當(dāng)時科學(xué)家們?yōu)榱蓑炞C湯姆生的棗糕模型是否正確就是用實驗來進行的。

演示描述1：設(shè)計探究式實驗來驗證新理論的合理性：以模型類比為引導(dǎo)，說明如何對看不見，摸不著的原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行探測？

演示實施1：

教師：出示一個雜交蘋果。要求學(xué)生在不剖開蘋果的前題下設(shè)些法對該蘋果是“有核”還是“無核”進行驗證。

學(xué)生：經(jīng)過討論后形成兩種主要觀點，一種用針刺探，另一種用X射線掃描。

教師：在沒有先進儀器的情況下可用一根長針進行刺探，根據(jù)針的受力感覺來大致判斷蘋果內(nèi)部的密度和結(jié)構(gòu)等情況。原子核式結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)就是運用了這種方法。

演示點評1：類比分析后引出對原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的探究也可用同樣的思路往原子內(nèi)部打入一了些東西來進行研究。(當(dāng)遇到對學(xué)生來說過難的知識時，可以通過多媒體手段來輔助教學(xué)，在這里就可以用電腦動畫來模擬當(dāng)時的實驗。作為課堂的探究性實驗。)

演示描述2：用現(xiàn)代科技手段來模擬知識形成過程中的關(guān)鍵實驗，利用重復(fù)實驗的方法來重新完成一次科學(xué)探究，既可以使原本學(xué)生無法完成的實驗在課堂中得以展現(xiàn)，又能去繁存簡的讓學(xué)生領(lǐng)會科學(xué)探究的根本方法。如在核式結(jié)構(gòu)的教學(xué)中可以配合多媒體模擬粒散射實驗。

演示實施2：

在此教師要通過問題帶動學(xué)生進行逐步探究，用知識形成過程的實際問題來營造出探究式教學(xué)演示：

(1)為什么實驗裝置要放在真空環(huán)境中？

(2)為什么在這個實驗中采用金泊作為粒子的轟擊對像？

(3)為什么要對少數(shù)大角度偏轉(zhuǎn)的粒子重點進行偏轉(zhuǎn)原因分析，而不作為誤差而忽略不計？

(4)根據(jù)已有的實驗現(xiàn)象，建立新的核式結(jié)構(gòu)模型，并用新模型來合理解釋實驗結(jié)果。根據(jù)散射的實驗結(jié)果估算出原子核的體積只有原子體積的萬億分之一，若原子核有芝麻大小(約1mm)，則原子的體積是高達近百米的大廈。最后，對盧瑟福實驗進行適當(dāng)?shù)姆此贾赋鲈撃Ｐ偷某晒εc不足來加深學(xué)生對該結(jié)構(gòu)探索過程的了解。

演示點評2：利用重現(xiàn)知識發(fā)展過程中的關(guān)鍵性實驗，根據(jù)課堂教學(xué)的需要對原實驗進行重構(gòu)，刪繁就簡，重點突出對探究式教學(xué)有用的過程。圍繞教學(xué)目標(biāo)有選擇性的帶動學(xué)生對實驗進行有效探究。這種緊扣知識形成的“關(guān)鍵步驟”，再現(xiàn)知識的發(fā)展過程。讓學(xué)生通過模擬歷史上科學(xué)探究過程來掌握新知識，無疑將比聽老師介紹更能提高學(xué)生的思維分析能力。

(四)探究拓展：緊跟科學(xué)發(fā)展，用新科技為物理教學(xué)注入生命力。通過對知識形成過程的學(xué)習(xí)和知識產(chǎn)生背境的重現(xiàn)，就會對課本知識有個全面而深入的了解，在此基礎(chǔ)上進行拓展性學(xué)習(xí)，可以結(jié)合學(xué)生現(xiàn)有知識，結(jié)合現(xiàn)代社會的新環(huán)境，思考在當(dāng)前條件下對原有的知識探究過程可作哪些改進？

演示描述1：在現(xiàn)代成熟的科技手段下分析能否用X光對原子內(nèi)部進行X光拍照，來更清晰的了解原子核內(nèi)部的結(jié)構(gòu)？

演示實施1：

教師：在病院普遍使用的X光機能否用來對原子拍照，來看清原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)？

學(xué)生：雖然知道X光機不能照出原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)，但多數(shù)學(xué)生只知其然而不知其所以然。

演示點評1：X光是一種波長極短的電磁波。雖然在當(dāng)時已經(jīng)有成熟的X光拍照技術(shù)，但用X光是無法對比它波長還要小的原子及其內(nèi)部進行拍攝的。因為會發(fā)生衍射現(xiàn)象，無法照出原子的像。這種將歷史上形成的知識放在當(dāng)前時代背景下再來反思討論的方法使探究式教學(xué)演示構(gòu)建得以延伸和拓展。

三、總結(jié)

(一)探究式教學(xué)演示要體現(xiàn)科學(xué)探究的基本過程。知識形成過程能有效構(gòu)建教學(xué)演示，在教學(xué)演示的構(gòu)建過程中要體現(xiàn)出科學(xué)探究的基本方式方法。一個新理論建立的基本過程大多經(jīng)過以下幾步(發(fā)現(xiàn)問題——提出假設(shè)——實驗驗證——得出結(jié)論)其具體形成過程可用下圖來表示：

以原子核式結(jié)構(gòu)為例來看：由于電子的發(fā)現(xiàn)，人們認識到原子還可再分，這一新的認識，引起人們對原子結(jié)構(gòu)模型的探索。引發(fā)了原子科學(xué)的新發(fā)展。在科學(xué)史上，原子子核式結(jié)構(gòu)的建立也經(jīng)歷了科學(xué)發(fā)展的幾個典型過程：

(二)體會與反思。用知識形成過程來構(gòu)建教學(xué)演示，使學(xué)生在探究式的教學(xué)演示下進行學(xué)習(xí)，對知識不僅能知其然，而且能知其所以然。因此對物理知識的教學(xué)，要對知識的形成的歷史背景進行拓展性學(xué)習(xí)，讓知識的形成過程作為豐富教學(xué)內(nèi)容的血與肉。讓歷史重演，讓時光倒流，通過追本溯源，透徹理解知識的成因進而學(xué)會一種科學(xué)的態(tài)度和科研的方法。

將知識的發(fā)展背境與課堂教學(xué)過程有機結(jié)全，以背境促教學(xué)，以背境帶教學(xué)。通過這樣的教學(xué)處理，課堂的知識內(nèi)涵就得到了挖掘，知識點得到了加深，學(xué)生的思維也得到了有效煅煉，更能使教學(xué)過程顯的生動，教學(xué)氣氛變的熱烈。