基于學(xué)科素養(yǎng)的物理實(shí)驗(yàn)情境教學(xué)

涂振章

實(shí)驗(yàn)作為物理教學(xué)的重要基礎(chǔ)、重要內(nèi)容、重要方法和重要手段，具有重要的地位和作用。但是，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，仍存在著明顯的不足，主要表現(xiàn)有：“只注重實(shí)驗(yàn)的數(shù)量，不注重實(shí)驗(yàn)過程的教學(xué)質(zhì)量”；“學(xué)生實(shí)驗(yàn)只注意動手能力的訓(xùn)練，不重視思維能力的培養(yǎng)”；“測量、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)較多，探索、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)較少”；“只重視獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)論，不重視展示實(shí)驗(yàn)過程”等。

教學(xué)調(diào)查表明，這樣的實(shí)驗(yàn)教學(xué)使多數(shù)學(xué)生產(chǎn)生“實(shí)驗(yàn)只是看看有味，做做有趣、實(shí)際并沒有多大意思（或作用）”的反應(yīng)。在教學(xué)中我們只是憑著物理實(shí)驗(yàn)本身具有的形象鮮明的特點(diǎn)，自然地激發(fā)和滿足了學(xué)生的知覺好奇，而忽視了思維由形象向抽象的提升，以及更高層次的思維動機(jī)的激發(fā)和強(qiáng)化。例如教學(xué)“物體內(nèi)能的變化、熱和功”時有個演示實(shí)驗(yàn)：壓縮厚玻璃筒中的空氣，使空氣內(nèi)能增加溫度升高，從而使筒內(nèi)易燃物著火。實(shí)驗(yàn)中明亮的火花給學(xué)生以鮮明深刻的印象。然而，實(shí)驗(yàn)的研究對象是什么（空氣）？為什么要放入易燃物（顯示氣溫的升高）？實(shí)驗(yàn)要說明什么？對這一系列重要的問題，在火花閃過之后學(xué)生常常仍不清晰、不明確，強(qiáng)烈的視覺感受反而抑制了對重要問題的關(guān)注與思考。但若改變教材上一舉成功的做法，而是實(shí)驗(yàn)時厚玻璃簡內(nèi)先不放易燃物，壓縮筒內(nèi)空氣。要求學(xué)生仔細(xì)觀察空氣的內(nèi)能有無增加。學(xué)生就會感到困惑：空氣內(nèi)能增加與否怎能看得見？此時自然地引出一個實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的問題情境：怎樣變“不可見”為“可見”？順著這樣的思路展開過程組織實(shí)驗(yàn)教學(xué)，由于實(shí)驗(yàn)是學(xué)生主動參與設(shè)計(jì)的，設(shè)計(jì)目的明確，實(shí)驗(yàn)后學(xué)生無論是對實(shí)驗(yàn)所揭示的結(jié)論還是實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思想均留下了深刻的認(rèn)識和理解，甚至終生難忘?？梢?，重視問題情境的創(chuàng)設(shè)和思維動機(jī)的激發(fā)是優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程的一條有效途徑。物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)以實(shí)驗(yàn)為載體展開過程，以問題為線索，力求實(shí)驗(yàn)與思維有機(jī)結(jié)合，層層遞進(jìn)，使學(xué)生始終處于積極參與的狀態(tài)之中，這樣既優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過程，展現(xiàn)了物理學(xué)自身的魅力，又體現(xiàn)學(xué)科素養(yǎng)的要求。

一、創(chuàng)設(shè)問題情境，展現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思想

設(shè)計(jì)思想是為了解決問題而思維的結(jié)果，對于課本上大量的演示實(shí)驗(yàn)和學(xué)生實(shí)驗(yàn)，我們不能采取簡單的“拿來主義”，照方抓藥，機(jī)械操作，而應(yīng)該通過創(chuàng)設(shè)問題情境，如：“應(yīng)該進(jìn)行怎樣的設(shè)計(jì)？”“為什么要這樣做？”“換一種方法能不能做？”等等，有意識地創(chuàng)造一種探索的氛圍，盡量展現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)過程，使之成為師生共同參與的“亞研究”過程。以此來滲透物理思想，啟迪學(xué)生思路。

例如“驗(yàn)證動量守恒定律”實(shí)驗(yàn)，我先給學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)器材，讓學(xué)生體驗(yàn)如何根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康娜ゴ_定研究對象。接著提出如下問題，引導(dǎo)學(xué)生自己得出結(jié)論。

問題1：利用什么器材能使小球獲得穩(wěn)定的速度？

結(jié)論：利用斜槽，并讓小球從等高處靜止釋放。

問題2：設(shè)計(jì)怎樣的碰撞過程可使實(shí)驗(yàn)簡單又合理？

結(jié)論：一球靜止，對心正碰。

問題3：根據(jù)提供器材能否直接測量小球碰撞前后的速度？利用學(xué)過的運(yùn)動知識，是否可以進(jìn)行物理量的轉(zhuǎn)化測量？還應(yīng)該設(shè)計(jì)怎樣的運(yùn)動過程？

結(jié)論：等高平拋，將較難測量的速度巧妙轉(zhuǎn)化為較易測量的位移，等等。

問題4：請同學(xué)們自己設(shè)計(jì)其它實(shí)驗(yàn)方案驗(yàn)證動量守恒定律。

結(jié)論：兩擺球的擺動碰撞；斜面上的小車碰撞（利用打點(diǎn)計(jì)時器）；沖擊擺裝置；氣墊導(dǎo)軌?；瑝K和數(shù)字計(jì)數(shù)器等。

對于物理學(xué)中的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，我們也應(yīng)積極創(chuàng)設(shè)問題情境，引導(dǎo)學(xué)生去追溯物理學(xué)家思考研究的源頭，他們那精巧的設(shè)計(jì)，獨(dú)到的方法、深刻的分析，都是值得我們繼承和發(fā)揚(yáng)的瑰寶。例如伽利略研究物體機(jī)械運(yùn)動的規(guī)律，曾無數(shù)次進(jìn)行斜面實(shí)驗(yàn)，為什么選用斜面？（沖淡重力，放大時間）：卡文迪許利用扭秤實(shí)驗(yàn)，第一次測得了萬有引力恒量，它是如何放大微小引力的作用效果的？實(shí)驗(yàn)原理設(shè)計(jì)中進(jìn)行了哪三次轉(zhuǎn)化和三次放大？等等，從中吸取物理思想的營養(yǎng)。

二、創(chuàng)設(shè)問題情境，拓展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

物理規(guī)律的表現(xiàn)形式是多層次、多側(cè)面的，各種物理現(xiàn)象也是豐滿、立體的，但教材為我們提供的實(shí)驗(yàn)方案卻往往著眼于單層次、單側(cè)面的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，因而有著較大的局限性或單調(diào)性。為此，我們有必要對原有的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容方案進(jìn)行適當(dāng)?shù)耐卣购脱a(bǔ)充，積極創(chuàng)設(shè)問題情境，盡量讓學(xué)生能從多層次、全方位地去認(rèn)識物理規(guī)律的全貌。

例如，教學(xué)“變壓器”課題時，教材僅利用幾個定量實(shí)驗(yàn)近似地得出了理想變壓器的電壓關(guān)系、電流關(guān)系或功率關(guān)系。由于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單調(diào)，學(xué)生對變壓器難以留下深刻的印象：為充分展示變壓器的工作原理和工作特性，我們可以在上述實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，盡量豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，變靜態(tài)實(shí)驗(yàn)為動態(tài)實(shí)驗(yàn)，繼續(xù)創(chuàng)設(shè)問題情境如下。

問題1：當(dāng)變壓器原副線圈的匝數(shù)之比發(fā)生變化（變大或變小）時，副線圈的輸出電壓將隨之怎樣變化？

演示實(shí)驗(yàn)如圖1（a）將導(dǎo)線繞上鐵芯或逐漸拉出，觀察燈泡亮度變化而得出結(jié)論。

問題2：若鐵芯沒有閉合，原副線圈有無發(fā)生電磁感應(yīng)？那么閉合鐵芯起何作用？演示實(shí)驗(yàn)如圖1（b），將鐵芯逐漸閉合，觀察燈泡亮度變化而得出結(jié)論。

問題3：當(dāng)變壓器的負(fù)載（或負(fù)載電阻）發(fā)生變化時，原副線圈中的電流，輸入、輸出功率將會如何改變？

演示實(shí)驗(yàn)如圖1（c），將電鍵逐個閉合，使燈泡依次都接入電路，觀察電流表示數(shù)的變化，分析得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

教學(xué)實(shí)踐表明，只有建立在如此豐厚的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的物理概念、規(guī)律或模型，才能使學(xué)生建構(gòu)起良好的認(rèn)識結(jié)構(gòu)。

三、創(chuàng)設(shè)問題情境，擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)成果

實(shí)驗(yàn)完成之后，不但要引導(dǎo)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析、總結(jié)，并且要對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行恰當(dāng)?shù)难由?，盡可能擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)的成果，通過創(chuàng)設(shè)問題情境來借題發(fā)揮，“一題多解”、“一題多變”、“一物多聯(lián)”等，從不同角度，用不同方法進(jìn)行變式實(shí)驗(yàn)，這對深化理解物理知識，克服思維定勢，促進(jìn)知識的遷移和運(yùn)用都十分有益。

例如，教學(xué)“電場中的導(dǎo)體”課題時，教材中用法拉第圓筒實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證“處于靜電平衡狀態(tài)下的帶電導(dǎo)體，凈電荷只分布在導(dǎo)體的外表面，導(dǎo)體內(nèi)部沒有凈電荷”。分別通過（如圖2）甲、乙所示的兩次操作， 有力地證明了上述結(jié)論的正確性。演示到此我們并不作罷，而是繼續(xù)創(chuàng)設(shè)問題情境，進(jìn)行變式實(shí)驗(yàn)。

問題1：如圖3所示的兩個驗(yàn)電器A與B的頂端各安裝了一個金屬圓筒，驗(yàn)電器B帶有電荷?，F(xiàn)若用帶有絕緣柄的金屬小球e把B上的電荷盡量多的搬移至A，應(yīng)把e分別與B及A的外壁接觸還是內(nèi)壁接觸？為什么？重復(fù)多次后A的箱片張角能否比B的箔片張角大？

問題2：在如圖2實(shí)驗(yàn)中，如果我們不用e，而是用絕緣的導(dǎo)線將A的金屬球C的外部連接，這時A、B的箔片張角將如何變化？為什么？若導(dǎo)線連接的是C的內(nèi)部，情況又怎樣？

問題3：如圖3實(shí)驗(yàn)中，如果我們也不用e，而用絕緣的導(dǎo)線連接A和B，則應(yīng)如何連接才能使A帶上較多的電荷？為什么？

這些新的問題激發(fā)了學(xué)生新的熱情和思維，這時我并沒能急于實(shí)驗(yàn)，而是讓學(xué)生展開討論，對問題進(jìn)行分析解釋，充分發(fā)表見解，之后才用實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證，當(dāng)學(xué)生分析出錯時，利用靜電平衡知識給予啟發(fā)式點(diǎn)撥。這樣通過對一個演示實(shí)驗(yàn)的繼續(xù)，深化了學(xué)生對電場知識的理解，優(yōu)化了學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)，對提高學(xué)生的解題能力也大有裨益。

總之，不能認(rèn)為有了實(shí)驗(yàn)就一定是啟發(fā)式教學(xué)，學(xué)生一定會學(xué)得生動，通過創(chuàng)設(shè)物理實(shí)驗(yàn)情境來優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)，與其說是操作技術(shù)問題，還不如說是教學(xué)觀的問題，確認(rèn)學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體，增強(qiáng)學(xué)生的參與意識，積極創(chuàng)設(shè)問題情境，充分喚起學(xué)生的思維，引導(dǎo)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行解釋分析，并發(fā)展實(shí)驗(yàn)的成果，從而達(dá)到提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的根本目的。