基于核心素養(yǎng)的初中物理低成本實驗探索

林仲江

摘 要：核心素養(yǎng)的物理低成本實驗開發(fā)要求老師具備良好的核心素養(yǎng)，通過言傳身教，潛移默化地促進學生科學素養(yǎng)的提升.作為課堂教學的主導，教師應具備扎實的專業(yè)知識、不斷更新的教育理念、熟練的研究問題的方法和“信手拈來”的低成本實驗制作.以眼睛一課為例，追尋低成本實驗的探索，尋求物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng).

關鍵詞：核心素養(yǎng)；低成本實驗；初中物理教學；液體透鏡

每每想起“知識全都還給物理老師您了，學費能不能也還給我們”諸如此類的戲言，筆者不禁陷入深思：中學物理課程的價值是什么呢？大教育家馮·勞厄說過：所謂教育給予我們的就是當所有學過的都忘記后所留下來的那些東西[1].物理研究的內(nèi)容、規(guī)律和結論都極有可能隨著時間而遺忘，然而研究物理課程的思想與方法、問題解決能力、科學情感、態(tài)度與價值觀、科學精神等都將長期支持著學生終身發(fā)展與適應社會發(fā)展的人格品質和關鍵能力的物理學科素養(yǎng)以及動手能力、協(xié)作能力、集體精神、自主探究、競爭與創(chuàng)新的物理能力素養(yǎng)，是永遠不會還給物理老師的.本文以滬科版八年級物理第四章“多彩的光”第六節(jié)“神奇的‘眼睛”為例，談談低成本實驗的研究和開發(fā)，延伸凸透鏡成像知識，推進學生核心素養(yǎng)的提升.

1 變廢為寶，知識貼近生活，化抽象為直觀

物理課程是一門以實驗為主的科學，中學生對科學探究的專注度直接影響到物理知識體系的構建[2].尤其是初中物理課程中的很多知識與概念的建構，需要學生在動手實驗設計探究活動中獲得.現(xiàn)如今，手持技術、掌上技術或傳感器DIS等高大上的數(shù)字化實驗為實驗教學增色不少，與成本較高且操作技術難度大的它們相較之下，低成本物理實驗就體現(xiàn)出了成本低與高智慧的優(yōu)點[3].它貼近學習者、源于日常生活、，讓學習者真實地體會到物理與日常生活的密切聯(lián)系，高于生活.低成本實驗器具是指利用生活中廢棄的、低廉的材料自行制作的用于實驗探究的實驗器具.朱正元教授提倡“瓶瓶罐罐當器材，拼拼湊湊真實驗”、李政道博士指出：“師生自己動手設計制作的教具，比買來的用得順手、實在”.

例如：眼睛的成像原理及調(diào)節(jié)方式等知識教材是以圖片方式呈現(xiàn)，如圖1a所示視力正常時，眼睛看遠處時，相當于凸透鏡的晶狀體折光能力變差，焦距增長，遠處的光經(jīng)折射后成像在視網(wǎng)膜上，人便看清物體.圖1b正常眼看近處時，晶狀體要凸起程度變大，聚光能力變強，焦距變短.本節(jié)課是凸透鏡成像規(guī)律的應用，教材利用固體凸透鏡模擬眼球的晶狀體，然而在探究眼球視物的原理時，由于實驗室配備的都是固定焦距的凸透鏡，難以模仿人眼變焦調(diào)節(jié)的作用.目前有些老師采用兩個不同焦距的凸透鏡，演示遠處的光（平行光）經(jīng)凸透鏡折射后，會聚距離不同.也有些老師簡單取來裝有半瓶礦泉水的透明水瓶，通過擠壓實現(xiàn)變焦，以上兩種各有缺陷，前者無法連續(xù)變焦，后者成像模糊且難以收集.

為了模擬正常眼睛視物，筆者采用液體透鏡實現(xiàn)連續(xù)變焦調(diào)節(jié)，具體做法如下：

拾取透明可樂瓶或者襯衫衣領定型透明塑料片，用美工刀取下長、寬分別為16厘米、3厘米的長方形透明塑料片，對折、頭尾用502膠水膠好定型成凸起程度可變的形似凸透鏡的兩端開口的容器，再其地下鋪放一張彈性好的薄膜做底，用膠水膠好壓牢，再用美工刀減去多余的薄膜（如圖2a）.將三線平行光（模擬遠處的光）照到水透鏡上，通過拉伸使水透鏡凸起程度變小，三線平行光會聚于“視網(wǎng)膜”上，模擬正常眼看遠處的物體（如圖2b）；將三線光調(diào)成微發(fā)散光（模擬近處的光）擠壓使水透鏡凸起程度變大，觀察光線會聚于“視網(wǎng)膜”上，模擬正常眼看近處物體.得出結論，凸透鏡曲率變大時，對光的會聚能力變強，焦距變短，適合看近處；反之，會聚能力變?nèi)?，焦距變長，適合看遠處.

如圖2c，由于青少年用眼不衛(wèi)生，長時間看手機、電視、電腦或書籍，晶狀體長時間處于凸起狀態(tài)，看遠處時，對遠處的光線會聚能力強，焦距短，導致成像（會聚）在視網(wǎng)膜前，看不清遠處，這是近視眼.遠處平行光束經(jīng)睫狀體調(diào)節(jié)放松的晶狀體折射后，成像于會聚視網(wǎng)膜的后面的一種屈光狀態(tài)稱為遠視眼.當晶狀體的折射率較弱或其眼軸長度太差時就形成遠視（如圖2d）.遠視眼疾病人可通過一定的調(diào)節(jié)讓平行光會聚處適當往前靠近到視網(wǎng)膜上，以便獲得相對清晰的長距離視力，不過看近處時，它要付出更大的視力調(diào)節(jié)度，確切的說遠視眼遠近都是看不清的，觀看遠處所要付出的調(diào)節(jié)量較小，患者在感覺上較看近處更舒適、輕松.由于屈光度不夠，近處光無法會聚成像在視網(wǎng)膜上.

教師通過與同學合作制作變焦液體透鏡，它可以模擬近視時的晶狀體屈光力太強，也可以說明遠視患者屈光力不足致使成像在視網(wǎng)膜后，極大方便學生的最近學習發(fā)展區(qū)域，培養(yǎng)學生利用低成本實驗解釋疑問，消除學生畏難心理，在仿真情境中建構知識，讓學生未來自我發(fā)展、人與人之間的協(xié)作及應變能力、創(chuàng)造、創(chuàng)新力的養(yǎng)成奠定了堅實的能力基礎.學生在探究前基本知道了結論，探究過程中既不可能也沒有時間思考“可能存在的問題”，長期這樣的重復訓練永遠達不到發(fā)展學生問題意識和探究能力的目的，不能促進學生真正理解科學探究的精髓，可見物理核心素養(yǎng)要求學生做真探究.

2 師生互補，能力起于自主，變被動為主動

低成本自制實驗器具濃縮了制作者的精華，是無可替代的.縱觀近些年的中考以及我市實驗技能競賽試題，自主設計的實驗探究越來越多，要是教師在課堂中適當利用低成本自制實驗器材進行課堂教學或者師生共同開發(fā)實驗器具，學生的問題解決能力、創(chuàng)新與競爭能力、自主探究能力將有效提高.由此可見，低成本實驗優(yōu)化了廣大一線教師的課堂教學實效及提升學生核心素養(yǎng).

在實際課堂教學中，教師常用凸透鏡模擬眼睛的晶狀體，改變燭焰（光源）到凸透鏡的距離模擬遠近不同的物體，要使這些像成在白屏上，需要更換不同焦距的凸透鏡才有可能，而且移動光屏（視網(wǎng)膜）到透鏡（晶狀體）的距離，探究操作的難度大，實效差，且此種凸透鏡的焦距不可能連續(xù)可變，對實際教與學帶來麻煩.因而筆者與學生共同查閱資料，變焦液體透鏡替代玻璃透鏡，通過改變液體透鏡的曲率來改變折光效果，從而改變焦距，它改進了原有的器材不足，實現(xiàn)連續(xù)變焦的作用，以學生為主體，在活動中學習，樂中學，教師引導、參謀，不再包辦.

可變焦液體透鏡的制作：

（1）制作材料：廢棄凸透鏡外框如圖3（或PVC水管），透明橡膠彈性薄膜，502膠水，美工刀，剪刀，注射器及自行車氣門芯及膠管，酒精燈及火柴.

（2）制作過程：用鉗子夾住氣門芯在酒精燈上加熱，然后鉆進透鏡外框正上方（手柄正上方）氣門芯只透過一小點，再用502膠水將它們膠牢封閉.事先用刀剪好二塊等大的圓形薄膜，然后如圖3所示放置凸透鏡，在透鏡邊沿均勻涂上膠水，再將圓形薄膜正壓在它上方5秒鐘.隨后同樣方法膠牢另一面.注意橡膠薄膜應在自然（不受力）狀態(tài)下粘貼，不可用力拉伸，以免兩面的拉伸程度不一樣，產(chǎn)生不一樣的效果，隨后減去多余橡膠薄膜.接著將注射器、膠管、氣門芯組裝好，往里面注水，同時注意排除里面的空氣，確保水透鏡充滿水，沒有氣泡.通過適當注水或吸水，變焦水透鏡制作完成.本實驗器材的設計，學生參與度高，變被動填鴨接受為主動探究，獲取實驗結論的渠道有別于以往的假探究，高分低能，真正發(fā)展學生核心素養(yǎng).

3 分工合作，復習源于平時，轉迷茫為明朗

物理實驗要深入，需要大量時間和精力，在短暫的復習時間內(nèi)，高效實驗復習必然是師生共同的追求.在復習期間，開放實驗室，讓學生親自動手實驗，再現(xiàn)知識來源，深化知識理解.較之于背實驗、囫圇吞棗定是強于百倍.教學過程中主動收集平時的低成本實驗，學生自制的實驗及探究過程有意拍錄，按知識點整理分類，在實驗復習中必然有大作為.低成本自制探究實驗過程對于喚醒學生淡忘知識將發(fā)揮重要作用.如：學生利用自制照相機裝置，有助于高效復習神奇的眼睛一課中放大鏡、照相機、投影儀的工作原理.讓學生分組探究投影儀的鏡頭讓物體成放大倒立實像，只要將光源放置講臺桌上，讓自制投影儀靠近光源，天花板上將有物體放大的像，在用一面平面鏡改變光路，投影在白墻上.將它遠離光源，將在照相機底片（半透明薄膜）上呈現(xiàn)倒立縮小的實像.在平日操作中，學生小組分工合作，將探究過程拍錄下來，分類整理，復習過程回放喚醒沉睡的知識，變迷茫的炒冷飯復習為明朗的知識喚醒.它提升了學生的物理學科素養(yǎng)，是物理課程的價值所趨.

核心素養(yǎng)的物理低成本實驗開發(fā)要求老師具備良好的核心素養(yǎng)，通過言傳身教，潛移默化地促進學生科學素養(yǎng)的提升.在學生求索未知世界、建構知識、能力發(fā)展等過程中，離不開物理教師對事物的解析、引領示范；離不開適時的活動啟發(fā)和引導，在這個過程中無不融入教師對事物發(fā)展的理解、教師個人的情感、態(tài)度、核心價值觀.作為課堂教學的主導，一線教師必備扎實高超的理論專業(yè)知識、并要不斷自我更新的教育教學理念、熟練的研究問題的方法、和信手拈來的低成本實驗制作.平時在常見不過的壇壇罐罐瓶瓶，都可能帶給學生極大的沖擊.這種出自老師與學生之手共同制作的教具，研究的物理問題，如此的教學研究思路，對學生的科學素養(yǎng)提升、未來自我追求和發(fā)展將有大裨益.低成本物理實驗主要利用了日常生活常見材料，既貼近生活、廢棄物再利用，有利于激發(fā)中學生的好奇心和延長物理學習興趣持久度[4].如此一來，學生就不會說：知識都還給老師了.物理核心素養(yǎng)的低成本實驗探索要求教師要更新教學觀，以學生的物理核心素養(yǎng)的提升作為目標，關注學生知識的建構形成和應用，創(chuàng)設有助于科學能力發(fā)展的學習和研究情景，言傳身教提升學生的物理學科核心素養(yǎng).參考文獻：

[1]林欽.關于核心素養(yǎng)導向的中學物理教學的思考[J].課程·教材·教法，2015（12）90-95.

[2]王較過，李明.對中學物理實驗教學進行改革的嘗試[J].物理教學探討（中學教學教研專輯），2008（3）.

[3]王晨宇.低成本物理實驗的自動化電路設計[J].物理實驗，2014（4）

[4]林欽.基于探究能力發(fā)展的探究水平研究 [J].教育評論，2014（8）

[5]曹蘊瑞.學生實驗用可變焦水透鏡的設計及制作[J].物理教學探討，2014（9）.

[6]柳華.探究性教學過程的組織與學習興趣的激發(fā)[J].物理與工程，2005，15（5）.