談科學(xué)思維導(dǎo)向的初中物理實驗探究類微課資源的設(shè)計

林自強(qiáng)

摘 要：本文介紹實驗探究類微課資源設(shè)計的理論依據(jù)、教學(xué)實踐以及教學(xué)感悟。通過分三個主題介紹微課資源設(shè)計案例，展現(xiàn)此類微課設(shè)計在突破難點的過程中鍛煉物理學(xué)科科學(xué)思維，養(yǎng)成核心素養(yǎng)的作用。

關(guān)鍵詞：實驗探究類；微課設(shè)計；科學(xué)思維導(dǎo)向

筆者參加了福州市教育科學(xué)研究規(guī)劃“十三五”規(guī)劃2017年度立項課題“基于核心素養(yǎng)導(dǎo)向的初中物理教學(xué)難點的深層研究”。針對某些難點，內(nèi)化物理學(xué)研究方法進(jìn)行微課流程設(shè)計，不僅幫助學(xué)生突破學(xué)習(xí)難點，還鍛煉具有深刻性、批判性的科學(xué)思維，構(gòu)建學(xué)生物理學(xué)科核心概念、規(guī)律，養(yǎng)成重實證的意識。

1 理論依據(jù)

義務(wù)教育物理課程應(yīng)注重讓學(xué)生自己經(jīng)歷探究過程，學(xué)習(xí)科學(xué)知識和科學(xué)探究方法，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，提高他們面對新情境時解決問題的能力[ 1 ]。物理學(xué)科核心素養(yǎng)中科學(xué)思維是指從物理學(xué)視角對客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識方式，是基于經(jīng)驗事實建構(gòu)理想模型的抽象概括過程；是分析綜合、推理論證等科學(xué)思維方法的內(nèi)化；是基于事實證據(jù)和科學(xué)推理對不同觀點和結(jié)論提出質(zhì)疑、批判，進(jìn)而提出創(chuàng)造性見解的能力與品質(zhì)[ 2 ]。“科學(xué)思維”主要包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素[ 2 ]。實驗探究類微課則是微型化教學(xué)視頻，圍繞某個知識點展開。可以通過技術(shù)手段，再現(xiàn)或放大一些有難度、有特色、有危險的演示實驗，展示出課堂不易觀察到的事實現(xiàn)象。以科學(xué)思維為導(dǎo)向的微課品質(zhì)，不是簡單地由展現(xiàn)的技術(shù)形式?jīng)Q定，更取決于有層次的設(shè)計。物理學(xué)研究方法正是破解學(xué)習(xí)難點的“特征不變量”。每節(jié)微課都有相對完整的觀察、綜合分析、鞏固練習(xí)的過程，使學(xué)生有能力基于事實、深入思辨、及時反饋。筆者結(jié)合課題研究成果，分主題介紹以科學(xué)思維為導(dǎo)向的微課設(shè)計在突破學(xué)習(xí)難點上的嘗試。

2 設(shè)計案例

2.1 質(zhì)疑創(chuàng)新、科學(xué)論證主題

以“碘的升華和凝華”微課資源設(shè)計為例：

（1）設(shè)計背景

學(xué)生觀察滬科版九年級教材演示實驗“酒精燈加熱碘升華”，常見以下幾個誤區(qū)。其一，碘只會升華和凝華；其二，碘可能經(jīng)歷熔化再汽化的過程。這說明該演示實驗未能有效的揭示本質(zhì)，而發(fā)現(xiàn)問題、表達(dá)問題、分析問題的過程又能鍛煉學(xué)生“質(zhì)疑、推理、論證”的能力，是寶貴的生成資源。

（2）資源設(shè)計

微課視頻設(shè)計四個環(huán)節(jié)：①實驗演示；②實驗反思③實驗改進(jìn)；④實驗拓展。

第一個環(huán)節(jié)介紹裝置、演示酒精燈加熱碘錘的實驗。視頻先展播碘錘中的碘受熱后的變化，再按照12倍速度播放碘錘冷卻后的變化，最后再倒置碘錘重新加熱觀察碘的變化。引導(dǎo)學(xué)生分析實驗現(xiàn)象得結(jié)論，引入升華和凝華的定義。

第二個環(huán)節(jié)設(shè)計題干：“小聰查閱資料發(fā)現(xiàn)如表1所示的數(shù)據(jù)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，他認(rèn)為剛才所做的實驗中，碘可能經(jīng)歷了由固態(tài)到液態(tài)再到氣態(tài)的變化過程。只不過密閉的玻璃錘中較難觀察，所以剛才的實驗并不能得出碘升華的結(jié)論。”提出問題，該怎樣驗證碘能夠直接從固態(tài)轉(zhuǎn)變成氣態(tài)呢？

第三個環(huán)節(jié)針對玻璃器皿傳熱慢、紫色碘蒸氣濃烈等缺點，選擇在開放的化學(xué)消毒柜中用鐵勺子盛裝碘顆粒再實驗。引導(dǎo)學(xué)生觀察碘受熱后的物態(tài)變化。進(jìn)而視頻展播碘在鐵勺中發(fā)生了熔化、汽化現(xiàn)象。再引導(dǎo)學(xué)生分析現(xiàn)象，歸納結(jié)論：①碘受熱可以由固態(tài)變成液態(tài)，發(fā)生熔化現(xiàn)象；②碘受熱可以由液態(tài)變成氣態(tài)，發(fā)生汽化現(xiàn)象。由于碘蒸氣也可能來自汽化，這個實驗依舊不能說明碘可以直接從固態(tài)變成氣態(tài)。進(jìn)一步反思，有沒有其他方法可以驗證碘能夠升華呢？

第四個環(huán)節(jié)請學(xué)生選擇合適的器材，結(jié)合表1中的數(shù)據(jù)，設(shè)計一個實驗方案，驗證碘可以從固態(tài)直接轉(zhuǎn)變成氣態(tài)。要求：①寫出實驗步驟； ②寫出判斷依據(jù)和方法。提供的器材有：鐵架臺、碘顆粒、酒精燈、火柴、支架、試管、石棉網(wǎng)、燒杯和水、玻璃片。

2.2 科學(xué)推理、科學(xué)論證主題

以“托里拆利實驗原理的探究”微課資源設(shè)計為例：

（1）設(shè)計背景

由于教材只給出結(jié)論式的表達(dá)：“正是管外汞面上受到的大氣壓強(qiáng)支持著玻璃管內(nèi)760mm高的汞柱[ 3 ]?！睂W(xué)生對研究對象的選取、實驗原理模糊不清，形成了學(xué)習(xí)上的一個難點。但是學(xué)生接觸過實驗加推理的方法。如果能創(chuàng)設(shè)情境引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行演繹推理，不僅能幫助學(xué)生了解原理的力學(xué)本質(zhì)，破除難點，還能幫助學(xué)生建構(gòu)模型、內(nèi)化物理學(xué)研究方法。

（2）資源設(shè)計

微課視頻設(shè)計為三個環(huán)節(jié)：①提出問題；②實驗視頻展播并分析總結(jié)；③當(dāng)堂反饋。

第一個環(huán)節(jié)介紹 “300多年前意大利煤礦抽水時，水柱總是到十米多就不再上升?！币源私栴}情境，激發(fā)學(xué)生思考。

第二個環(huán)節(jié)設(shè)計共六個步驟。①視頻演示吊起一根三至四米多高的透明塑料管，一端插入紅墨水，另一端連接一雙用打氣筒。引導(dǎo)學(xué)生確定管內(nèi)一小液片為研究對象，使用特寫鏡頭幫助觀察不抽氣時塑料管內(nèi)外液面的高度。引導(dǎo)學(xué)生分析現(xiàn)象，思考管外大氣壓強(qiáng)p0與管內(nèi)液片上方的大氣壓強(qiáng)p0（如圖1甲）的關(guān)系。②采用畫中畫的技術(shù)手段，視頻演示用雙用打氣筒抽一部分空氣，讓學(xué)生觀察現(xiàn)象。引導(dǎo)學(xué)生對比第二次和第一次實驗，發(fā)現(xiàn)管外的壓強(qiáng)不變，還是大氣壓強(qiáng)P0。對比管內(nèi)的現(xiàn)象，分析第二次管內(nèi)液片上方壓強(qiáng)等于什么，列出等式（如圖1乙）。③視頻演示再抽出一部分空氣，讓學(xué)生觀察現(xiàn)象。引導(dǎo)學(xué)生對比第三次和第二次實驗管外的壓強(qiáng)還是不變，等于大氣壓強(qiáng)P0。對比管內(nèi)的現(xiàn)象，分析管內(nèi)液片上方壓強(qiáng)變化趨勢（如圖1乙箭頭所示）。④動畫演示在實驗基礎(chǔ)上進(jìn)行推理，引導(dǎo)學(xué)生推理如果水柱上方被抽成真空，分析管內(nèi)液片上方壓強(qiáng)等于什么，列出等式（如圖1丙）。⑤視頻演示教師在教學(xué)樓附近用水柱做實驗，引導(dǎo)學(xué)生感受做實驗時不便之處，改進(jìn)實驗器材（換密度較大的液體水銀）。⑥視頻演示托里拆利實驗過程，引導(dǎo)學(xué)生分析當(dāng)時當(dāng)?shù)氐拇髿鈮簭?qiáng)值。

第三個環(huán)節(jié)設(shè)計試題，例如要求學(xué)生根據(jù)水銀柱展示不同高度、不同傾角讀取圖中大氣壓強(qiáng)值等。

2.3 模型建構(gòu)、科學(xué)推理主題

以“力臂概念的建立”微課資源設(shè)計為例：

（1）設(shè)計背景

力臂教學(xué)難點在教具制作和概念的推導(dǎo)上，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中較難通過自習(xí)或者強(qiáng)記這個概念。同時，存在“找點線”和“畫圓”兩種經(jīng)典案例?！罢尹c線”能直擊問題的本質(zhì)，但操作難度更大；“畫圓”滲透數(shù)學(xué)知識強(qiáng)化等量意識，但問題呈現(xiàn)特別是圓的呈現(xiàn)比較突兀，各有優(yōu)劣。如果突破教具上限制，同時做好數(shù)學(xué)知識的鋪墊，或可以合二為一，取長補(bǔ)短，幫助學(xué)生破除難點。

（2）資源設(shè)計

微課視頻設(shè)計為三個環(huán)節(jié)：①演示實驗展播引導(dǎo)建立概念；②課件演示展播介紹力臂作圖、學(xué)科滲透深化概念；③當(dāng)堂練習(xí)。

第一個環(huán)節(jié)，視頻展播教師演示實驗，共有七個步驟。①先用磁吸掛鉤吸附在黑板上，用一米長輕質(zhì)木條作杠桿掛在掛鉤上。以掛鉤做支點，在支點左右兩側(cè)同一直線各分布九個等距作用點。實驗開始前，調(diào)節(jié)平衡螺母使杠桿在水平位置保持平衡。②在左側(cè)點六位置掛上兩個鉤碼，松手后，要求學(xué)生觀察現(xiàn)象。為使杠桿平衡，在右側(cè)的點三位置掛上四個鉤碼（FA），松手后，引導(dǎo)學(xué)生觀察現(xiàn)象。③接下來，依次逐個改變點三位置力的大小、方向、作用點，引導(dǎo)學(xué)生觀察現(xiàn)象歸納結(jié)論。④再保持力的大小不變，同時改變力的作用點和方向，引導(dǎo)學(xué)生猜想、觀察現(xiàn)象。當(dāng)發(fā)現(xiàn)杠桿保持在水平位置平衡后，引導(dǎo)學(xué)生分析兩個力的三要素和效果，提出問題：是否存在一個量與力的方向、作用點都有關(guān)，在兩次實驗中是相等的，并能替代方向、作用點的共同作用產(chǎn)生一個相同效果？如果找到這個等量，將會極大簡化研究的問題。⑤這時引入力的作用線的定義，引導(dǎo)學(xué)生分析兩次實驗支點是相同的，這個等量可能與支點和力的作用線都有關(guān)系。⑥然后借助自制刻度尺教具測量支點到FA力的作用線的距離對比支點到FB力的作用線的距離，幫助我們找到這個等量。⑦最后引導(dǎo)出力臂的定義。

第二個環(huán)節(jié)，設(shè)計有三個步驟。①先運(yùn)用錄屏軟件（CamtasiaStudio）錄下課件展播力臂作圖流程，總結(jié)方法，演示畫出FA和FB的力臂lA、lB（如圖2）。②然后設(shè)計以支點為圓心，以lA的長做半徑畫一個圓。滲透數(shù)學(xué)幾何知識，引導(dǎo)學(xué)生找出lA、lB與各自力作用線的關(guān)系（垂直），強(qiáng)化等量意識。③最后設(shè)計在圓上再做一個切線（過右側(cè)作用點五），然后撤去正在作用的力FB，在右側(cè)點五的位置沿切線的方向施加一個新的力FC。使FC的作用效果等于FA或FB單獨作用時產(chǎn)生的效果，并使FC的大小等于FA或FB的大小，引導(dǎo)學(xué)生猜想FC對應(yīng)的力臂lC的大小等于多少，說明理由。

第三個環(huán)節(jié)，布置當(dāng)堂練習(xí)精選作圖兩道，選擇一道。例如：

如圖3所示，可繞O點轉(zhuǎn)動的輕質(zhì)杠桿，在D點掛一個重為G的物體M。用一彈簧測力計依次在A、B、C三點沿與圓O相切的方向用力拉，都使杠桿在水平位置平衡，讀出三次的示數(shù)分別為F1、F2、F3，則（ ）[ 4 ]

A.F1

B.F1>F2>F3>G

C.F1=F2=F3=G

D.F1>F2=F3=G

3 教學(xué)感悟

（1）信息技術(shù)巧助攻

實驗探究類微課資源包，好比一個數(shù)字化的“信息窗”。如果上傳至騰訊課堂組建成資源庫，學(xué)生可以根據(jù)自己的學(xué)習(xí)進(jìn)度、學(xué)習(xí)問題，挑選需要的微課學(xué)習(xí)。微課制作軟件（CamtasiaStudio）提供了大量的技術(shù)手段如視頻剪輯、加標(biāo)注、加畫中畫、加講解字幕等，這是教師當(dāng)場演示或?qū)W生分組實驗無法比擬的。比如第一例中使用滬科版教材教學(xué)很少涉及碘的熔化和汽化。由于碘蒸氣呈紫色，濃度大，在實驗室中也很難展現(xiàn)碘熔化的演示效果。筆者通過化學(xué)消毒柜外加電吹風(fēng)輔助，抵進(jìn)拍攝下碘在鐵勺中熔化再汽化的現(xiàn)象，有力的形成了認(rèn)知沖突。又如第三例中通過視頻剪輯，在黑板實驗圖片基礎(chǔ)上加入一個圓，解決了真實實驗較難操作的問題。

（2）思維鍛煉有層次

符合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律，能推進(jìn)思維深度的教學(xué)設(shè)計才是微課的核心。比如第一例中學(xué)生在學(xué)完微課，設(shè)計實驗方案的過程中需要運(yùn)用熔化條件、沸騰條件、表格數(shù)據(jù)分析實驗現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)問題，分析問題再聯(lián)想水浴法解決問題。使其經(jīng)歷了觀察、質(zhì)疑、猜想、驗證、再設(shè)計的過程，思維鍛煉有層次。再如第二例中以問題產(chǎn)生的歷史背景為情境，應(yīng)用實驗加推理的方法進(jìn)行演繹推理，更通過明確比較對象，強(qiáng)化了對比推理訓(xùn)練，突破托里拆利實驗原理難點。又如第三例中演示實驗視頻從問題入手，從只改變一個要素到同時改變兩個要素，尋找等量引入力臂。再通過信息技術(shù)補(bǔ)圓，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)力的作用線對應(yīng)圓的切線、力臂對應(yīng)同一個圓的半徑，加深對等量的理解，養(yǎng)成利用數(shù)學(xué)知識解決物理問題的能力。這一切既實現(xiàn)了真探究，超越了教材布置驗證實驗或灌輸教學(xué)的設(shè)計思路，同時鍛煉了高階思維方式，提高了解決問題的能力。

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