利用“非常規(guī)”物理實(shí)驗(yàn)助力學(xué)生自主探究①
——以“探究凸透鏡成實(shí)像規(guī)律”為例

(上海市青浦區(qū)東方中學(xué),上海 201700)

1 引言

隨著課改的深化、實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究的不斷推進(jìn),常規(guī)實(shí)驗(yàn)得到了不斷升級、優(yōu)化,但通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)常規(guī)實(shí)驗(yàn)仍存在一些缺陷：(1) 具有滯后性、局限性，遠(yuǎn)離學(xué)生的現(xiàn)實(shí)生活;(2) 無法滿足學(xué)生的個性化、自主化探究的學(xué)習(xí)需求;(3) 與“學(xué)科知識序”和“學(xué)生認(rèn)知序”的銜接性不強(qiáng)?！镀胀ǜ咧形锢碚n程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》指出：“要利用日常用品改進(jìn)實(shí)驗(yàn)或開發(fā)新實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)課程資源不僅限于實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)有儀器和設(shè)備,日常用品、廢舊材料也是重要的實(shí)驗(yàn)室資源”?！胺浅Ｒ?guī)”實(shí)驗(yàn)是指選擇和利用環(huán)境中“本來不是用來開展實(shí)驗(yàn)”的物質(zhì)資源,包括生活易得物品、環(huán)保材料和器具等,開展具有自創(chuàng)性、體驗(yàn)性、趣味性等特點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)活動，它是相對于教學(xué)設(shè)備廠專門生產(chǎn)的實(shí)驗(yàn)器材來開展的“常規(guī)實(shí)驗(yàn)”而命名的。

2 自主探究學(xué)習(xí)的操作框架

激發(fā)自主探究學(xué)習(xí)的興趣,培養(yǎng)自主探究學(xué)習(xí)的習(xí)慣,提高自主探究能力是學(xué)生發(fā)展的內(nèi)在需要,也是發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的重要內(nèi)容之一。物理自主探究學(xué)習(xí)是指學(xué)生圍繞物理問題、文本或材料，在教師的指導(dǎo)下自主建構(gòu)意義的過程。筆者基于課題研究,構(gòu)建了如圖1所示的物理自主探究學(xué)習(xí)的操作框架。

圖1

3 教學(xué)案例分析

下面以初中物理“探究凸透鏡成實(shí)像規(guī)律”一課為例,以學(xué)習(xí)科學(xué)理論為指導(dǎo)，以“非常規(guī)”實(shí)驗(yàn)為載體，助力學(xué)生自主探究規(guī)律,提高學(xué)生自主探究學(xué)習(xí)的能力。

3.1 導(dǎo)入生疑:運(yùn)用問題型“非常規(guī)”實(shí)驗(yàn),引發(fā)物理問題的生成

創(chuàng)設(shè)物理情境,使學(xué)生產(chǎn)生疑問是自主探究規(guī)律的起始環(huán)節(jié)。問題是物理的“心臟”,把問題作為物理規(guī)律教學(xué)的出發(fā)點(diǎn),是促使學(xué)生自主探究物理規(guī)律的基礎(chǔ)。學(xué)習(xí)科學(xué)中的興趣動機(jī)理論指出：當(dāng)學(xué)生認(rèn)為學(xué)習(xí)材料對他有價(jià)值或令他十分感興趣時,便會更加努力地學(xué)習(xí)。問題型“非常規(guī)”物理實(shí)驗(yàn)是內(nèi)含問題的情境性實(shí)驗(yàn)，此類情境中包含著具有新穎性、目的性和匹配性的物理問題,學(xué)生一旦融于情境,會引發(fā)認(rèn)知沖突,產(chǎn)生自主探究學(xué)習(xí)的興趣。

活動一 創(chuàng)設(shè)情境,引發(fā)問題生成

實(shí)驗(yàn)器材：凸透鏡、呈現(xiàn)“東方”字樣的顯示屏、貼有刻度尺的光屏(如圖2)和大白屏等。

圖2

操作過程:遠(yuǎn)離顯示屏的學(xué)生一只手拿凸透鏡正對顯示屏,另一只手拿著貼有刻度尺的光屏尋找“東方”字的像；教師靠近顯示屏,利用凸透鏡在大白屏上尋找像。

物理現(xiàn)象:貼有刻度尺的光屏上呈現(xiàn)倒立、縮小的實(shí)像;大白屏上呈現(xiàn)倒立、放大的實(shí)像。

引發(fā)問題:凸透鏡是否還能成等大的實(shí)像?凸透鏡成各種不同實(shí)像時應(yīng)滿足怎樣的條件?

設(shè)計(jì)意圖：創(chuàng)設(shè)找校名關(guān)鍵字“東方”像的問題情境,引發(fā)學(xué)生認(rèn)知沖突,自主提出科學(xué)問題,激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,順利引入課題,為助推學(xué)生自主探究物理規(guī)律奠定基礎(chǔ)。同時,在光屏上粘貼刻度尺,便于比較像與物的大小關(guān)系。

3.2 自主探疑：運(yùn)用體驗(yàn)型“非常規(guī)”實(shí)驗(yàn),引領(lǐng)學(xué)生提出合理猜想，制定探究計(jì)劃

自主探疑是自主探究物理規(guī)律教學(xué)的中心環(huán)節(jié)之一，以此環(huán)節(jié)引導(dǎo)學(xué)生開展猜想與假設(shè)、制定計(jì)劃的活動。猜想與假設(shè)是科學(xué)思維的一種形式,既可以為自主探究指明方向,又可以發(fā)展學(xué)生的思維,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力。實(shí)驗(yàn)方案是動手實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ),是有序開展實(shí)驗(yàn)探究的依據(jù)。自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案,既是進(jìn)行科學(xué)探究必經(jīng)的過程,又是培養(yǎng)學(xué)生探究意識、發(fā)展學(xué)生探究能力的重要途徑。體驗(yàn)型“非常規(guī)”實(shí)驗(yàn)為猜想或假設(shè)提供依據(jù),為學(xué)生選擇科學(xué)的探究方法、所需的實(shí)驗(yàn)器材、操作步驟及制定計(jì)劃和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)等提供支架，正如學(xué)習(xí)科學(xué)理論所指出的：當(dāng)學(xué)生堅(jiān)信自己努力學(xué)習(xí)將會獲得回報(bào)時,他便會更加努力學(xué)習(xí)。

活動二 在體驗(yàn)中引發(fā)合理猜想

在教師的引導(dǎo)下,學(xué)生在光具座上自左到右依次擺放成“F”字樣的發(fā)光二極管、凸透鏡和光屏(如圖3),根據(jù)觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,進(jìn)行合理猜想。教師設(shè)問:“物距比較大,是成放大的像還是縮小的像?物距比較小時會是怎樣?”“根據(jù)剛才的實(shí)驗(yàn),推測一下,有沒有存在這樣一個位置,物體成等大的像?”

圖3

設(shè)計(jì)意圖:體驗(yàn)活動為學(xué)生的合理猜想提供了可靠的依據(jù),學(xué)生的猜想有利于順利引出實(shí)驗(yàn)探究。將原“驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)”轉(zhuǎn)化為“探究性實(shí)驗(yàn)”,助推學(xué)生自主探究物理規(guī)律。實(shí)驗(yàn)中將發(fā)光物體由點(diǎn)燃的蠟燭改成發(fā)光二極管,避免高溫蠟燭液滴燙傷學(xué)生、蠟燭易倒下、氣味難聞、火焰晃動致使成像不穩(wěn)定等問題,可提高課堂實(shí)驗(yàn)效率。

活動三 制定實(shí)驗(yàn)計(jì)劃

(1) 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案

想一想:實(shí)驗(yàn)的研究對象是哪一個?需要哪些實(shí)驗(yàn)儀器?

議一議:如何在光屏上呈現(xiàn)完整的像?如何去探究凸透鏡成倒立、縮小、放大或等大的實(shí)像的條件?如何判斷光屏上所成像是否清晰?

在教師的引導(dǎo)下,小組成員相互討論,逐步形成設(shè)計(jì)方案，學(xué)生積極交流實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案,教師科學(xué)、客觀地給予評價(jià)。

(2) 確定實(shí)驗(yàn)方案

在小組充分討論、交流之后,教師引導(dǎo)學(xué)生選擇合理的、操作性強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)方案。

(3) 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)記錄表

學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)記錄表格,并利用實(shí)物投影儀交流展示,學(xué)生評價(jià)各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。在教師引導(dǎo)下,完成實(shí)驗(yàn)記錄表的設(shè)計(jì)(如表1)。

表1 實(shí)驗(yàn)記錄表 (凸透鏡焦距f=10cm，物體大小H=3.4格)

設(shè)計(jì)意圖:教師引導(dǎo)學(xué)生自主制定探究計(jì)劃,促使學(xué)生明確實(shí)驗(yàn)的研究對象、實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)過程、處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的方法和思路,為實(shí)驗(yàn)操作奠定基礎(chǔ),增強(qiáng)探究結(jié)果的可靠性和科學(xué)性。

3.3 合作解疑:運(yùn)用探究型“非常規(guī)”實(shí)驗(yàn),實(shí)施自主探究

維特洛克的“生成學(xué)習(xí)理論”指出：當(dāng)人們能夠自己生成一種學(xué)習(xí)策略,并為學(xué)習(xí)中的認(rèn)知加工做好充足的準(zhǔn)備,那么他就能進(jìn)行更加深入的學(xué)習(xí)。在教師的引導(dǎo)下,學(xué)生運(yùn)用探究型“非常規(guī)”實(shí)驗(yàn)，動手操作、收集證據(jù),以驗(yàn)證自己的猜想和假設(shè),體驗(yàn)科學(xué)研究的一般過程,其內(nèi)容主要包括:具有實(shí)驗(yàn)操作的安全意識,會正確使用實(shí)驗(yàn)儀器并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評估等,最終大家合作解決疑問。正如基于社交伙伴的動機(jī)理論中所說：“當(dāng)學(xué)生把教師視為共同學(xué)習(xí)的社交伙伴時,他便會更加努力學(xué)習(xí)”。

活動四 動手操作與收集證據(jù)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案,學(xué)生2人一小組,給每組提供一套實(shí)驗(yàn)裝置、一張實(shí)驗(yàn)工作單,學(xué)生自行選擇器材，探究凸透鏡成倒立、縮小或放大實(shí)像的規(guī)律。同時,要求學(xué)生將實(shí)驗(yàn)情況及時填寫在實(shí)驗(yàn)工作單上,并將數(shù)據(jù)匯總在黑板上的大白紙上,對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)情況用自制磁條粘貼呈現(xiàn)在數(shù)軸上(如圖4)。在小組動手操作、收集證據(jù)的過程中,教師巡回指導(dǎo)。

圖4

設(shè)計(jì)意圖:通過學(xué)生自主實(shí)施探究實(shí)驗(yàn),檢驗(yàn)猜想、實(shí)驗(yàn)方案的可行性，提高了學(xué)生的動手實(shí)踐能力,增強(qiáng)了小組合作的團(tuán)隊(duì)意識。

活動五 處理數(shù)據(jù)，總結(jié)規(guī)律

學(xué)生分析表格中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及其圖像,總結(jié)出：(1) 光屏上成縮小、倒立實(shí)像時,物距、像距分布的大致范圍;(2) 光屏上成放大、倒立實(shí)像時,物距、像距分布的大致范圍。然后，根據(jù)已知凸透鏡焦距為10cm,分析歸納出:(1) 凸透鏡成縮小、倒立實(shí)像的條件;(2) 凸透鏡成放大、倒立實(shí)像的條件。接著,在桌面上提供一個與發(fā)光二極管一樣大小的“F”字板(如圖5),借鑒平面鏡所成的像與物是等大的思想方法,引導(dǎo)學(xué)生去驗(yàn)證凸透鏡成倒立、等大、實(shí)像的條件。最后,基于探究得到的數(shù)據(jù)表格,總結(jié)出凸透鏡成實(shí)像的規(guī)律。

圖5

設(shè)計(jì)意圖:通過表格與圖像建模相結(jié)合的方式處理數(shù)據(jù),讓學(xué)生體驗(yàn)采集信息從個別到一般、抽象到直觀的方法，特別是利用手繪等大的“F”字，基于平面鏡成等大像的思想方法，突破教學(xué)中的難點(diǎn)，促進(jìn)學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律。

3.4 反饋釋疑:利用應(yīng)用型“非常規(guī)”實(shí)驗(yàn),助力學(xué)以致用

基于目標(biāo)的動機(jī)理論指出：“當(dāng)學(xué)生的學(xué)業(yè)目標(biāo)是良好的表現(xiàn)(表現(xiàn)取向目標(biāo))或是掌握學(xué)習(xí)材料(掌握取向目標(biāo)),而不是避免較差的表現(xiàn)(表現(xiàn)回避目標(biāo))時,他便會更加努力學(xué)習(xí)?！绷x務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)中提出的基本理念之一為：“從生活走向物理，從物理走向社會”。學(xué)生找到物理規(guī)律后,教師巧妙設(shè)計(jì)與生產(chǎn)、生活緊密聯(lián)系的問題,讓學(xué)生自主探究，解釋相關(guān)問題,有利于把物理知識應(yīng)用于生產(chǎn)、生活中。

活動六 理論聯(lián)系實(shí)際,學(xué)以致用

教師利用自制照相機(jī)給學(xué)生“拍照”,讓學(xué)生分析出“底片”上的“人”是通過凸透鏡所形成的像,然后提供照相機(jī)模型:鏡頭、暗箱和光屏(如圖6),讓學(xué)生組裝照相機(jī)，進(jìn)行拍照,感受照相機(jī)成像特點(diǎn)與原理。

圖6

圖7

教師介紹桌面上的繪圖幻燈機(jī)實(shí)驗(yàn)器材(如圖7),讓學(xué)生動手體驗(yàn)繪圖幻燈機(jī)對膠片的投影,感受幻燈機(jī)成像特點(diǎn)，明了其中的物理原理。同時,引導(dǎo)學(xué)生思考：如果要放大凸透鏡所成的實(shí)像,如何調(diào)節(jié)物距與像距？通過討論，得出結(jié)論:凸透鏡成實(shí)像時,物距減小,像距增大,實(shí)像將變大,反之其也成立。

設(shè)計(jì)意圖:鞏固、拓展所學(xué)的凸透鏡成實(shí)像規(guī)律,感受物理在生活中的應(yīng)用,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,提高其問題解決的能力。

4 結(jié)語

基于教學(xué)實(shí)踐,筆者提煉了“創(chuàng)設(shè)情境,產(chǎn)生疑問→方案設(shè)計(jì),探究疑問→合作實(shí)踐,解決疑問→學(xué)以致用,解釋疑問”的操作流程,學(xué)生在經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)探究的過程中,不僅掌握了物理知識、技能,更重要的是激發(fā)了他們的學(xué)習(xí)動機(jī),落實(shí)了培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)的課程目標(biāo)。