讓學生實驗多一些“懸念”

作者簡介：王莉萍，女，北京市物理特級教師，北京師范大學基礎(chǔ)教育研究員。1988年畢業(yè)于北京師范大學附屬中學;1988年至1992年于北京師范大學物理系學習，獲學士學位;1992年至1995年于北京師范大學師從閻金鐸先生，學習物理學科教學論，獲碩士學位。曾獲第二屆全國中學物理青年教師教學大賽全國一等獎。曾被評為宣武區(qū)模范教師?，F(xiàn)任北京師大附中校長，北京師范大學免費師范生導師，北京市物理學會理事、中國教育學會理事、國家教材委員會科學學科專家委員會委員、中央統(tǒng)戰(zhàn)部黨外知識分子建言獻策專家組成員。中國人民政治協(xié)商會議北京市西城區(qū)第十三屆委員、北京市西城區(qū)第十六屆人大代表。全國教育科學“十二五”規(guī)劃2011年度教育部重點課題“基于‘全人格教育理念下的創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式研究——以北師大附中錢學森班為對象”課題負責人。參與教育部哲學社會科學研究重大課題攻關(guān)項目“我國學校教育創(chuàng)新發(fā)展”，編寫項目成果《守望與凝思》一書。

摘 ? 要：做好學生實驗是綜合提升學生物理學科核心素養(yǎng)的有效途徑，但“沒有懸念”是當下學生實驗教學的尷尬之處。教師可通過把實驗過程的自主權(quán)放給學生，以及引入創(chuàng)新實驗，設(shè)置“懸念”，激發(fā)學生做實驗的熱情，提升學生的實驗?zāi)芰Α?/p>

關(guān)鍵詞：學生實驗;懸念;實驗裝置安裝;創(chuàng)新實驗

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ?文章編號：1003-6148（2019）11-0001-3

2016年9月中國學生發(fā)展核心素養(yǎng)體系公布，2017年12月基于物理學科核心素養(yǎng)的普通高中物理課程標準頒布。在新的高中物理課程標準中特別明確了高中階段學生必做的物理實驗，可見，新課程對學生實驗越發(fā)重視。但學生實驗教學卻依然處于比較尷尬的境地。學生實驗對學生物理學科核心素養(yǎng)的提升到底發(fā)揮怎樣的作用？多年來學生實驗教學的尷尬之處在哪里？我們能做些什么來破解學生實驗教學當下的困境？本文將圍繞上述三個問題展開探討。

1 ? ?學生實驗是綜合提升學生物理學科核心素養(yǎng)的有效途徑

物理學科核心素養(yǎng)包括物理觀念、科學思維、科學探究和科學態(tài)度與責任。物理學科的學生實驗主要包括測量性實驗、驗證性實驗和探究性實驗?？茖W探究素養(yǎng)的培養(yǎng)在探究性實驗中體現(xiàn)得最為充分，而其他素養(yǎng)在上述所有實驗中都能得到培養(yǎng)。實驗的原理和內(nèi)容會涉及大量物理觀念，做實驗的過程就是對物理觀念理解的加深過程;科學思維對于理解實驗原理和方法、判斷實驗現(xiàn)象、發(fā)現(xiàn)和解決實驗中出現(xiàn)的問題、根據(jù)實驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)得到實驗結(jié)論都是必不可少的;而科學態(tài)度與責任中的嚴謹認真、實事求是、持之以恒最能在學生動手完成實驗中體現(xiàn)。

綜上，學生實驗可以發(fā)揮綜合培養(yǎng)物理學科核心素養(yǎng)的作用。

2 ? ?“沒有懸念”是當下學生實驗教學的尷尬之處

學生感覺做實驗“沒有懸念”體現(xiàn)在兩個方面。第一，實驗的結(jié)果沒有“懸念”。對于驗證性實驗，學生非常明確要做出符合物理規(guī)律的結(jié)果;對于探究性實驗，說是探究，其實要探究的結(jié)論在教材中就有，學生翻翻書就能看到，從實驗結(jié)果的角度看，所謂“探究”也就演變成了“驗證”;而測量性實驗對學生而言，就是測出一個物理量，他對結(jié)果沒有期盼，頂多是測量的誤差大些或小些，不會引發(fā)什么懸念。第二，實驗的過程沒有“懸念”。因為課時寶貴，大部分教師都希望學生能順利完成實驗。于是，他們想方設(shè)法為學生設(shè)計好操作流程，實驗開始前，還要交代清楚哪些環(huán)節(jié)是實驗成功的關(guān)鍵點，甚至還會替學生安裝出實驗裝置的“半成品”甚至“成品”。學生做實驗的過程相當順利，基本不用動腦，動手也不費勁。做實驗沒有“懸念”，就沒有機會體驗實驗帶來的鍛煉與挑戰(zhàn)。

3 ? ?讓“懸念”激發(fā)學生做實驗的熱情

為了讓學生實驗富有“懸念”，必須讓實驗過程或?qū)嶒灲Y(jié)果出現(xiàn)“不可預料”。即，放手讓學生自己動手做實驗，在實驗過程中讓學生去遭遇“想不到”，或設(shè)計學生不知道結(jié)果的實驗，讓學生有欲望去揭曉答案。為此，筆者在進行高中物理必修課程的學生實驗教學時做了一些簡單探索。

由于教學時間有限，所有的探索要以課程標準中的必做實驗為基礎(chǔ)，可添加實驗，但不宜多。在這一前提下，必須系統(tǒng)性地設(shè)計所有實驗，讓每個實驗都能發(fā)揮作用。

3.1 ? ?充分挖掘必做實驗，讓實驗裝置安裝帶來“懸念”

目前物理必修部分的必做實驗有七個：（1）測量做直線運動物體的瞬時速度;（2）探究彈簧彈力與形變量的關(guān)系;（3）探究兩個互成角度的力的合成規(guī)律;（4）探究加速度與物體受力、物體質(zhì)量的關(guān)系;（5）驗證機械能守恒定律;（6）探究平拋運動的特點;（7）探究向心力大小與半徑、角速度、質(zhì)量的關(guān)系。前六個實驗在原課程標準中也屬于必做實驗，筆者有意識地在“實驗裝置安裝”環(huán)節(jié)，針對上述的第一個、第二個、第三個、第五個和第六個實驗進行難度依次升高的設(shè)計，使學生的每次實驗總能遇到未知的新挑戰(zhàn)。

在做第一個實驗時，老師要先帶著學生討論怎么安裝和操作更合理，讓學生有意識地考慮到儀器安裝與使用的問題，再讓學生按照老師的示范安裝裝置，正確使用打點計時器。第二個實驗，老師不再給學生示范，直接先讓學生自己安裝，安裝好要請老師檢查，合格后方可開始測量。第三個實驗先讓學生獨立安裝操作，做出實驗結(jié)果后，裝置不動，小組間互相查看，討論各自的優(yōu)點和不足。第五個實驗與第一個實驗有較高的相似度，可以完全放手讓學生自己做。第六個實驗的裝置相對復雜，固定描記小球軌跡的木板需要處于豎直狀態(tài)，平拋器的水平軌道出口必須保持水平，在白紙上建立的直角坐標系必須準確，等等。這個實驗不僅要求學生獨立安裝實驗儀器，還要在安裝完成后開展小組間互評。老師先給學生提出安裝的大致要求，互評前要求學生先討論、確定評價標準。表1是學生討論得出的評價表。

這種淡化實驗結(jié)果、強化實驗過程中學生動手與動腦訓練的實驗教學設(shè)計，讓學生每次做實驗都會遇到新挑戰(zhàn)，學生也會對未知的實驗“懸念”有著小小的期待。

3.2 ? ?引入創(chuàng)新實驗，為學生帶來“實驗結(jié)果”和“實驗過程”的“懸念”

筆者在實驗教學中引入了兩個創(chuàng)新實驗，分別是“探究橡皮筋所受拉力與其伸長量的關(guān)系”和“測量同學運動的平均功率”。

第一個創(chuàng)新實驗是在學生完成了實驗“探究彈簧彈力與形變量的關(guān)系”之后布置給學生的。這個實驗設(shè)置了兩處“懸念”。第一處，學生不知道實驗結(jié)果。由于橡皮筋材質(zhì)不一定相同，即使材質(zhì)相同，切割時也不一定均勻，使得橡皮筋所受拉力與其伸長量之間未必是線性關(guān)系，測出每根橡皮筋的關(guān)系也不盡相同， 學生很想知道自己的橡皮筋受力和伸長量到底是一種怎樣的關(guān)系。第二處，不允許學生用實驗室中的儀器來測量拉力大小，必須用生活中的物品器具，但不許使用家中稱菜用的彈簧秤。這是學生需要親自破解的“懸念”。學生在苛刻條件的“逼迫”下竟也想出了一些辦法，制作出了各種不相同的“砝碼”。第一類，直接用有質(zhì)量標識的物品做砝碼，例如火腿腸、袋裝酸奶等，但要保證外包裝的質(zhì)量遠小于食品質(zhì)量。第二類，用已知密度的瓶裝水（標有體積）制作砝碼。在家里拿五六個相同的水杯，將一瓶水平均分成五六份，利用水的密度計算出每份水的質(zhì)量，每份水相當于一個砝碼?；虬延匈|(zhì)量標識的肥皂均分成幾份，每份相當于一個砝碼。第三類，利用浮力制作砝碼。還是用肥皂，但不用切割，測量出肥皂的長寬高。先將肥皂作為一個大砝碼，然后將肥皂分步浸入水中，分別記錄每一步浸入水中的深度，可通過計算浮力，得到橡皮筋每次所受的拉力。學生們用智慧成功地破解了“砝碼懸念”！

第二個創(chuàng)新實驗要比第一個創(chuàng)新實驗復雜，是學生完成第五個必做實驗后布置的。前期課內(nèi)實驗學習為完成這個創(chuàng)新實驗打下了良好的基礎(chǔ)，學生已經(jīng)掌握了一些實驗原理的思想和方法，也學習了一些物理量的測量方法。實驗前，教師先和學生討論實驗方案。測量人在運動一段時間內(nèi)的平均功率，需要知道這段時間人做了多少功。如果在水平路面跑，很難測出人做了多少功，而人在“跑樓梯”時所做的功則易于測量。只要測出人的體重和負重，再量出爬了多高的樓（這也是個小挑戰(zhàn)）即可。時間用秒表測量。實驗時，選擇了7位不同體重的學生，讓他們竭盡全力跑上樓。一共跑三次，分別是零負重、較輕負重和較重負重。測量數(shù)據(jù)如表2所示。

根據(jù)數(shù)據(jù)繪出的學生功率隨體重變化的圖像，如圖1所示。

這個結(jié)果令學生們很驚奇，也引發(fā)了他們的思考。

第一，身邊同學的功率會相差這么多！功率最大的同學達到720多瓦，快趕上1馬力了。而功率小的同學才350瓦左右，是最大功率的一半左右。第二，功率大小似乎和體重有一定關(guān)系，但又不是體重越大功率越大，功率大小還和什么因素有關(guān)？第三，體重大的同學，負重越多功率越大，而體重小的同學，卻是負重越多功率越小，這是為什么？是偶然現(xiàn)象還是必然現(xiàn)象？帶著疑問，他們又踏上了尋找答案的新征程。

筆者在做這些教學探索的過程中感受到了學生對遇到“懸念”的渴望，以及破解“懸念”后的興奮。希望我們教師能在學生實驗中不斷為學生創(chuàng)造“懸念”，無論“懸念”能否破解，這些“懸念”都將激發(fā)學生的求知欲，點燃學生的學習熱情，引發(fā)學生的思考！

（欄目編輯 ? ?廖伯琴）