以學生自主創(chuàng)新實驗促進初中物理深度學習的教學策略

肖永琴 隋巧虹

摘? ?要：學生自主創(chuàng)新實驗，是指學生在教師或相關實驗啟發(fā)下，圍繞初中物理有關問題，任務驅動，自主選擇實驗器材，優(yōu)化實驗方法，經(jīng)歷設計實驗、觀察現(xiàn)象、收集證據(jù)、分析論證和質疑交流等探究過程，掌握物理知識和研究問題的方法，養(yǎng)成應用所學知識解決問題的習慣。它不僅是一種理念，也是一種教學方式，強調學生“四動”，即動手、動口、動筆和動腦。本文以“滑輪”教學為例，闡述在課前、課中、課后以學生自主創(chuàng)新實驗促進學生深度學習的策略，進而培養(yǎng)學生正確的價值觀念，形成必備品格和關鍵能力。

關鍵詞：學生自主創(chuàng)新實驗;深度學習;初中物理;滑輪

物理學科本質特征的要求，決定實驗探究在物理教學中有著重要的作用，科學探究既是學習的目標，又是重要的教學方式。隨著時代的發(fā)展，學習的重點已從知識積累轉向思維訓練、能力培養(yǎng)和素養(yǎng)形成，學習的方法也從書本間接知識重點轉向與生活、實踐全面結合。因此學習經(jīng)歷顯得更加重要，對物理而言有實驗創(chuàng)新的課堂才更具有生命力，才能更好地落實學科核心素養(yǎng)培育。針對學生學習主動性不強，動手實踐不多，探究意識、創(chuàng)新意識不強，探究能力以及解決問題能力不足，我們提出以學生自主創(chuàng)新實驗促進學生的深度學習，可以更好地形成必備品格、關鍵能力和價值觀念。

1? 學生自主創(chuàng)新實驗是一種教學方式

我們倡導的學生自主創(chuàng)新實驗，是指學生在教師或相關實驗啟發(fā)下，圍繞初中物理有關問題，任務驅動，自主選擇實驗器材，優(yōu)化實驗方法，經(jīng)歷設計實驗、觀察現(xiàn)象、收集證據(jù)、分析論證和質疑交流等探究過程，掌握物理知識和研究問題的方法，養(yǎng)成應用所學知識解決問題的習慣。它鼓勵學生利用身邊的生活物品進行動手實驗，也鼓勵質疑和創(chuàng)新，是一個真實的問題解決過程。

學生的學習主動性不強，探究能力弱，解決問題能力不足等，這樣的行為表現(xiàn)一定是由其內在特質和深層動機引發(fā)的。學生自主創(chuàng)新實驗作為一種教學方式，強調學生“四動”，即動手、動口、動筆和動腦。首先，強調教師要想盡辦法極大地喚醒和調動學生積極主動地參與，在“動”中，學生的好奇心和探究欲望被激發(fā)，學習興趣在保持;其次，強調能力和素養(yǎng)培育，在“動”中，學生的思維能力、探究能力、實踐能力、表達能力和創(chuàng)新能力得到發(fā)展;第三，強調情感交流與合作精神，在“動”中，學生的自信心、自尊心得到尊重，責任心、行為習慣得到培養(yǎng)，合作能力、溝通能力得到發(fā)展。正因如此，通過學生自主創(chuàng)新實驗促進學生深度學習，更容易打通素質冰山模型中表面的“冰山以上部分”和深藏的“冰山以下部分”，從能力和素養(yǎng)方面促進學生的發(fā)展。

2? 學生自主創(chuàng)新實驗在物理教學中的應用實踐

課前，學生在任務驅動和問題引導下，自由地、主動地進行實驗，因為自由也就能夠兼顧學習中學生的個體差異。課中，將學生自主創(chuàng)新實驗作為課堂教學資源的一部分，學生在組內討論、相互啟發(fā)的基礎上，在教師的引導下進行全班交流，因為開放，也就更容易達成“生創(chuàng)互學”的目標。課后，鼓勵學生進一步實驗探究，也可以邀請專業(yè)的家長參與，用成人的經(jīng)驗和技術給孩子提供有益的幫助。

下面以滬科版八年級物理的“滑輪”教學為例，說明學生自主創(chuàng)新實驗在教學中的應用。

2.1? 課前針對實際問題，讓學生通過觀察和思考提出解決問題的初步方案

實際問題：學校正在對科藝樓進行翻修，需要將一些建筑材料及物品運至高層教室。

由于小學科學已對滑輪及省力有一定的了解，所以教師給出學習任務清單[ 1 ]：

（1）查閱圖書館、網(wǎng)絡有關資料，搜集古代勞動人民利用滑輪的生活生產(chǎn)事例。

（2）尋找現(xiàn)實生活中的滑輪，觀察生產(chǎn)實際中利用滑輪的實例。思考：不同場景中，人們利用滑輪的目的是什么？不同種滑輪有何優(yōu)缺點？如何使用滑輪可以更省力？

（3）學校要利用暑假更換科藝樓所有教室內的講臺，考慮到教學樓層較高、班級數(shù)較多，講臺的質量、體積較大，而工人數(shù)量有限，無法直接搬運，請你設計一個方案，幫助解決這個問題。

學生以小組為單位，團隊合作開展學習研究活動。

根據(jù)學習任務清單，學生以小組的形式組建了學習共同體，收集資料，對滑輪進行大量的觀察和研究，自制滑輪模型進行實驗探究，在團隊內交流討論，對滑輪特點和作用認識與感悟后，進一步設計實驗方案，提出解決講臺運輸問題的方案，并制作成PPT。

2.2? ?課中學生展示研究成果交流分享，教師在關鍵處幫助學生突破難點

學生自主創(chuàng)新實驗，要求邊做邊說，說自己的實驗過程，說自己的創(chuàng)意和思路，因此它是融合了動作表征、圖像表征與符號表征的完整過程，必然會促進學生對物理知識的內化[ 2 ]。因此我們將學生自主創(chuàng)新實驗作為課堂教學資源的一部分，充分發(fā)揮學生的主體作用。

2.2.1? 以團隊形式展示研究成果，小組之間交流分享

由于學生課前有大量的觀察和研究，并制作與組裝出了一些簡易滑輪模型，因此，課堂上先以團隊的形式讓學生展示他們的研究成果，解決基本知識，老師則化身為學生跟其他同學一起傾聽，提出相關疑問。

團A：利用PPT與事先錄好的實驗視頻分享了三項內容：①古時候以及現(xiàn)代生產(chǎn)生活中運用滑輪的例子，日常生活中隨處可見的滑輪圖片;②滑輪的構造;③根據(jù)他們觀察到滑輪在使用時軸的運動情況不同，嘗試進行的分類：定滑輪和動滑輪。

團B：①展示了自制“國旗升降臺”模型（圖1），模擬定滑輪在實際生活中的應用，進一步鞏固了定滑輪可以改變力的方向的知識;②針對一般滑輪在使用過程中輪與軸之間摩擦力較大和繞繩容易脫落的問題，他們組還展示了在家長和老師幫助下，精心研制的創(chuàng)新滑輪（圖2），并說明了動滑輪在使用過程中可以省力、但不能改變力的方向的特點。

那么，為什么定滑輪不能省力，動滑輪可以省一半力，這對學生的理解來說是個難點，并不是他們自己容易解決的，因此，教師的指導作用就要在此時此處發(fā)揮了。

2.2.2? ?教師的自主創(chuàng)新實驗剖開問題本質，幫助學生突破學習難點

教師通過可拆卸的自制磁性滑輪（圖3），將其上、中、下部分進行靈活拆解（各部分利用磁鐵進行連接）（圖4），將滑輪形象地拆解成了一根杠桿。用其演示可以幫助學生輕松地明確定滑輪、動滑輪的支點位置（圖5），有效地突破了觀察難點，也是本節(jié)課的一個關鍵，這樣學生就較容易理解定滑輪、動滑輪的實質就是一根杠桿，但支點位置是不同的。

教師進一步利用希沃軟件里的直尺工具配合滑輪變形圖，在大屏幕上直觀地、示范畫出這個杠桿的力臂，再引導學生運用杠桿的平衡條件進行理論分析，由此得出定滑輪的實質是等臂杠桿，動滑輪的實質是動力臂為阻力臂兩倍的省力杠桿，至此為什么定滑輪不能省力，動滑輪可以省一半力就得以較好地解決了。

2.2.3? 學習進階，學生自主創(chuàng)新實驗再顯其威

在明確了定滑輪、動滑輪的好處后，教師引導學生進一步思考：如果既想省力又想改變力的方向，該怎么辦？

由于開放性實驗使學生的學習興趣和動手熱情被調動起來，有的團隊帶來了自己組裝的滑輪組作品。如團C：簡易起重機模型（圖6），團D：滑輪組合模型（圖7）。

更有意思的是有的學生還利用樂高玩具制作了簡易升降機與起重機。（圖8和圖9）

展示的作品都可以達到既省力又改變力的方向的目的，但是問題又來了：①滑輪組最大程度能省多大的力？②繩子自由端的拉力與承擔物重的繩子的根數(shù)有關嗎？③如果有關，有什么樣的定量關系？通過一個個有層次的問題驅動，促使學生認真思考，并實現(xiàn)思維進階，再次通過小組合作設計實驗、動手實踐、分析論證、匯報交流。同時由于學生展示了不一樣的滑輪組省力模型，開放性的課堂生成了好資源，使滑輪組的問題得以一步步解決。

2.3? ?課末、課后引導學生運用所學知識解決實際問題

2.3.1? 課末首尾呼應，解決課前提出的問題

由學生的簡易升降機與起重機解決材料運輸問題，自然而然地將學習延伸到了工程問題，通過引導他們運用所學知識解決實際工程問題，也解決了學校的實際問題，達到了學以致用的目的。

2.3.2? 課后鼓勵學生進一步探究，提升科學實踐和創(chuàng)新能力。

我們布置的作業(yè)既有書面作業(yè)，也有實踐作業(yè)，對不同的學生可有不同的要求，讓學生自己選擇。

（1）對沒有組裝起重機的同學：完成筆者命制的2017年福州市質檢物理試題，具體如下：

吊車是能夠在一定范圍內垂直提升和水平搬運重物的起重機械中的一種，起重量是吊車的主要性能參數(shù)，指的是吊車能夠提升重物的最大質量。一旦超過重量，吊車可能發(fā)生傾覆事故。每臺吊車的起重量是可以隨吊臂傾角和吊臂長度的變化而變化的。小明他們在技術人員的指導下，一起對某型號汽車吊（圖10）進行起重量模擬測試，實驗數(shù)據(jù)記錄如表1。

①若要研究起重量隨吊臂長度的變化規(guī)律，應選用圖11的實驗方案進行研究。你選擇的理由是? ? ? ? ? ? ? 。

②你認為吊臂傾角為30°時，使用該吊車能否吊起5000kg的重物而不發(fā)生傾覆事故？

③由實驗可知，增大吊車起重量的方法可能有 。（填序號，答案可能不止一項）

A. 增大吊臂傾角? ? ? ? ?B. 增大吊臂長度

C. 減小吊臂傾角? ? ? ? ?D. 減小吊臂長度

（2）對組裝了起重機模型的同學：請利用自制起重機，探究起重機的起重量與吊臂長度、傾角的關系，并完成實驗報告。

3? 結語

學生自主創(chuàng)新實驗既是一種理念，也是一種教學方式。首先，它可以充分體現(xiàn)學生的主體性，但教師的教育教學觀念要真正改變，應充分相信學生，鼓勵學生多觀察生活，建立與實際的連接，簡單的問題學生能懂由學生自己解決，鼓勵其自己做實驗、還要說出來、教他人。其次，教師要學會傾聽，作為一個教學的組織者和促進者，在關鍵處、困難處適時適度地加以引導，特別是我們將學生自主創(chuàng)新實驗作為課后實踐性作業(yè)，使課堂教學資源更加豐富、開放和靈動，學生的聰明才智得以更好地發(fā)揮，對老師的教學智慧也是一個挑戰(zhàn)。第三，本課教學圍繞學習目標從真實情境出發(fā)，任務驅動、問題引導，學生在解決問題的過程中，已經(jīng)融合了科學、技術、工程、藝術和數(shù)學等多方面知識，是一種STEAM教育，而STEAM學習會促使學生鉆研與生活相關的現(xiàn)實任務，從而取得具體的學習成果[ 3 ]。同時，在學習的過程中，有學生充分發(fā)揮想象力與創(chuàng)造力，對傳統(tǒng)器材進行大膽改進，自制滑輪的工藝和技術已達到了較高水平，這就是一種創(chuàng)新創(chuàng)造。

參考文獻：

[1]肖永琴.促進深度學習的初中物理實踐作業(yè)設計[J].教學與管理， 2020（3）：49-51.

[2]湯金波，黃網(wǎng)官.學生自主創(chuàng)新實驗是未來物理教學的最優(yōu)途徑[J].實驗教學與儀器， 2018（6）：3-6.

[3]羅伯特·M·卡普拉羅，詹姆斯·R·摩根.基于項目的STEM學習——一種整合科學、技術、工程和數(shù)學的學習方式[M]. 上海：上?？萍冀逃霭嫔?， 2016.