基于實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生物理觀念的探究

摘 要：物理觀念在學(xué)生認(rèn)識和理解物理知識的過程中起著重要的作用，所有基礎(chǔ)物理理論知識都源于對物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察和認(rèn)知。物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有生動性、直觀性，能夠充分調(diào)動學(xué)生的各種感官，是物理教學(xué)的基礎(chǔ)。教師采用實(shí)驗(yàn)教學(xué)能促使學(xué)生形成物理觀念。文章就基于實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生物理觀念進(jìn)行了探究，以期為相關(guān)教育工作者提供參考。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn);物理觀念;內(nèi)涵;作用;策略

中圖分類號：G633.7? ??文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ?文章編號：2095-624X（2021）41-0073-03

作者簡介：邱婷（1983.5—），女，廣東省廣州市禺山高級中學(xué)，中學(xué)一級教師，本科，研究方向：物理教學(xué)。

一、物理觀念的內(nèi)涵

所謂物理觀念，即從物理學(xué)角度思考問題，形成的對物質(zhì)、運(yùn)動與相互作用、能量之間關(guān)系的認(rèn)識。人的大腦通過不斷思考與總結(jié)，可以將物理概念與規(guī)律等知識運(yùn)用到實(shí)踐中，如用物理知識來解釋下雪、結(jié)冰、蒸發(fā)、霧霾等現(xiàn)象，就都是將物理觀念運(yùn)用于生活中各個(gè)方面的體現(xiàn)。本文提到的物理觀念是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成部分，主要指學(xué)生對物質(zhì)、運(yùn)動與相互作用以及能量等知識的一種基本認(rèn)知，是物理概念和物理規(guī)律在學(xué)生腦海中的升華，更是學(xué)生從物理學(xué)的角度對自然現(xiàn)象進(jìn)行解釋以及解決實(shí)際問題的依據(jù)。實(shí)驗(yàn)是物理教學(xué)中一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，所有基礎(chǔ)物理理論知識都源于對物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察和認(rèn)知。學(xué)生通過學(xué)習(xí)，能夠形成物質(zhì)、能量、相互作用等物理意識，然后將之運(yùn)用到實(shí)踐中，可以解決生活化的物理問題，形成理論與實(shí)踐的融合。

二、培養(yǎng)學(xué)生物理觀念對物理教學(xué)實(shí)踐的作用

學(xué)生物理觀念的形成與其認(rèn)知水平相適應(yīng)，屬于認(rèn)知成果的范疇。隨著物理學(xué)習(xí)的不斷深入，學(xué)生物理觀念的培養(yǎng)和形成也會具有一定的層次性，主要表現(xiàn)為學(xué)生在不同時(shí)期會逐漸形成不同的物理觀念。因此，教師在教學(xué)中幫助學(xué)生形成物理觀念，能夠使學(xué)生在面對一些新問題時(shí)不被其表象迷惑，而是主動地運(yùn)用相關(guān)物理觀念來解決問題，并對此能給出一個(gè)科學(xué)的解釋。此外，學(xué)生在學(xué)習(xí)物理的過程中，記憶與遺忘往往是交織的，隨著時(shí)間的推移，遺忘速度及遺忘知識點(diǎn)的數(shù)量會呈現(xiàn)先多后少的趨勢，最后仍然留在學(xué)生腦海中的知識才是教育價(jià)值的真正體現(xiàn)。著名物理學(xué)家愛因斯坦認(rèn)為，物理觀念在物理學(xué)一系列理論建立的過程中發(fā)揮著不可替代的作用。因此，在物理教學(xué)過程中，教師一定要注重培養(yǎng)學(xué)生的物理觀念。

三、基于實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生物理觀念的策略

（一）通過實(shí)驗(yàn)調(diào)動學(xué)生的多種感官，構(gòu)建物理觀念

實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠充分調(diào)動學(xué)生的多種感官，為學(xué)生呈現(xiàn)具體的物理現(xiàn)象，在強(qiáng)化學(xué)生感知的同時(shí)又能糾正學(xué)生已形成的錯(cuò)覺，豐富學(xué)生頭腦中的感性材料，達(dá)到發(fā)展學(xué)生智力、培養(yǎng)學(xué)生能力的目的。開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生物理觀念的重要方式之一，在物理教學(xué)中發(fā)揮著十分重要的作用。

根據(jù)力的作用效果分解力與實(shí)際生活之間的聯(lián)系不夠直觀，學(xué)生缺乏這方面的感性認(rèn)識，很難判斷被分解的力產(chǎn)生了哪些作用效果，理解起來會比較困難。教師可以讓學(xué)生上臺做演示實(shí)驗(yàn)：準(zhǔn)備一條細(xì)繩，一端系上鉤碼，另一端系在學(xué)生手指上，然后用筆的末端頂住細(xì)繩的某個(gè)點(diǎn)，把筆尖正對掌心。實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生能感覺到手掌有些痛，這證明筆尖對掌心產(chǎn)生了壓力，學(xué)生能看到手指上的勒痕，說明細(xì)繩對手指產(chǎn)生了拉力。在此實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，學(xué)生就可以將鉤碼向下拉細(xì)繩時(shí)產(chǎn)生的兩個(gè)力的方向在紙上畫出來，并求出這兩個(gè)力的大小。學(xué)生通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)可以更深入地理解力的分解規(guī)律，構(gòu)建“力的作用是相互的”觀念。

（二）通過實(shí)驗(yàn)在學(xué)生原有觀念的基礎(chǔ)上發(fā)展其物理觀念

學(xué)生在初中就已經(jīng)積累了許多生活經(jīng)驗(yàn)和科學(xué)概念，教師將新的物理觀念的培養(yǎng)置于真實(shí)的物理問題情境中可有效地調(diào)動學(xué)生原有的經(jīng)驗(yàn)。此時(shí)，教師通過實(shí)驗(yàn)解決實(shí)際問題，能幫助學(xué)生建立新的物理觀念與原有經(jīng)驗(yàn)之間的聯(lián)系， 再應(yīng)用類比等方法，就可以進(jìn)一步發(fā)展學(xué)生的物理觀念，這對一些抽象概念的建立尤為重要。

學(xué)生可以從生活經(jīng)驗(yàn)中得知，用手提起裝滿水的桶，桶會受到人施加的力向上運(yùn)動，手必定也會受到桶施加的力，而感到疼痛，教師可以告訴學(xué)生這是因?yàn)榱Φ淖饔檬窍嗷サ摹Ｄ敲匆粚ο嗷プ饔昧τ惺裁刺攸c(diǎn)呢？教師可以設(shè)計(jì)如下兩個(gè)實(shí)驗(yàn)。學(xué)生演示實(shí)驗(yàn)：教師邀請兩位體重相差很大的學(xué)生用彈簧秤進(jìn)行對拉演示，讓學(xué)生先猜想可能的現(xiàn)象，然后觀察彈簧秤的讀數(shù)。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程會發(fā)現(xiàn)，只有在靜止或緩慢勻速拉動彈簧秤時(shí)才能清楚地讀數(shù)，而且盡管學(xué)生一胖一瘦，兩個(gè)彈力大小總是相等。這時(shí)有學(xué)生提出：“非平衡狀態(tài)的讀數(shù)也相同嗎？”此時(shí)教師可以采用傳感器演示，讓學(xué)生進(jìn)一步探究，發(fā)現(xiàn)相互作用力與物體運(yùn)動狀態(tài)無關(guān)。最后學(xué)生歸納總結(jié)：一對相互作用的力總是大小相等、方向相反作用在同一直線上，與物體的運(yùn)動狀態(tài)無關(guān)。教師演示實(shí)驗(yàn)：將一塊條形磁鐵放在桌面上，在其周圍放置小鐵釘，它會把周圍的小鐵釘吸過來，接著引導(dǎo)學(xué)生用所學(xué)知識解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。根據(jù)所學(xué)知識，學(xué)生都知道磁鐵和小鐵釘之間有大小相等的相互作用力，但是為什么鐵釘動了，磁鐵沒有動，很多學(xué)生解釋不了。此時(shí)，教師需要引導(dǎo)學(xué)生：“判斷物體的運(yùn)動需要對其進(jìn)行完整的受力分析?！比绻麑W(xué)生仍然無法判斷，教師則可以進(jìn)一步提示：“桌面是粗糙的?！睂W(xué)生便可將實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與摩擦力知識相結(jié)合，作出正確的分析。

這種以物理核心素養(yǎng)培養(yǎng)為導(dǎo)向的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究意識，學(xué)生能在真實(shí)情境中提出有價(jià)值的問題，接著利用科學(xué)方法獲取和處理信息，習(xí)得知識，最后用于解決生活中的實(shí)際問題，形成物理觀念。

（三）通過實(shí)驗(yàn)激發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，強(qiáng)化正確的物理觀念

作為學(xué)生學(xué)習(xí)的引導(dǎo)人，教師應(yīng)當(dāng)首先樹立物理正確的觀念，只有這樣，才能深入了解學(xué)生的認(rèn)知沖突，準(zhǔn)確解決學(xué)生在物理學(xué)習(xí)過程中存在的認(rèn)知錯(cuò)誤等問題。在學(xué)習(xí)物理時(shí)，學(xué)生可能會出現(xiàn)認(rèn)知沖突，就是當(dāng)舊觀念和新經(jīng)驗(yàn)兩者出現(xiàn)對立時(shí)，學(xué)生會覺得疑惑和緊張，可能還會有些不舒服，這是正?，F(xiàn)象。皮亞杰的認(rèn)知論指出：認(rèn)知沖突是指認(rèn)知發(fā)展過程中原有概念或認(rèn)知結(jié)構(gòu)與現(xiàn)實(shí)情境不相符時(shí)，在心理上所產(chǎn)生的沖突或矛盾。認(rèn)知沖突是在認(rèn)知活動中產(chǎn)生的，學(xué)生在面對真實(shí)場景時(shí)回想起舊的知識經(jīng)驗(yàn)，并試圖對新、舊經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行對比、融合，尋找新平衡點(diǎn)，這就是認(rèn)知沖突的解決過程。因此，在激發(fā)學(xué)生認(rèn)知沖突時(shí)，教師直接幫助學(xué)生改錯(cuò)，往往效果不佳。在這種情況下，教師不妨讓學(xué)生在錯(cuò)誤的思路上“撞一撞南墻”，切身感受陷入困境的滋味，然后再給予引導(dǎo)，學(xué)生便會“吃一塹長一智”，從山窮水盡走向柳暗花明，享受成功的喜悅。

教師可以利用多媒體投影蹦極視頻，要求學(xué)生觀察運(yùn)動員的速度和彈性繩伸長量的關(guān)系，判斷運(yùn)動員在什么位置動能最大。由于過程短，速度快，學(xué)生未必能觀察清楚，絕大部分學(xué)生都是憑借自己的慣性思維認(rèn)為繩子一拉直就受到向上的彈力，此處彈力是阻力，物體開始減速。此觀點(diǎn)有嚴(yán)重錯(cuò)誤，但教師不必急于糾正學(xué)生，而要繼續(xù)引入以下題目。

地面上豎直放置一輕質(zhì)彈簧，小球從其正上方某一高度自由下落到彈簧上，針對小球從剛接觸彈簧到彈簧被壓縮至最短的過程（彈性限度內(nèi)）提出以下問題。

問題一：力與運(yùn)動

A.小球速度變大，合力變大

B.小球速度先變大后變小，合力先變小后變大

C.小球速度變大，合力變小

D.小球速度先變小后變大，合力先變大后變小

部分學(xué)生會沿用之前的錯(cuò)誤經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為小球一碰到彈簧就開始減速。此時(shí)，教師可以鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行小組討論，讓學(xué)生講解自己的觀點(diǎn)，得出結(jié)論。若學(xué)生無法討論出正確結(jié)論，教師則可以進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生回顧物體做加速運(yùn)動和減速運(yùn)動的條件：合力與速度同向或?yàn)殇J角時(shí)，物體做加速運(yùn)動，反之則做減速運(yùn)動。學(xué)生只有用知識指導(dǎo)實(shí)踐進(jìn)行受力分析才能得出正確答案，而不能僅憑感覺去猜想。

問題二：功能關(guān)系和能量守恒

從功能關(guān)系角度解釋小球的動能、重力勢能、彈簧的彈性勢能、怎么變化。

從能量守恒角度回答：第一，小球重力勢能和彈簧彈性勢能的總和如何變化;第二，小球動能和彈簧彈性勢能的總和如何變化;第三，小球動能和重力勢能的總和如何變化。

教師通過以上分析可以幫助學(xué)生建立知識間的聯(lián)系，使學(xué)生形成物理觀念——物體相互作用的過程總是伴隨著能量轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)化，功是能量轉(zhuǎn)化的量度，做了多少功就有多少能量發(fā)生轉(zhuǎn)化，在任何轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)化的過程中，系統(tǒng)的總能量保持不變。最后再回到蹦極現(xiàn)象，學(xué)生便可以用所學(xué)知識分析受力情況，用正確的物理觀念解釋生活，徹底轉(zhuǎn)變“受到阻力馬上減速”的錯(cuò)誤思想。

（四）通過實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)學(xué)生體驗(yàn)評價(jià)、反思概括，實(shí)現(xiàn)物理觀念遷移應(yīng)用

在傳統(tǒng)的教學(xué)過程中，一般是教師進(jìn)行知識小結(jié)。在新課改背景下，教師要以觀念構(gòu)建為導(dǎo)向?yàn)閷W(xué)生提供交流的平臺，指出概括反思的方向，同時(shí)對學(xué)生學(xué)習(xí)過程的表現(xiàn)進(jìn)行評價(jià)，不斷優(yōu)化教學(xué)策略。教師還要以此為依據(jù)幫助學(xué)生進(jìn)一步構(gòu)建、完善物理觀念體系，實(shí)現(xiàn)物理觀念的遷移應(yīng)用。

在“探究滑動摩擦力大小”實(shí)驗(yàn)中，教師可讓學(xué)生猜想滑動摩擦力與哪些因素有關(guān)，并自行討論，自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，用控制變量法進(jìn)行探究。此處，學(xué)生要明確的知識是二力平衡，用彈簧秤測的是拉力，要使拉力和摩擦力大小相等才可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。接下來，教師讓學(xué)生思考：若按照教材設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案（見圖1），要怎么操作？學(xué)生通過理論分析可以得出：必須滿足拉力呈水平方向，手勻速拉動彈簧秤才能保證物體做勻速直線運(yùn)動。學(xué)生在自己動手操作時(shí)，會覺得很難判斷木塊是否在做勻速直線運(yùn)動，便會對實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論產(chǎn)生懷疑。此時(shí)，教師不應(yīng)直接給出新的實(shí)驗(yàn)方案，而應(yīng)讓學(xué)生在不斷嘗試中去體驗(yàn)、歸納，最后逐步完善為圖2的實(shí)驗(yàn)方案。教師要讓學(xué)生分析，按照圖2的方案要如何拉木板，此時(shí)教師不妨邀請基礎(chǔ)較弱的學(xué)生回答相關(guān)問題，若他能回答正確則說明班級大部分學(xué)生都懂了，便可以開始實(shí)驗(yàn)操作。每一位學(xué)生都真正參與的課堂才是有效、深刻的課堂，才能促使學(xué)生獲得全面的發(fā)展。

（五）運(yùn)用新型教學(xué)方式，激活學(xué)生認(rèn)知

階梯式教學(xué)模式是一種基于學(xué)生認(rèn)知發(fā)展水平的教學(xué)模式，要求教師從學(xué)生身心發(fā)展規(guī)律和實(shí)際學(xué)習(xí)情況出發(fā)，與物理學(xué)科進(jìn)行融合，以分層和階梯學(xué)習(xí)計(jì)劃不斷引導(dǎo)學(xué)生循序漸進(jìn)地把握對應(yīng)的知識，從學(xué)生的經(jīng)驗(yàn)水平出發(fā)引導(dǎo)學(xué)生掌握相關(guān)的概念，然后再從概念出發(fā)引導(dǎo)學(xué)生思考、探究，促進(jìn)學(xué)生思想水平的提升。

例如，在教學(xué)“合力與分力”相關(guān)的內(nèi)容時(shí)，教師要先從學(xué)生已有的經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生思考一個(gè)大人推動一個(gè)物體和兩個(gè)小朋友共同推動這個(gè)物體的力的作用是否完全相同，激活學(xué)生的物理經(jīng)驗(yàn)，接著，教師要從學(xué)生的知識水平出發(fā)引入相關(guān)的概念，給出“分力”“合力”“力的分解”“力的合成”等基礎(chǔ)概念，為學(xué)生“等效代替”思想的形成做鋪墊。最后，當(dāng)學(xué)生深入領(lǐng)會物理思想和方法之后，教師就可以引導(dǎo)學(xué)生利用這種思想來學(xué)習(xí)新的物理知識。經(jīng)歷了這樣一個(gè)過程，學(xué)生就能很好地培養(yǎng)自身的物理觀念。

結(jié) 語

物理是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)、富有理性思考的一門學(xué)科，物理學(xué)習(xí)既離不開觀察與實(shí)驗(yàn)，也離不開理性思考。實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)的基礎(chǔ)，通過實(shí)驗(yàn)研究物理是學(xué)習(xí)和發(fā)展物理學(xué)的重要手段。實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠充分調(diào)動學(xué)生的多種感官，給學(xué)生呈現(xiàn)物理現(xiàn)象，在增強(qiáng)學(xué)生感知的同時(shí)又能夠糾正學(xué)生的錯(cuò)覺，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)物理知識。因此，培養(yǎng)學(xué)生的物理觀念離不開實(shí)驗(yàn)教學(xué)。在教科書編寫方面，研發(fā)人員要針對物理教學(xué)的發(fā)展，創(chuàng)新設(shè)計(jì)相關(guān)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng)。為了物理教學(xué)更加高效，教師要改變以往傳統(tǒng)的授課模式，在教學(xué)物理觀念時(shí)不能僅傳授相關(guān)知識，還應(yīng)重視每位學(xué)生對問題的不同理解，設(shè)計(jì)個(gè)性化的教學(xué)模式，開展多樣化的物理教學(xué)活動，合理安排課程學(xué)習(xí)，這樣才能幫助學(xué)生樹立正確的物理觀念。

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