不同教材“筷子提米”實(shí)驗(yàn)的比較研究

李丹霞 周新雅 周 行

摘? ?要

基于培育學(xué)生核心素養(yǎng)的視角，以呈現(xiàn)方式、內(nèi)容設(shè)計(jì)為突破口，對(duì)不同版本教材中的“筷子提米”實(shí)驗(yàn)，科學(xué)探究三序，逐一理性分析反映教材知識(shí)演化的邏輯順序、反映學(xué)生學(xué)習(xí)活動(dòng)的呈現(xiàn)順序、反映課堂教學(xué)流程的時(shí)空順序，在此基礎(chǔ)上順應(yīng)優(yōu)化教學(xué)結(jié)構(gòu)的基本要求對(duì)本實(shí)驗(yàn)的教學(xué)提出建議。

關(guān)鍵詞

筷子提米? 教材分析? 教學(xué)建議? 核心素養(yǎng)

在實(shí)行“一標(biāo)多本”的背景下，“課程標(biāo)準(zhǔn)”成為分析教材的基本依據(jù)。物理課程標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)調(diào)：“物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)立足于學(xué)生的實(shí)際，采取積極有效的教學(xué)方式，讓學(xué)生在活動(dòng)中獲得知識(shí)、技能，發(fā)展能力。”為實(shí)現(xiàn)演示實(shí)驗(yàn)在初中物理教學(xué)中的有效應(yīng)用，比較不同版本教材同一演示實(shí)驗(yàn)、分析其設(shè)計(jì)形式和揣摩其中的設(shè)計(jì)意圖就顯得尤為必要。

有鑒于此，從培育學(xué)生核心素養(yǎng)的視角，筆者著重對(duì)不同版本教材關(guān)于“筷子提米”實(shí)驗(yàn)進(jìn)行深入分析，挖掘出反映教材知識(shí)演化的發(fā)展順序、反映學(xué)生學(xué)習(xí)活動(dòng)的心理順序、反映課堂教學(xué)流程的時(shí)空順序，籍此對(duì)本實(shí)驗(yàn)的教學(xué)提出相關(guān)建議。

一、不同教材中“筷子提米”實(shí)驗(yàn)的呈現(xiàn)方式比較

人教1996版將“筷子提米”實(shí)驗(yàn)作為課前導(dǎo)入，引出“靜摩擦力”的概念定義。由于其生動(dòng)有趣，能夠引起學(xué)生的探究興趣和求知欲，從而加深了學(xué)生對(duì)“靜摩擦力”知識(shí)點(diǎn)的理解。

蘇科2007版、2012版以及浙教版都在教材正文中呈現(xiàn)演示實(shí)驗(yàn)，在“摩擦力”或“靜摩擦力”定義后，利用“筷子提米”實(shí)驗(yàn)證明“摩擦力”或“靜摩擦力”的存在，由此豐富學(xué)生的感性經(jīng)驗(yàn)。

人教1987版、1989版和2001版等教材將“筷子提米”作為課后小實(shí)驗(yàn)的形式呈現(xiàn)，明顯是對(duì)課堂教學(xué)的補(bǔ)充和延續(xù)，既有助于學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解與掌握，又能夠培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手操作能力和獨(dú)立解決問(wèn)題能力，還能夠有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

盡管“筷子提米”實(shí)驗(yàn)在不同教材中的呈現(xiàn)方式不同，基于學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展和教學(xué)的需要任選其一無(wú)可厚非，但如何呈現(xiàn)給學(xué)生以及銜接好課堂各教學(xué)環(huán)節(jié)尤為重要。讓學(xué)生在課前、課中或課后結(jié)合所學(xué)物理知識(shí)和生活實(shí)際，進(jìn)行有的放矢的體驗(yàn)式實(shí)驗(yàn)探究，亦不失為一種有效的實(shí)驗(yàn)教學(xué)嘗試。

二、不同教材中“筷子提米”實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容設(shè)計(jì)比較

在課堂教學(xué)過(guò)程中，要想通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)展示出的神奇物理現(xiàn)象來(lái)吸引學(xué)生注意力，引領(lǐng)學(xué)生透過(guò)現(xiàn)象看本質(zhì)，探究物理規(guī)律，分析物理原理，應(yīng)用物理知識(shí)，從而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)教學(xué)目標(biāo)，就需要深度學(xué)習(xí)教材內(nèi)容、比較其中的差異。

1.“筷子提米”實(shí)驗(yàn)在不同教材中的表層差異

研讀不同版本教材涉及的“筷子提米”演示實(shí)驗(yàn)，對(duì)其中是否加水、米的種類(lèi)及米量、杯子及筷子材質(zhì)、實(shí)驗(yàn)操作等表層差異展開(kāi)比較分析，如表1所示。

（1）對(duì)不同版本教材中實(shí)驗(yàn)是否加水的差異性研究。只有人教版教材（除1996版外）強(qiáng)調(diào)在米中加水，而其他版本并未采用。實(shí)際操作表明加水有利于提高實(shí)驗(yàn)成功率，這在后來(lái)的一些研究文獻(xiàn)中陸續(xù)被采用[1]。但“筷子提米”實(shí)驗(yàn)加水有兩大缺陷：一是等米吸收水分膨脹致演示耗費(fèi)時(shí)間過(guò)長(zhǎng);二是學(xué)生有可能會(huì)懷疑是水將大米、筷子、杯子黏在一起[2]，而無(wú)法與靜摩擦力聯(lián)系起來(lái)。因此，也許是認(rèn)識(shí)到這些缺陷，人教2001版之后的教材不再采用加水來(lái)提高實(shí)驗(yàn)成功率。

（2）對(duì)人教不同版次教材實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中米量的差異性研究。人教版從滿(mǎn)杯米到不滿(mǎn)杯的改變，說(shuō)明滿(mǎn)杯米不是實(shí)驗(yàn)成功的必要條件。根據(jù)糧倉(cāng)效應(yīng)，當(dāng)顆粒的高度H達(dá)到底部直徑的2倍時(shí)，底部的壓強(qiáng)不再變化而趨于一定的飽和值，原因在于容器側(cè)壁的摩擦力支持了顆粒物的重力[3]。筆者深入開(kāi)展關(guān)于不同米量的實(shí)驗(yàn)探究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。隨著米量增多，實(shí)驗(yàn)成功率隨之增加。因此，要想順利完成“筷子提米”實(shí)驗(yàn)，應(yīng)該盡量讓米量高度和上底面直徑的關(guān)系維持在H≥2d。

（3）對(duì)不同教材實(shí)驗(yàn)中筷子材質(zhì)的差異性研究。只有蘇科版強(qiáng)調(diào)用竹筷，并提出提高實(shí)驗(yàn)成功率的要求，其中有無(wú)必然聯(lián)系呢？文獻(xiàn)[4]表明：用包漆的塑料筷子的成功率遠(yuǎn)低于木質(zhì)筷子。蘇科版在實(shí)驗(yàn)中選擇“竹筷”，是實(shí)屬巧合還是故意為之？針對(duì)蘇科版教材進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，教師在演示實(shí)驗(yàn)后依照教材實(shí)驗(yàn)的要求，與學(xué)生探究思考如何提高實(shí)驗(yàn)成功率。接著引導(dǎo)學(xué)生抓住“竹筷”的關(guān)鍵字眼，進(jìn)一步誘導(dǎo)學(xué)生自主提出問(wèn)題：筷子的種類(lèi)是否影響著實(shí)驗(yàn)成功率？從而提出改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的初步猜想。即使探究的結(jié)果可能沒(méi)能實(shí)現(xiàn)提高成功率的目標(biāo)，這看似走彎路實(shí)則是通往探究目標(biāo)的正確道路。因?yàn)樵谶x擇筷子過(guò)程中，學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)同種材質(zhì)的筷子也有形狀、粗細(xì)的區(qū)別，從而引導(dǎo)他們自主探究如何提高實(shí)驗(yàn)成功率。

（4）對(duì)不同教材實(shí)驗(yàn)中杯子材質(zhì)的差異性研究。通過(guò)插圖展示或文字情境可知，只有浙教版選擇“紙杯”，其他版本教材均選擇玻璃杯，為何多數(shù)教材選擇玻璃杯呢？由于玻璃杯透明易碎的特性，能給學(xué)生制造實(shí)驗(yàn)難度很大的錯(cuò)覺(jué)，演示前引導(dǎo)學(xué)生給出錯(cuò)誤的回答，演示后的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象出乎學(xué)生意料，由此激起的前后矛盾推動(dòng)著課堂教學(xué)的發(fā)展。

2.“筷子提米”實(shí)驗(yàn)在不同教材中的深層差異

“筷子提米”實(shí)驗(yàn)在不同教材中呈現(xiàn)的形式多樣化。例如：浙教版只要求猜測(cè)現(xiàn)象，并在正文中直接解釋原理。人教版則要求思考實(shí)驗(yàn)原理，其中96版更是提出延伸拓展的思考題，給予學(xué)生探究思考的空間。蘇科版卻要求探究如何提高實(shí)驗(yàn)成功率，其對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)要求難度明顯有所提高，旨在培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力。

七年級(jí)學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展處于形象思維階段，應(yīng)以直觀教學(xué)為主。八、九年級(jí)學(xué)生的抽象邏輯思維逐漸發(fā)展起來(lái)，教學(xué)目標(biāo)可以有一定的難度。但教學(xué)內(nèi)容難度也不宜太大，控制在學(xué)生的“最近發(fā)展區(qū)”與課程標(biāo)準(zhǔn)的要求中最適當(dāng)[5]。也就是說(shuō)課堂教學(xué)在創(chuàng)設(shè)情境中導(dǎo)入新課，適當(dāng)增加演示實(shí)驗(yàn)的探究成分，獲取豐富的感性經(jīng)驗(yàn)后，引導(dǎo)學(xué)生自主提出問(wèn)題，利用理性思維得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，借助生活情境建構(gòu)物理知識(shí)。因此，七年級(jí)的科學(xué)課程實(shí)驗(yàn)欄目的設(shè)置應(yīng)盡量簡(jiǎn)化，利用科學(xué)小實(shí)驗(yàn)、生活化應(yīng)用、科技創(chuàng)新等普及科學(xué)知識(shí)，為八年級(jí)的物理學(xué)習(xí)打下良好基礎(chǔ)。八年級(jí)學(xué)生抽象邏輯思維逐步發(fā)展，教學(xué)目標(biāo)的難度適當(dāng)提高，因此在實(shí)驗(yàn)欄目的設(shè)計(jì)上滲透科學(xué)思維和科學(xué)探究的要素，旨在通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生利用科學(xué)思維思考問(wèn)題，猜測(cè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，透過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象推理實(shí)驗(yàn)結(jié)論，進(jìn)而建構(gòu)物理知識(shí)，如圖2所示。

3.不同教材中“筷子提米”實(shí)驗(yàn)的知識(shí)邏輯比較研究

不同教材中“筷子提米”實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)的知識(shí)邏輯存在明顯差異，縱觀表2可知，體現(xiàn)建構(gòu)物理概念的不同思路以及培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng)的層次要求不同。

仔細(xì)研讀教材，分析“筷子提米”實(shí)驗(yàn)在不同教材中的知識(shí)邏輯?！翱曜犹崦住睂?shí)驗(yàn)成功演示證明了靜摩擦力的存在，但只有人教1996版和蘇科2012版區(qū)分摩擦力，指出產(chǎn)生作用的是靜摩擦力，其他版本只是籠統(tǒng)地提到“摩擦力”。此類(lèi)教材對(duì)于靜摩擦力的忽視，致使知識(shí)脫節(jié)和跳躍，不利于銜接初高中關(guān)于摩擦力的深入學(xué)習(xí)。更為關(guān)鍵的是，有些教材完全不提及“靜摩擦力”，卻仍采用“筷子提米”實(shí)驗(yàn)，結(jié)果只能把實(shí)驗(yàn)原理簡(jiǎn)單歸納為“摩擦力的存在”。這樣的知識(shí)邏輯不利于學(xué)生對(duì)摩擦力概念的準(zhǔn)確理解，因?yàn)榻滩闹心Σ亮κ窃凇凹僭O(shè)兩個(gè)物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)”的情況下定義的，而“筷子提米”實(shí)驗(yàn)中筷子和米始終保持相對(duì)靜止，結(jié)果它們也存在摩擦力，那么教材定義“摩擦力”的前提假設(shè)——“兩個(gè)物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)”是必要條件還是非必要條件？如果是必要條件，那么筷子和米沒(méi)有發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，是否可以理解為不存在摩擦力？但教材又說(shuō)筷子和米之間保持相對(duì)靜止也存在摩擦力，這樣逆推回去，是否可以認(rèn)為定義“摩擦力”的前提假設(shè)——“兩個(gè)物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)”是非必要條件？教材呈現(xiàn)的知識(shí)邏輯混亂，難以掩蓋“摩擦力”概念定義存在的邏輯缺陷。

4.“筷子提米”實(shí)驗(yàn)在教材中存在的必要性分析

只有少數(shù)幾個(gè)版本設(shè)置“筷子提米”實(shí)驗(yàn)，尤其是人教版從2001之后不再設(shè)置“筷子提米”實(shí)驗(yàn)?？v觀人教版從1987版到2001版先后經(jīng)歷的修訂，主要是對(duì)實(shí)驗(yàn)的不斷改進(jìn)，原因在于原教材“筷子提米”實(shí)驗(yàn)存在可操作性差、實(shí)驗(yàn)成功率不高、耗時(shí)多等缺陷。之后隨著教材的多次修訂，知識(shí)點(diǎn)的內(nèi)容編排發(fā)生變動(dòng)，而演示實(shí)驗(yàn)是為引入某一知識(shí)概念而創(chuàng)設(shè)的情境，視學(xué)情的修訂變動(dòng)尤為必要。具體來(lái)說(shuō)，“筷子提米”實(shí)驗(yàn)是與“靜摩擦力”相關(guān)的，沒(méi)有提及“靜摩擦力”的教材，理所當(dāng)然不便涉及“筷子提米”實(shí)驗(yàn)，否則無(wú)法用所學(xué)知識(shí)加以解釋。到高中，有些版本剛好提及靜摩擦力概念，這時(shí)恰好可以演示“筷子提米”實(shí)驗(yàn)。為獲取震撼的視覺(jué)沖擊效果，在教學(xué)上建議變“筷子提米”為“木棍提缸”，這種創(chuàng)新演示實(shí)驗(yàn)既適應(yīng)高中生身心發(fā)展又可充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的視覺(jué)、觸覺(jué)等感官，生動(dòng)形象且極有感染力地向?qū)W生展示靜摩擦力的存在，極大地增強(qiáng)學(xué)生關(guān)注靜摩擦力的興趣[6]。

基于教材“筷子提米”實(shí)驗(yàn)的探究與分析，多角度地解讀教材實(shí)驗(yàn)，借助實(shí)驗(yàn)探究揣摩教材實(shí)驗(yàn)的修訂意圖以及設(shè)計(jì)意圖，為“一標(biāo)多本”背景下如何“用教材教”提供可靠的思路，有助于一線(xiàn)教師厘清初中物理教科書(shū)與課程標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系，合理開(kāi)發(fā)、利用課程資源進(jìn)行教學(xué)，尤其是在教學(xué)中善于利用演示實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)情境，激發(fā)學(xué)生的求知欲和探究欲，培養(yǎng)學(xué)生觀察能力、邏輯思維能力、實(shí)驗(yàn)操作能力，幫助學(xué)生過(guò)渡思維、掌握物理概念和規(guī)律，從而有效提高學(xué)生的物理核心素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)

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[6] 周新雅，周行，蔡孝文.基于教材“筷子提米”實(shí)驗(yàn)的科學(xué)探究與教學(xué)實(shí)踐[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2018，47（19）：66-67+70.

[作者：李丹霞（1995-），女，廣東汕頭人，江西師范大學(xué)物理與通信電子學(xué)院，碩士生;周新雅（1962-），男，江西南昌人，江西師范大學(xué)物理與通信電子學(xué)院，副教授，碩士生導(dǎo)師;周行（1988-），男，江西南昌人，江西師范大學(xué)物理與通信電子學(xué)院，實(shí)驗(yàn)師，博士。]

【責(zé)任編輯? 孫曉雯】