初中物理實驗可視化教學實踐

文/吳 偉

物理實驗是學生觀察現(xiàn)象，建立物理概念、規(guī)律的重要支撐，也是學生檢驗物理概念、規(guī)律的重要手段。對于初中生而言，物理實驗不僅是重要的學習內(nèi)容，還是必不可少的學習方法。物理實驗過程中往往存在著不明顯的實驗現(xiàn)象、繁雜的實驗方法、抽象的實驗規(guī)律等，這些內(nèi)容與學生的認知和思維的發(fā)展情況存在一定的差距，大部分學生難以掌握這些內(nèi)容。與之相比，學生能輕松地接受直觀、簡單的實驗內(nèi)容?；诖?，教師要應(yīng)用可視化的方式實施實驗教學，確保教學契合學生認知、思維發(fā)展情況，助力學生掌握物理概念、規(guī)律和學習方法?？梢暬虒W是指在教學過程中，運用各種可視化的工具或方法，如圖片、視頻、手繪圖、思維導圖等，直觀、清晰、具體地展現(xiàn)抽象、復(fù)雜的教學內(nèi)容，實現(xiàn)內(nèi)容或形式的可視化，促使學生理清思路，建立認知的教學活動[1]。初中物理教師要善用不同的可視化方式實施實驗教學。

一、利用卡通人物畫實施實驗教學

卡通人物畫是一種夸張、形象、趣味的藝術(shù)形式，對初中生有極強的吸引力，常常被應(yīng)用于情境創(chuàng)設(shè)環(huán)節(jié)[2]。物理教師可以依據(jù)物理實驗教學內(nèi)容，繪制相關(guān)的卡通人物畫，直觀再現(xiàn)物理現(xiàn)象，激發(fā)學生興趣，促使學生觀察、探究。

圖1 平面鏡成像的卡通人物畫

在生活經(jīng)驗的助力下，學生從圖中獲取了各種各樣的信息，如“畫中的兩個人物到平面鏡的距離相等”“畫中兩個人物的大小一樣”等。基于此，教師初步概述平面鏡成像的概念，并引導學生思考：“針對平面鏡成像的特點，你想到了什么？”學生興致高昂地進行探究。

通過呈現(xiàn)卡通人物畫，教師順其自然地創(chuàng)設(shè)了生活情境。在生活情境中，學生能夠產(chǎn)生強烈的興趣，遷移已有認知，獲取信息，深入分析，真正進入物理實驗課堂。

二、利用“圖”說方式實施實驗教學

“圖”包括圖形、圖表、圖片、圖像等，可以直觀、清晰地展現(xiàn)抽象的知識和知識點間的邏輯關(guān)系，便于學生發(fā)揮形象思維的作用，歸納出知識點和知識點間的邏輯關(guān)系，建立深刻的認知[3]。在物理實驗課堂上，教師要依據(jù)教學需要，善用“圖”說的方式助力學生建立認知。

以“水的沸騰特點”為例，教師引導學生操作實驗。在學生觀察實驗現(xiàn)象時，教師提出任務(wù)：“觀察實驗現(xiàn)象，繪畫沸騰時液體表面和液體內(nèi)部的氣泡。思考問題：在沸騰前、沸騰中，液體內(nèi)部和表面的氣泡有什么不同？液體在沸騰前、沸騰后，溫度發(fā)生了怎樣的變化？”在任務(wù)的推動下，學生有目的地觀察沸騰前、沸騰時的氣泡變化情況，并就此繪制圖像（如圖2）。在繪制后，學生分析圖像，直觀地判斷沸騰前、沸騰時的氣泡變化情況。

圖2 水沸騰前、沸騰時的氣泡變化

在此過程中，有學生提出疑問：“為什么沸騰之前，氣泡從容器底部到液體表面由大變??？為什么沸騰時，氣泡由小變大？”其他學生因此產(chǎn)生探究興趣。于是，教師鼓勵學生合作交流。大部分學生遷移物理認知和生活經(jīng)驗，分析原因，建立一定的認知。

學生利用“圖說”方式直觀地展現(xiàn)了實驗現(xiàn)象，并由此提出了問題，推動了實驗教學走向深入。學生在直觀圖像的助力下深入探究，做到知其然知其所以然，同時鍛煉了形象思維能力、物理表征能力。

三、利用教學動畫實施實驗教學

教學動畫是在有關(guān)教育理論的指引下，圍繞某一教學內(nèi)容，利用動畫軟件制作出的動畫，具有直觀性、動態(tài)性、交互性，助力人機互動[4]。在教學動畫的輔助下，學生會發(fā)揮思維作用，觀察、分析直觀現(xiàn)象，抽象出結(jié)論，由此輕松地建立良好認知。對此，教師應(yīng)緊抓實驗過程，利用教學動畫展現(xiàn)實驗內(nèi)容。以“凸透鏡成像”為例，教師在電子白板上呈現(xiàn)實驗方案，引導學生思考：“凸透鏡的成像的虛實、大小、正倒與物距之間有什么關(guān)系？”學生代表登臺操作電子白板，安裝實驗裝置。之后，學生代表移動蠟燭，改變蠟燭與凸透鏡之間的距離，得到不同的像，并由此收集、整理數(shù)據(jù)。其他學生認真觀看，分析現(xiàn)象，整理數(shù)據(jù)，建立一定的直觀認知。

在學生代表操作結(jié)束后，教師用動畫演示“凸透鏡成像規(guī)律的特點”的截圖，直觀展現(xiàn)蠟燭火焰的虛實、大小、正倒變化情況。同時，教師提出任務(wù)：“觀察截圖，聯(lián)想實驗過程，整理物像距離和成像大小情況，建立表格?！睂W生邊觀察截圖，邊回想實驗過程，認真分析，借助直觀現(xiàn)象了解物距、像距、像的大小、像的性質(zhì)，形成表格，形成較為全面的認知。之后，學生毛遂自薦，利用電子白板展現(xiàn)自己繪制的表格（見表1）。

對照一組與確診為前、后半規(guī)管耳石癥的研究一組患者采用Epley手法復(fù)位[3]治療,醫(yī)生指導患者頭部定向擺動,在重力的作用下使耳石復(fù)位。

表1 物像距離和成像大小情況

教師就此引導學生總結(jié)“像”的變化與聚焦的關(guān)系。在各種教學動畫（數(shù)字化實驗、實驗動畫截圖）的助力下，學生發(fā)揮形象思維作用，細心觀察蠟燭的虛實、大小、正倒變化情況，結(jié)合具體數(shù)據(jù)，一步步地總結(jié)出“像”的變化與焦距之間的關(guān)系，建立深刻的認知。同時，在整個可視化的實驗學習過程中，學生順其自然地鍛煉了觀察分析能力、歸納總結(jié)能力，便于提升實驗學習水平。

四、利用改進實驗實施實驗教學

（一）改進實驗器材

實驗器材是師生操作物理實驗的支撐。在實驗器材不當?shù)那闆r下，實驗現(xiàn)象難以顯現(xiàn)。教師要善于改進實驗器材，引導學生動手操作，使實驗現(xiàn)象可視化。

以“壓力的作用效果”為例，當教師按照教材實驗進行操作時，學生無法清晰地觀察到一些微小的形變。針對此情況，教師改進實驗器材，用白紙、木架替代海綿、沙子，確保顯現(xiàn)微小形變。在實驗過程中，學生依據(jù)實驗方案，將一張白紙固定在木架上，使白紙保持水平、懸空狀態(tài)。接著，學生在白紙上擺放一個實驗小桌（四腿朝下），細心觀察白紙的變化。學生在實驗小桌上放置一盒鉤碼，再觀察白紙的變化。然后，學生將小桌反扣在白紙上，繼續(xù)觀察白紙的變化。

通過改進實驗器材，學生獲得了觀察細微變化的機會。在觀察過程中，學生對比、思考，借助直觀的現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)了與壓力作用效果有關(guān)的因素。同時，部分學生因此汲取實驗經(jīng)驗，拓展思維，自主改進實驗，操作實驗，利用可視化的方式學習物理知識，切實提高了物理學習水平。

（二）使用非常規(guī)實驗

非常規(guī)實驗是指生活化的實驗，即依據(jù)教學需要，利用生活中常見的物品自創(chuàng)的有趣、簡單的實驗。與教材中的物理實驗相比，非常規(guī)實驗簡單、易操作。學生可以獲得實驗機會，利用可視化的方式學習物理知識。因此，教師可以依據(jù)物理教學的需要，引入非常規(guī)實驗。

以“浮力的方向”為例，在講到該知識點時，教師為各組發(fā)放實驗器材——乒乓球、紅色細線、小石塊、圓形透明水槽、適量水，引導學生操作實驗。在操作時，各組在乒乓球的上下兩端固定紅色細線，并在下端的細線綁上一塊小石塊。小組成員拉起乒乓球上端的細線，確保乒乓球上下兩端的細線處于同一直線上。此時，小組成員手持上端的細線，慢慢地將乒乓球移動到圓形水槽中。隨著小石塊慢慢地沉入水底，小組成員發(fā)現(xiàn)乒乓球上下兩端的紅色細線仍在同一條直線上。

在實驗現(xiàn)象的助力下，學生直觀地發(fā)現(xiàn)浮力的方向和重力的反向是相反的，從而建立深刻的認知。同時，學生順其自然地掌握了“浮力產(chǎn)生的原因”這一重點內(nèi)容，增強了課堂學習效果。

五、利用手繪圖實施實驗教學

手繪圖是利用清晰、簡潔的線條，通俗易懂的語言符號，快速、形象地展現(xiàn)自己的所看所想的“工具”。一般來說，手繪圖呈現(xiàn)了學生實驗觀察、思考的結(jié)果，便于學生了解自身的實驗學習情況。同時，學生可以借助手繪圖，加深對實驗的記憶和理解，鍛煉想象能力、動手能力等?；诖?，物理教師可以在實驗之后，引導學生回顧實驗過程，繪制手繪圖。

以“串聯(lián)和并聯(lián)電路的電流”為例，在實驗課堂上，學生與小組成員合作設(shè)計實驗方案，動手操作實驗器材，觀察、分析實驗現(xiàn)象，得出物理規(guī)律。在課堂總結(jié)環(huán)節(jié)，教師依據(jù)學生的課堂學習情況，引導學生回想實驗過程，并手繪串聯(lián)、并聯(lián)電路的電流實驗圖。

趣味的活動很容易激發(fā)學生興趣。學生在腦海中描繪串聯(lián)、并聯(lián)電路的電流實驗過程，就此繪制流程圖。在繪制的過程中，學生認真思考、分析，發(fā)現(xiàn)自己的實驗學習漏洞。基于此，學生主動向他人請教，彌補學習漏洞。

在學生完成手繪圖后，教師隨機選擇一幅作品，利用電子白板進行展示，并鼓勵作者化身為“小先生”，描述實驗過程、現(xiàn)象和結(jié)論。其他學生看、聽、想，發(fā)現(xiàn)問題，及時提出并進行集體討論。在集體討論的過程中，大部分學生通過自主反思，確定自己的學習漏洞，主動彌補。

學生通過繪制實驗手繪圖，順其自然地進行了自主反思，彌補了學習漏洞。

六、利用思維導圖實施實驗教學

思維導圖是一種思維工具，展現(xiàn)了全腦分工的理論精髓，實現(xiàn)了左右腦的完美融合。學生在繪制思維導圖的過程中，可以發(fā)揮全腦潛能，使用簡潔的線條、色彩、圖畫表示復(fù)雜、抽象的信息，突出重點，建立清晰的邏輯認知。部分學生可以獲取可視化的記憶方法、理解方法，便于展開自主學習。在參與物理實驗教學過程中，學生獲取了相關(guān)的知識點。在實驗教學收束階段，教師要引導學生繪制思維導圖，梳理、歸納知識點，建立系統(tǒng)認知。

以“歐姆定律”為例，在實驗教學結(jié)束之際，教師提出任務(wù)：“請大家回想實驗探究過程，建立思維導圖，總結(jié)相關(guān)的知識點?！痹诖巳蝿?wù)的推動下，學生邊回想邊分析，自覺用文字內(nèi)容描述物理實驗及相關(guān)結(jié)論，由此梳理學習內(nèi)容。在此過程中，有學生發(fā)現(xiàn)知識漏洞，或利用手繪圖，或利用教學動畫，或向教師請教，運用多種方式彌補了知識漏洞。同時，學生在繪制思維導圖的過程中，始終發(fā)揮邏輯思維作用，切實提升了邏輯思維水平。

七、結(jié)束語

總而言之，可視化的教學方式是物理實驗教學的助力，便于學生在獲得實驗機會的同時，直觀、清晰地建立物理認知，掌握實驗方法，鍛煉多種能力，增強實驗學習效果。對此，初中物理教師要依據(jù)實驗教學需要，善用卡通概念、“圖”說方式、教學動畫、改進實驗、手繪圖、思維導圖等可視化地實施實驗教學，助力學生操作、觀察實驗，透過實驗現(xiàn)象得出物理結(jié)論，實現(xiàn)物理學習能力的發(fā)展。