初中物理實驗教學(xué)的創(chuàng)新實踐

摘 要：物理實驗是學(xué)生獲取物理知識的重要手段，也是提高學(xué)生物理（科學(xué)）素養(yǎng)的重要載體。為了更好地實現(xiàn)物理實驗的功能，教師可根據(jù)具體情況，采用相應(yīng)的手段來優(yōu)化創(chuàng)新物理實驗教學(xué)。具體地，可以設(shè)置對照實驗，引發(fā)認知沖突；借助自制器材，強化具身體驗；引入數(shù)字技術(shù)，呈現(xiàn)直觀數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：初中物理；實驗教學(xué)；對照實驗；自制器材；數(shù)字技術(shù)

“義務(wù)教育物理課程是一門以實驗為基礎(chǔ)的自然科學(xué)課程?！保?］物理實驗是學(xué)生獲取物理知識的重要手段，也是提高學(xué)生物理（科學(xué)）素養(yǎng)的重要載體。為了更好地實現(xiàn)物理實驗的功能，教師可根據(jù)具體情況，采用相應(yīng)的手段來創(chuàng)新初中物理實驗教學(xué)。以下分享幾例實踐。

一、 設(shè)置對照實驗，引發(fā)認知沖突

對照實驗指的是向?qū)W生展示一個表面現(xiàn)象由幾種因素決定，而且反映本質(zhì)特征的現(xiàn)象與反映非本質(zhì)特征的現(xiàn)象糾纏在一起，甚至反映非本質(zhì)特征的現(xiàn)象比反映本質(zhì)特征的現(xiàn)象更為明顯的實驗，讓學(xué)生由觀察現(xiàn)象來分析原因；然后根據(jù)學(xué)生可能出現(xiàn)的判斷困難或判斷錯誤，再向?qū)W生演示另一類表面現(xiàn)象不同但內(nèi)在本質(zhì)一致的實驗，引發(fā)學(xué)生的認知沖突，讓學(xué)生進一步比較辨析，去偽存真，從而把握實驗所反映的本質(zhì)原理。

例如，“力臂”概念的教學(xué)，一般通過杠桿實驗展開——先給出杠桿的五要素（支點、動力、阻力、動力臂、阻力臂），然后探究杠桿平衡（直臂杠桿在水平方向平衡）的條件。這遵循的是知識的內(nèi)在邏輯。而如果從學(xué)生認知邏輯的角度，是存在問題的：學(xué)生怎么會想到定義力臂呢？如果說學(xué)生憑著經(jīng)驗或直覺，能夠判斷力是影響杠桿平衡的要素的話，那么，力臂則完全不在學(xué)生的經(jīng)驗系統(tǒng)與直覺里——力臂被定義為“支點到力的作用線的距離”，這一定義在絕大多數(shù)學(xué)生的認知中，都沒有相應(yīng)的表象與之對應(yīng)，也沒有任何情境支撐學(xué)生構(gòu)造這樣的表象或形成類似的經(jīng)驗。

對此，教師在教學(xué)中先是引導(dǎo)學(xué)生在杠桿處于水平位置平衡時，進行多次實驗，通過分析數(shù)據(jù)、推理論證，得出杠桿平衡的條件。當(dāng)教師提出作用點到支點的距離會影響杠桿平衡時，學(xué)生會很容易接納這一“錯誤”的認知。學(xué)生在剛才實驗的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)只要改變支點到力的作用點的距離，杠桿平衡就會被打破。于是，教師設(shè)置曲臂杠桿的對照實驗（如圖1所示），來引發(fā)學(xué)生的認知沖突。

曲臂杠桿中力的作用點位置發(fā)生了改變，杠桿還能保持平衡，學(xué)生自然產(chǎn)生認知沖突，他們就會思考兩個平衡的杠桿共同點是什么。當(dāng)教師在黑板上沿著右側(cè)兩個鉤碼豎直方向畫出一條直線時，學(xué)生恍然大悟：影響杠桿平衡的條件不再是原來點和點之間的距離，而是支點到力的作用線之間的距離。學(xué)生經(jīng)歷了錯誤的前概念到矛盾認知沖突再到糾正錯誤認知的過程。整個過程比教師直接講解更直觀，更能幫助學(xué)生理解力臂概念的本質(zhì)。

二、 借助自制器材，強化具身體驗

“教學(xué)有法，教無定法?！辈煌膶嶒灲虒W(xué)伴隨著不同的實驗器材。如果實驗器材不能滿足實驗教學(xué)的需要，就會導(dǎo)致許多實驗無法進行或?qū)嶒炐Ч患?、不明顯。自制實驗器材，不僅可以彌補這樣的不足，保證實驗效果，還能強化學(xué)生的具身體驗，調(diào)動學(xué)生課堂學(xué)習(xí)的積極性。

例如，“滑輪”的教學(xué)，教師通過自制實驗器材幫助學(xué)生厘清知識間的邏輯關(guān)系。首先，提出“利用杠桿提升物體”的任務(wù)，并讓學(xué)生探究后提出這種方式的不足。學(xué)生對于用杠桿提升物體并不陌生，且能大致提出兩種方法：一種是把物體撬起來，另一種是把物體吊起來。對于不足，更多學(xué)生還是從杠桿分類的思考角度，只有少部分學(xué)生能夠提出：提升物體的高度受限。教師抓住這一不足，引導(dǎo)學(xué)生思考杠桿提升物體高度受限的原因：提升物體不具有連續(xù)性?！安痪哂羞B續(xù)性”被提出后，學(xué)生自然想到可以繼續(xù)添加杠桿連續(xù)提升物體。但至于如何添加杠桿，這對學(xué)生來說是非常具有挑戰(zhàn)性的問題。教師可以展示自制實驗器材（如下頁圖2所示，由多根彩色吸管、木工螺絲和配套螺帽制作而成；選用多種顏色的吸管，便于學(xué)生清楚地辨別和觀察到哪根杠桿受力，進而更容易分析出滑輪的原理）進行演示。這樣的自制實驗器材，能夠幫助學(xué)生自主建構(gòu)滑輪與杠桿之間的知識聯(lián)系，還能幫助學(xué)生利用杠桿平衡條件分析為何在豎直向上提升物體時最省力，而沿其他方向施加拉力時，動滑輪可能是省力杠桿，也可能是費力杠桿。此時，教師可出示定滑輪的裝置圖，并布置將定滑輪與杠桿原形匹配的任務(wù)。學(xué)生在剛才杠桿演變成滑輪的基礎(chǔ)上，能夠利用逆向思維發(fā)現(xiàn)定滑輪的工作原理，對于定滑輪的工作特點也就了然于胸。

自制實驗器材，并不需要用高大上的設(shè)備，只需要用學(xué)生熟悉的物品，進行創(chuàng)新組裝，就能幫助學(xué)生實現(xiàn)概念理解的降階，發(fā)現(xiàn)物理的奧秘。這不僅能引發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，還能激活學(xué)生充分挖掘身邊物品潛在學(xué)習(xí)價值的意識，更能拓展學(xué)生的思維方式。

三、 引入數(shù)字技術(shù)，呈現(xiàn)直觀數(shù)據(jù)

數(shù)字技術(shù)主要有數(shù)據(jù)采集的智能化、定量研究的便捷化、實驗現(xiàn)象的直觀化等優(yōu)勢。在物理實驗教學(xué)中，教師可引入數(shù)字技術(shù)，將不易觀察的實驗現(xiàn)象以圖像和數(shù)字等形式顯示出來，便于學(xué)生直觀地觀察（收集）實驗數(shù)據(jù)，深刻理解實驗原理。

例如，在“探究動能的影響因素實驗”教學(xué)中，教師先讓學(xué)生思考：你認為動能的大小可能與什么因素有關(guān)？學(xué)生基于生活經(jīng)驗?zāi)軌蚝芸斓卣f出與速度和質(zhì)量有關(guān)。當(dāng)具體開展動能與這兩個因素的關(guān)系的探究實驗時，學(xué)生遇到了困惑：探究動能與質(zhì)量的關(guān)系時，必須控制速度相同，但是如何控制速度相同呢？由于學(xué)生才剛剛接觸能量和功之間的關(guān)系，無法用功和能的關(guān)系來說明速度相同。不少學(xué)生想到用手推，教師通過追問幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)思維的不嚴(yán)謹：很難控制手對小車作用力的大小，也就很難控制小車離開手時的位置和速度相同。對此，有學(xué)生想到用彈射裝置，用相同的形變量對小車施加力；也有學(xué)生看了教材后想到在同一斜面的同一高度由靜止釋放小車，就可以使小車到達水平面的速度是相同的。以上的實驗沒有顯性的圖像和精確數(shù)據(jù)，很難讓學(xué)生信服。教師適時引入數(shù)字技術(shù)幫助學(xué)生突破這一難點。借助數(shù)字傳感器，學(xué)生通過分析圖3發(fā)現(xiàn)：當(dāng)質(zhì)量不同的小車從斜面的同一高度由靜止滑下，到達水平面的速度是相同的；而用相同的彈簧發(fā)生相同的形變量對質(zhì)量不同的小車發(fā)生作用時，不同質(zhì)量的小車離開彈簧時的速度并不相同。直觀的數(shù)據(jù)對比，會讓學(xué)生產(chǎn)生新的疑惑。這就為后面“能量的轉(zhuǎn)化”知識的學(xué)習(xí)起到了鋪墊作用。

最后需要指出，實驗教學(xué)的創(chuàng)新實踐是教師對實驗的深刻理解，對教育的特有感悟，也是對科學(xué)精神的不懈追求；但是同時，筆者也認為，教材實驗都是經(jīng)過教育專家和學(xué)者綜合多方因素，經(jīng)過很長時間的實踐論證，蘊含特定的人文底蘊和科學(xué)精神，因此不能改變教材中經(jīng)典實驗的原理和本質(zhì)，很多實驗只宜在某些細節(jié)方面稍做改進。

參考文獻：

［1］中華人民共和國教育部.義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）［S］.北京：北京師范大學(xué)出版社，2022：1.

［2］徐敏.數(shù)字化實驗在初中化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用——以《二氧化碳的釋放與吸收》一課為例［J］.教育研究與評論（中學(xué)教育教學(xué)），2018（10）：92.

*本文系江蘇省無錫市“十四五”規(guī)劃課題“指向初中生物理學(xué)科素養(yǎng)養(yǎng)成的真實性評價研究”（編號：E/E－b/2021/01）的階段性研究成果。