培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的低成本物理實(shí)驗(yàn)開發(fā)

摘 要：物理學(xué)科思維和物理實(shí)驗(yàn)探究是物理學(xué)科核心素養(yǎng)中重要的內(nèi)容。物理實(shí)驗(yàn)是科學(xué)思維的基礎(chǔ)與重要載體，物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的分析，需要科學(xué)的思維與方法進(jìn)行分析與論證。文中通過開發(fā)的幾個低成本物理實(shí)驗(yàn)，闡述如何培養(yǎng)學(xué)生的抽象概括能力、分析推理能力、分析綜合能力等。

關(guān)鍵詞：科學(xué)思維；低成本；物理實(shí)驗(yàn)

中圖分類號：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

2017年8月教育部《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)修訂稿》送審稿中，科學(xué)思維和物理實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)科核心素養(yǎng)中重要的內(nèi)容，兩者相輔相成；物理實(shí)驗(yàn)是科學(xué)思維的基礎(chǔ)與重要載體，物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的分析，需要科學(xué)的思維與方法進(jìn)行分析與論證；不斷地開展物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生的科學(xué)思維才能得到持續(xù)發(fā)展。[1]因此低成本物理實(shí)驗(yàn)的開發(fā)，既有利于擴(kuò)充學(xué)校校本資源，更重要的是訓(xùn)練學(xué)生的科學(xué)思維。

科學(xué)思維中常用的思維方法有分析、綜合、抽象、概括、推理、論證等。在實(shí)際的教學(xué)過程中，我們可以通過開發(fā)與應(yīng)用低成本物理實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生的物理抽象概括能力、分析推理能力、分析綜合能力等。

一、利用低成本物理實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生的抽象概括能力

抽象與概括是物理學(xué)中重要的科學(xué)思維能力，“物理抽象是觀察、實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過物理概念、物理判斷和物理推理的形式，對已獲得的物理事實(shí)進(jìn)行加工處理而形成的物理對象、物理現(xiàn)象、物理過程的本質(zhì)和規(guī)律的認(rèn)識。”[2]概括是在抽象的基礎(chǔ)上，把所有反映物理本質(zhì)的屬性概括成一個整體。

對于物理概念與原理的講解，由于時間與精力受限，許多教師僅通過口頭上對物理概念中一些關(guān)鍵詞進(jìn)行分析。由于缺乏直觀的物理現(xiàn)象，就會導(dǎo)致學(xué)生對概念理解片面的現(xiàn)象，不利于抽象概括能力的培養(yǎng)。因此低成本物理實(shí)驗(yàn)的開發(fā)與應(yīng)用，不僅可以節(jié)約時間與經(jīng)濟(jì)成本，更有利于學(xué)生直觀理解抽象的物理知識，也有利于學(xué)生對物理學(xué)習(xí)興趣的培養(yǎng)。

案例：探究重力的方向——豎直向下實(shí)驗(yàn)

在學(xué)習(xí)“重力”這一節(jié)時，關(guān)于重力的方向這一個概念，學(xué)生已經(jīng)具備垂直向下的前概念。但是由于缺乏對于水平面的認(rèn)識，中學(xué)生經(jīng)常將垂直向下與豎直向下這兩個概念混為一談。為了方便學(xué)生能夠?qū)⑦@兩個概念區(qū)分開來，可通過下面的實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生直觀地理解這兩個抽象的概念。

【實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象】改變裝置與桌面傾角時，細(xì)線方向始終與水平面垂直。

【實(shí)驗(yàn)原理】重力的方向總是豎直向下。

【實(shí)驗(yàn)材料】紅細(xì)線、鐵架臺、水槽、重物、水等。

【制作與教學(xué)過程】

①將細(xì)線拴著的重物小球掛在鐵架臺上，將細(xì)線剪斷觀察小球下落的方向，與細(xì)線的方向?qū)Ρ?，分析得出重力的方向與細(xì)線的方向一致；

②水槽中加入適量的水放置在鐵架臺的底座上；

③觀察細(xì)線與槽中水水平面的位置關(guān)系：垂直于水平面；

④改變鐵架臺底座與水平面的夾角，觀察細(xì)線與水槽中水平面的位置關(guān)系：始終垂直于水平面；進(jìn)而抽象概括出豎直向下的概念：垂直于水平面向下（見圖1）。

【評價】該實(shí)驗(yàn)是對蘇科版課本中的探究重力方向的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)。在課本原有的裝置上添加一個裝有水的水槽，通過改變整個裝置與水平桌面的夾角，觀察細(xì)線與水槽中水平面的位置關(guān)系，有助于學(xué)生能夠?qū)⒋怪毕蛳屡c豎直向下兩者區(qū)分開來。

二、利用低成本物理實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生分析推理能力

推理能力是指學(xué)生在學(xué)習(xí)生活中做出判斷之前對事物進(jìn)行一定自我理解的過程；物理推理能力是指在學(xué)習(xí)物理過程中總結(jié)出來的一種習(xí)慣性的思維模式。物理推理過程有一個最重要的特征就是實(shí)驗(yàn)特性，以物理實(shí)驗(yàn)作為物理推理能力的培養(yǎng)皿，對物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的分析過程就是訓(xùn)練學(xué)生分析推理能力的過程。因此，開發(fā)低成本物理實(shí)驗(yàn)，不僅有利于學(xué)生對物理原理的理解，更重要的是在這個過程中能夠提高學(xué)生的分析推理能力。

案例1：探究滑動摩擦力的條件之一——擠壓實(shí)驗(yàn)

在學(xué)習(xí)滑動摩擦力這一節(jié)時，滑動摩擦力產(chǎn)生的條件——接觸、相對運(yùn)動，對于學(xué)生而言，由于具備一定的生活常識，學(xué)生很容易理解這兩個條件。但是產(chǎn)生摩擦力還需要擠壓這一條件，在生活中缺乏直觀的認(rèn)識，學(xué)生理解起來比較困難。有部分老師因此提倡利用傳感技術(shù)，通過計(jì)算機(jī)呈現(xiàn)壓力數(shù)據(jù)的變化讓學(xué)生直觀地體會擠壓的存在，但是會帶來一個問題：學(xué)生會因此缺乏物理的思維能力，落入“為了直觀而直觀”的教學(xué)陷阱。所以我們可以利用下面這一低成本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)+推理，讓學(xué)生理解滑動摩擦力的條件之一——擠壓。

【實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象】兩個木塊均做自由落體運(yùn)動，只聽到一次落地聲響。

【實(shí)驗(yàn)原理】一個物體在另一個物體表面滑動時，兩個物體之間如果沒有相互擠壓，兩個物體的接觸面上也就沒有滑動摩擦力。

【實(shí)驗(yàn)材料】兩個完全相同的物體、墻面等。

【制作與教學(xué)過程】

①將兩個完全相同的物體舉到相同的高度；一個緊靠豎直墻面，另一個遠(yuǎn)離墻面，將它們同時釋放，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象；

②根據(jù)它們同時下落到地面，只發(fā)出一次聲響分析：根據(jù)力與運(yùn)動的關(guān)系，兩個木塊運(yùn)動情況相同，進(jìn)而可推理出兩個木塊只受重力作用，進(jìn)一步可分析出緊貼墻面的木塊沒有摩擦力作用，因此可以得出摩擦力產(chǎn)生的條件之一——擠壓。

【評價】該實(shí)驗(yàn)的開發(fā)是教學(xué)的需要，加上對生活中自由下落現(xiàn)象的捕捉，對摩擦力實(shí)驗(yàn)進(jìn)行創(chuàng)新改造。學(xué)生觀察到兩個相同的物體同時下落，對它們下落的情況進(jìn)行對比，加上科學(xué)推理，得出滑動摩擦力產(chǎn)生的條件之一：擠壓。

案例2：輕質(zhì)氣球被吸引實(shí)驗(yàn)

在學(xué)習(xí)“靜電現(xiàn)象”一節(jié)時，傳統(tǒng)的做法是利用生活中摩擦后的刻度尺、梳子等物體能夠吸引小紙屑，得出帶電體能夠吸引輕小物體的結(jié)論。這會使得大部分學(xué)生忽略另外一種的情況：帶電的輕小物體同樣也能夠吸附在不帶電的物體上。這樣會導(dǎo)致學(xué)生對于吸引作用中所包含的相互作用理解不夠透徹。

【實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象】兩次實(shí)驗(yàn)氣球均被吸附在手臂上。

【實(shí)驗(yàn)原理】帶電體能吸引輕小物體；異種電荷相互吸引。

【實(shí)驗(yàn)材料】細(xì)線、氣球、手臂等。

【制作與教學(xué)過程】

①將細(xì)線拴著的氣球懸掛于兩臂之間，觀察此時氣球的位置（見圖2）；

②將未摩擦的氣球與摩擦之后左手臂再次分別放回原來的位置，并伸直，觀察氣球與手臂的吸引情況（見圖3）；

③將氣球與左手臂摩擦，氣球放回原來的位置，將未摩擦的右手臂伸直，觀察氣球與右手臂的現(xiàn)象（見圖4）；

④分析這兩次氣球被吸引的情況：一次氣球未帶電被吸引，一次氣球摩擦后帶電被吸引，這兩次分別說明帶電體能吸引輕小物體，帶電的輕小物體也能吸附在其他物體上，進(jìn)而引申出典型的兩個輕質(zhì)小球相互吸引的情況（見圖5）：一是B、C小球帶異種電荷，二是B、C一個帶電荷，一個不帶電。

【評價】該實(shí)驗(yàn)是對傳統(tǒng)靜電現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)，將傳統(tǒng)的細(xì)紙屑換成氣球，通過將摩擦后的手臂與氣球靠近，并在此基礎(chǔ)上增加：將摩擦后的氣球與手臂靠近這一步，兩次均被吸引，進(jìn)而加深學(xué)生對吸引作用中所內(nèi)含的“相互作用”概念。根據(jù)“輕質(zhì)氣球被吸引”這一實(shí)驗(yàn)，不僅能夠激發(fā)學(xué)生物理學(xué)習(xí)的興趣，更有助于提升學(xué)生物理分析推理能力。

三、利用低成本物理實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生的綜合分析能力

分析就是把研究對象分解為各個組成部分和要素，然后分別加以研究，從而揭露事物的本質(zhì)特征。綜合就是在分析的基礎(chǔ)上，把研究對象的各個組成部分或要素在思維中重新組成一個整體。[3]在物理教學(xué)過程中，物理原理是在物理實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過對物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的分析并加以綜合得出的。同樣，在我們學(xué)習(xí)完物理知識之后，我們也可以通過將幾個物理知識加以綜合，開發(fā)有趣的物理實(shí)驗(yàn)。

案例1：光沿直線傳播實(shí)驗(yàn)

在學(xué)習(xí)“光的直線傳播”一節(jié)時，對于光的直線傳播條件之一——同種介質(zhì)，傳統(tǒng)的教學(xué)是利用光從空氣斜射到玻璃磚中，得出這一條件，而對于另一條件——均勻介質(zhì)，課本和大部分教師采用模糊處理，利用一些生活光在空氣中沿直線傳播的例子，直接得出這一條件。這種做法缺少對學(xué)生物理分析思維的訓(xùn)練，也有部分教師采用的是海波溶液與水的混合，但是實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不夠明顯，為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)分析帶來一定的困難。所以我們利用光在糖水中傳播情況的變化，提升學(xué)生對于物理現(xiàn)象的綜合分析能力。

【實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象】激光筆對準(zhǔn)清水部分與飽和的糖水部分，觀察到光線是直線傳播；激光筆對準(zhǔn)水和飽和糖水的中間部分，觀察到光線是曲線傳播；利用玻璃棒將糖水?dāng)嚢杈鶆?，觀察到光線從曲線變成直線。

【實(shí)驗(yàn)原理】光在同種均勻介質(zhì)中沿直線傳播；光在同種不均勻介質(zhì)中傳播時，方向會發(fā)生偏折。

【實(shí)驗(yàn)材料】水、紅糖、玻璃水槽、激光筆等。

【制作與教學(xué)過程】

①配好飽和的紅糖水置于水槽底端；

②沿著水槽壁慢慢加入適量清水；

③隨后利用激光筆分別照射水槽底端糖水部分以及上端清水部分；根據(jù)光線是直線傳播分析出光沿直線傳播的一個條件——同種介質(zhì)（見圖6）；

④通過激光筆對準(zhǔn)清水與糖水的分界處，觀察光線的曲直（見圖7）；接著利用玻璃棒將糖水?dāng)嚢杈鶆?，觀察此時光線的曲直情況（見圖8）。通過這兩次的現(xiàn)象對比分析得出：均勻介質(zhì)是光沿直線傳播的另一條件。

⑤在分析的基礎(chǔ)上，綜合可以得出：光沿直線傳播的兩個條件——同種介質(zhì)、均勻介質(zhì)。

【評價】該實(shí)驗(yàn)是利用生活中的材料以及教學(xué)需要，對文獻(xiàn)中已有的案例進(jìn)行模擬。與傳統(tǒng)課本提供的實(shí)驗(yàn)相比，更有利于學(xué)生對光沿直線傳播——均勻介質(zhì)這一條件的把握，同時在光沿直線傳播這一實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，通過分步實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)象分析，有助于提升學(xué)生對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的綜合分析能力。

案例2：混色實(shí)驗(yàn)

由于受到學(xué)科中心課程的影響，中學(xué)生往往掌握的是割裂的知識（如很難將書本中光的三原色混合與凸透鏡對光線會聚作用等知識點(diǎn)聯(lián)系起來），不能在整體聯(lián)系中進(jìn)行學(xué)習(xí)，不利于學(xué)生物理思維的形成。在物理知識的教學(xué)環(huán)節(jié)后，我們可以利用綜合實(shí)驗(yàn)——混色實(shí)驗(yàn)，將學(xué)生光現(xiàn)象的一些物理知識聯(lián)系起來，組成一個整體，提升中學(xué)生的物理科學(xué)思維品質(zhì)。

【實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象】當(dāng)凸透鏡鏡頭是藍(lán)色、綠色、黑色三片濾色鏡組合時，白紙上呈現(xiàn)青色；當(dāng)鏡頭是紅色、綠色、黑色三片濾色鏡組合時，白紙上呈現(xiàn)黃色；當(dāng)鏡頭是紅色、綠色、藍(lán)色三片濾色鏡組合時，白紙上呈現(xiàn)白色[4]。

【實(shí)驗(yàn)原理】凸透鏡對光線有會聚作用，光的三原色原理。

【實(shí)驗(yàn)材料】凸透鏡、四種濾鏡紙（紅、綠、藍(lán)、黑）、白紙等。

【制作與教學(xué)過程】

①用藍(lán)、綠、黑三種濾色鏡拼成的凸透鏡，正對太陽光，調(diào)整凸透鏡與白紙之間的距離，觀察白紙上光斑的顏色（見圖9a）；

②用紅、綠、黑三種濾色鏡拼成的凸透鏡，正對太陽光；調(diào)整凸透鏡與白紙之間的距離，觀察白紙上光斑的顏色（見圖9b）；

③用紅、綠、藍(lán)三種濾色鏡拼成的凸透鏡，正對太陽光。調(diào)整凸透鏡與白紙之間的距離，觀察白紙上光斑的顏色（見圖9c）。

【評價】該實(shí)驗(yàn)是對傳統(tǒng)色光混合實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)與創(chuàng)新。將凸透鏡對光線的會聚作用、光的三原色原理、濾鏡原理等相結(jié)合，通過綜合實(shí)驗(yàn)的活動方式，讓學(xué)生從另一個角度驗(yàn)證色光混合的現(xiàn)象，進(jìn)一步鞏固學(xué)生對所學(xué)光現(xiàn)象的一些物理知識與原理的理解，提升學(xué)生對于物理知識與原理綜合運(yùn)用能力以及物理思維的品質(zhì)。

四、結(jié)語

綜上所述，我們可以通過對一些傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)，或者將文獻(xiàn)中一些新穎的實(shí)驗(yàn)應(yīng)用到實(shí)際的教學(xué)過程中，也可以根據(jù)實(shí)際的教學(xué)需要利用生活中的材料開發(fā)低成本物理實(shí)驗(yàn)。通過這些物理實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生理解抽象的物理概念與原理，可以培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科的科學(xué)思維能力，提高物理思維的品質(zhì)，形成科學(xué)的價值觀。

參考文獻(xiàn)：

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[2]閻金鐸.物理思維論[M].南寧：廣西教育出版社， 1996.

[3]潘守理.中學(xué)物理教學(xué)中分析綜合能力的培養(yǎng)[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2008（10）：16-18.

[4] Razpet N， Kranjc T. Partially covered lenses and additive color mixing [ J]. The Physics Teacher， 2017， 55（9）： 537-540.

（責(zé)任編輯：加順花）