易其順

(廣西民族師范學(xué)院物理與信息技術(shù)系,廣西崇左532200)

1 引 言

物理實(shí)驗(yàn)是物理教學(xué)的基礎(chǔ),因此物理實(shí)驗(yàn)研究一直以來都是物理教育研究的熱點(diǎn),然而,目前關(guān)于物理實(shí)驗(yàn)研究過多地注重技術(shù)和方法,而忽視學(xué)生知識(shí)學(xué)習(xí)的認(rèn)知過程分析,因而所開發(fā)出來的實(shí)驗(yàn)往往看起來比較好,其實(shí)與教學(xué)實(shí)際相去甚遠(yuǎn),沒有發(fā)揮物理實(shí)驗(yàn)應(yīng)有的價(jià)值和功能.因此,有必要從學(xué)生對(duì)物理學(xué)習(xí)的認(rèn)知過程這一角度來審視物理實(shí)驗(yàn)研究,讓廣大教師明確各種物理實(shí)驗(yàn)研究所努力的方向.為此,本文從物理學(xué)習(xí)的認(rèn)知過程來看物理實(shí)驗(yàn)研究.

2 物理學(xué)習(xí)的認(rèn)知過程

不同物理知識(shí)的學(xué)習(xí)有不同的認(rèn)知過程,有的知識(shí)通過感知物理現(xiàn)象之后,經(jīng)過簡(jiǎn)單的科學(xué)抽象就可以理解,而有的知識(shí)通過感知物理現(xiàn)象之后,必須通過認(rèn)知結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化或調(diào)整才能理解.為了讓大家知道到底哪些知識(shí)的學(xué)習(xí)需要認(rèn)知的調(diào)整和轉(zhuǎn)變,哪些不需要,筆者對(duì)物理學(xué)習(xí)的認(rèn)知過程進(jìn)行如圖1所示的分類.從圖1中可看出物理知識(shí)按學(xué)生認(rèn)知特點(diǎn)可分為4種不同的過程.對(duì)于沒有相關(guān)經(jīng)驗(yàn)的知識(shí)的學(xué)習(xí),必須通過實(shí)驗(yàn)來創(chuàng)設(shè)物理學(xué)習(xí)的情境,增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識(shí),才能理解,這類實(shí)驗(yàn)稱為增強(qiáng)感性認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn).而對(duì)于學(xué)生已有相關(guān)經(jīng)驗(yàn)且這些經(jīng)驗(yàn)與科學(xué)知識(shí)完全相同時(shí),只要喚起學(xué)生頭腦中的感性認(rèn)識(shí),就可以順利地理解.對(duì)于已有經(jīng)驗(yàn)與科學(xué)知識(shí)部分相同的知識(shí)學(xué)習(xí),必須通過實(shí)驗(yàn)來促進(jìn)學(xué)生認(rèn)知的調(diào)整才能理解,這類實(shí)驗(yàn)稱為認(rèn)知調(diào)整實(shí)驗(yàn).對(duì)于已有經(jīng)驗(yàn)與科學(xué)觀念相違背的知識(shí)學(xué)習(xí),必須通過實(shí)驗(yàn)來促進(jìn)學(xué)生認(rèn)知的轉(zhuǎn)變才能完成,這類實(shí)驗(yàn)稱為認(rèn)知轉(zhuǎn)變實(shí)驗(yàn).

圖1 物理學(xué)習(xí)的認(rèn)知過程

3 物理實(shí)驗(yàn)研究

從上面的分析可知,不同知識(shí)的學(xué)習(xí)有不同的理解過程,需要不同類型的實(shí)驗(yàn),因此物理實(shí)驗(yàn)研究應(yīng)該根據(jù)不同類型實(shí)驗(yàn)的作用來確定努力的方向.接下來從3種不同類型的實(shí)驗(yàn)的研究進(jìn)行介紹.

3.1 增強(qiáng)感性認(rèn)識(shí)的實(shí)驗(yàn)研究

感性認(rèn)識(shí)是物理學(xué)習(xí)的基礎(chǔ),在學(xué)生對(duì)所學(xué)的知識(shí)沒有相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)時(shí),必須通過實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)物理情境,增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識(shí).因此這些實(shí)驗(yàn)應(yīng)力爭(zhēng)作到直觀明顯,突出物理的本質(zhì).對(duì)于增強(qiáng)感性認(rèn)識(shí)的實(shí)驗(yàn)研究一般有以下幾種.

3.1.1 疑難實(shí)驗(yàn)研究

所謂疑難實(shí)驗(yàn)研究是指在物理教學(xué)過程中難以操作,很難成功的實(shí)驗(yàn).這種實(shí)驗(yàn)研究的目的是使疑難實(shí)驗(yàn)不再疑難,將直觀明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象呈現(xiàn)給學(xué)生,增強(qiáng)感性認(rèn)識(shí)的效果,以促進(jìn)學(xué)生形成概念和掌握規(guī)律.因此研究的方法都是分析疑難的原因,尋找突破疑難的辦法.最典型的例子就晶體的熔化實(shí)驗(yàn)的研究.晶體的熔化和凝固一直以來都被認(rèn)為是中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中最難的實(shí)驗(yàn)之一,之所以難,是因?yàn)樵搶?shí)驗(yàn)中采用的晶體是熱的不良導(dǎo)體,加熱時(shí)試管壁的晶體溫度已經(jīng)達(dá)到熔點(diǎn)了,而溫度計(jì)附近晶體的溫度還低于熔點(diǎn),它們的溫差在2℃左右,而一旦試管中晶體開始熔化,變成了液體后,導(dǎo)熱性大大加強(qiáng),使得剩下的晶體很快就熔化,結(jié)果得不到理想的溫度保持不變的過程,也就很難得出晶體熔化時(shí)溫度保持不變的規(guī)律.針對(duì)這一點(diǎn)很多物理教師都在不斷地改進(jìn),已經(jīng)取得很大的進(jìn)步,但是目前效果還是不夠理想,仍需繼續(xù)努力.

當(dāng)然,對(duì)于疑難實(shí)驗(yàn)的研究來說,大家應(yīng)學(xué)會(huì)用辨證的眼光來看待.找到突破疑難的辦法當(dāng)然最好不過,可是有些實(shí)驗(yàn)適當(dāng)?shù)亓艚o學(xué)生一些疑難也是有好處的.比如說,目前在中學(xué)物理教學(xué)中,教師只做有把握的實(shí)驗(yàn),而對(duì)于沒有把握的實(shí)驗(yàn)卻只字未提,結(jié)果給學(xué)生的印象是物理實(shí)驗(yàn)都是很成功的,沒有什么坎坷.這無形中給學(xué)生傳遞這樣的信息:科學(xué)研究總是一帆風(fēng)順的,沒有什么困難.這樣不利于學(xué)生對(duì)科學(xué)的本質(zhì)的理解.相反,如果教師在晶體熔化等類似的教學(xué)中適當(dāng)?shù)亓艚o學(xué)生一些疑難對(duì)學(xué)生是有幫助的.所以說,有的實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生經(jīng)歷種種困難后得出接近理想的結(jié)果比因采用精密儀器和高新技術(shù)后輕而易舉地獲得理想的數(shù)據(jù)更有價(jià)值.

3.1.2 針對(duì)抽象的知識(shí)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

物理概念和規(guī)律都是在豐富的感性認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行科學(xué)思維的產(chǎn)物.然而中學(xué)生的思維水平如何呢?有研究[1]表明:我國初中學(xué)生的物理思維基本上還處于具體運(yùn)算階段和前運(yùn)算階段,高中學(xué)生的思維處于過渡期,即從具體運(yùn)算向形式運(yùn)算階段.這就說明中學(xué)生的物理概念和規(guī)律的學(xué)習(xí)還必須借助具體事物、現(xiàn)象的支持.因此作為物理教師要清楚,知識(shí)抽象之處就是學(xué)生理解困難之處.此時(shí),針對(duì)這些難點(diǎn)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來架設(shè)思維的臺(tái)階是非常必要的.

比如在浮力的教學(xué)中,學(xué)生難以理解的一個(gè)問題是“沉底的物體也受到液體對(duì)它的浮力”.由于目前的教材沒有相關(guān)的實(shí)驗(yàn),所以很多教師在教學(xué)中,只能直接告訴學(xué)生“沉到水底的物體也受到水對(duì)它的浮力”,有的甚至在課堂上避而不談.給人的感覺就是教材和教師因找不到合適的實(shí)驗(yàn)而特意回避,但是學(xué)生的思維并不因?yàn)檫@樣的回避而終止,相反可能因?yàn)榛乇芏踊钴S,可惜這種活躍是一種困惑,甚至是一種混沌狀態(tài).這樣的狀態(tài)如果不能及時(shí)指點(diǎn)迷津就會(huì)影響到后面的學(xué)習(xí).因此設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)似乎是明智的選擇.為此可用如圖2的實(shí)驗(yàn)[2],先將金屬塊和托盤一起掛在掛鉤上,并使它們完全沒入水中如圖2(a),記下此時(shí)彈簧秤的讀數(shù) F1,先讓學(xué)生思考:如果將掛金屬塊的繩子解開,將金屬塊放在托盤上,彈簧秤的讀數(shù)將如何變化?為什么?然后再將掛金屬塊的繩子解開,將金屬塊放在托盤上,記下彈簧秤的讀數(shù) F2,比較 F1和 F2的大小,最后讓學(xué)生思考為什么 F1=F2?這樣學(xué)生經(jīng)過思考后就會(huì)悟出“沉底的鐵塊也受到浮力”.

圖2 演示浮力的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

3.1.3 拓展感覺通道實(shí)驗(yàn)研究

心理學(xué)的研究[3]表明:只從視覺獲得信息能夠記住大約25%,只從聽覺獲得信息能夠記住大約15%,若把視覺與聽覺結(jié)合起來使用,那么將會(huì)記住65%.這充分說明了綜合使用多種感官的重要性.況且有的信息對(duì)某種感官來說反應(yīng)不夠靈敏,而對(duì)另外一種感官來說卻非常靈敏.因此可以利用這一原理來拓展感覺通道,加大信息刺激,增強(qiáng)感性認(rèn)識(shí),促進(jìn)概念的形成.江西南昌市中學(xué)的黃恕伯老師1996年在桂林舉行的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)高級(jí)研修班上介紹的利用耳朵來感覺加速度就是一個(gè)很好的嘗試.

大家都知道,加速度是表示物體運(yùn)動(dòng)速度的變化率.人們?cè)谂袛嗨俣茸兓炻龝r(shí)往往用眼睛觀察,可是當(dāng)速度變化比較慢時(shí)人眼卻很難觀察得出來.然而,耳朵對(duì)聲音的頻率變化的感覺很靈敏(人耳聽覺的范圍16～20 000 Hz).為此,可以將速度變化轉(zhuǎn)變?yōu)槁曇纛l率地變化,然后用耳朵來感覺.比如在斜面上讓小車?yán)艓聺L動(dòng),磁帶又穿過錄音機(jī)磁頭,磁帶與磁頭摩擦,使磁頭產(chǎn)生聲音,由于速度在不斷變化,所以錄音機(jī)的聲音也在不斷的變化,這樣耳朵就可以聽出速度變化大小來.通過視覺和聽覺結(jié)合強(qiáng)化了感知的效果,促進(jìn)學(xué)生對(duì)加速度概念的理解.

當(dāng)然,對(duì)于促進(jìn)感性認(rèn)識(shí)的實(shí)驗(yàn)研究來說,不應(yīng)只停留在物理現(xiàn)象的呈現(xiàn),而應(yīng)該在此基礎(chǔ)上,想方設(shè)法通過現(xiàn)象激發(fā)學(xué)生積極、主動(dòng)地進(jìn)解新知識(shí).對(duì)于這一點(diǎn)我們認(rèn)為:對(duì)于某個(gè)新知識(shí)的學(xué)習(xí)不要在學(xué)生毫無思想準(zhǔn)備時(shí)貿(mào)然地強(qiáng)加給學(xué)生,而應(yīng)想辦法將意想不到的現(xiàn)象擺在他們面前,使他們的認(rèn)知結(jié)構(gòu)發(fā)生激烈沖突,在他們感覺到有尋找其他知識(shí)來解釋他們所面臨的現(xiàn)象的必要時(shí),再開始新知識(shí)的學(xué)習(xí).比如有關(guān)渦流的原理也是中學(xué)生要了解的內(nèi)容,設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生了解其原理非常必要.但若直接把渦流的現(xiàn)象原汁原味地演示,學(xué)生并無多大興趣,如果能把一種意想不到的現(xiàn)象擺在他們面前,讓他們思想發(fā)生矛盾,當(dāng)他們?cè)O(shè)法尋找知識(shí)來解釋時(shí)再開始有關(guān)渦流的學(xué)習(xí),這樣會(huì)更好.比如可以用如圖3所示的實(shí)驗(yàn)[4]來實(shí)現(xiàn).圖中為2個(gè)長度大小一樣、但傾斜度不同的鋁槽(裝飾用),讓同樣大小的圓形鐵片和圓形磁鐵分別從1和2兩個(gè)鋁槽滾下,實(shí)驗(yàn)前不說明磁鐵和鐵的不同,讓學(xué)生預(yù)測(cè)哪個(gè)先到底端,學(xué)生會(huì)根據(jù)他們所熟悉的斜面越陡下滑越快的觀念來預(yù)測(cè).可是到演示時(shí)卻發(fā)現(xiàn)越陡的反倒越慢,這樣學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)就發(fā)生沖突,各種猜想會(huì)隨之而來.這時(shí)教師若指導(dǎo)得當(dāng),學(xué)生會(huì)自己找到是因?yàn)闇u流的原故,渦流原理的學(xué)習(xí)也就水到渠成了.

圖3 渦流演示裝置

3.2 認(rèn)知調(diào)整的實(shí)驗(yàn)研究

當(dāng)學(xué)習(xí)的知識(shí)在學(xué)生頭腦中已有相關(guān)的經(jīng)驗(yàn),而且這些經(jīng)驗(yàn)與所要學(xué)習(xí)的知識(shí)部分相符,這類知識(shí)的學(xué)習(xí)必須通過實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生進(jìn)行必要的認(rèn)知調(diào)整才能實(shí)現(xiàn).那么如何才能促進(jìn)認(rèn)知的調(diào)整呢?根據(jù)奧蘇貝爾的概念同化可以得到啟發(fā).他認(rèn)為[5]:學(xué)生能否學(xué)得新信息,主要取決于他們認(rèn)知結(jié)構(gòu)中已有的有關(guān)概念;意義學(xué)習(xí)是通過新信息與學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)中已有的有關(guān)概念的相互作用才得以發(fā)生的;由于這種相互作用的結(jié)果,導(dǎo)致了新舊知識(shí)的意義的同化.皮亞杰也認(rèn)為這種同化只有在兒童積極參與建構(gòu)時(shí)才可能發(fā)生,學(xué)習(xí)所關(guān)注的應(yīng)該是兒童的心理建構(gòu)活動(dòng).由此可見,認(rèn)識(shí)的調(diào)整是認(rèn)知的同化,而實(shí)現(xiàn)同化離不開學(xué)生積極的思維過程.因此作為促進(jìn)認(rèn)知調(diào)整的實(shí)驗(yàn)應(yīng)該在促進(jìn)學(xué)生積極思維上下功夫.

比如阿基米德定律實(shí)驗(yàn)研究就是典型例子.眾所周知,阿基米德原理是物體受到的浮力等于它所排開的液體的重力.學(xué)生在前面的學(xué)習(xí)已經(jīng)知道“浸入液體中的物體受到的液體對(duì)它的浮力與排開的水的量有關(guān)”.因此如何使學(xué)生的“物體受到的液體對(duì)它的浮力與排開的水的量有關(guān)”的觀念調(diào)整為“物體受到的浮力等于它所排開的液體的重力”這才是阿基米德定律教學(xué)的重心所在,同時(shí)也是阿基米德原理實(shí)驗(yàn)研究的重點(diǎn).然而,現(xiàn)有的阿基米德實(shí)驗(yàn)都是將精力集中在減少誤差,以便將“排開的水的重力等于浮力”這一事實(shí)直觀地呈現(xiàn)給學(xué)生.這種直觀得讓人一看就懂的教學(xué)實(shí)際上是用實(shí)驗(yàn)來告訴學(xué)生“物體受到的浮力等于排開水的重力”,而阿基米德在探索阿基米德原理時(shí)所經(jīng)歷的激動(dòng)人心的認(rèn)知的調(diào)整以及為尋找突破口苦思冥想的思維過程則不見蹤影,而這些恰恰又是最能體現(xiàn)科學(xué)探究本質(zhì)的過程,同時(shí)也是認(rèn)知調(diào)整所需要的.因此作為促進(jìn)認(rèn)知調(diào)整的阿基米德原理的實(shí)驗(yàn)就不能缺少這樣的環(huán)節(jié).比如可以采用如下的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)來進(jìn)行.

演示如圖4實(shí)驗(yàn).

師:學(xué)生彈簧秤讀數(shù)包括哪幾部分的重力?

生:包括鋁塊、小水桶和小水桶里的水.

師:如果讓鋁塊浸沒入桌面上小水桶里的水中,水面如何變化?彈簧秤讀數(shù)又怎么變化?

生:小水桶水面上升,彈簧秤讀數(shù)變小.

師:為什么?

生:因?yàn)殇X塊受到水對(duì)它的向上的浮力.

圖4 演示阿基米德實(shí)驗(yàn)的示意圖

(教師將鋁塊浸沒入水中,并讓學(xué)生觀察彈簧秤示數(shù)的變化.)

師:觀察到什么現(xiàn)象?

生:彈簧秤示數(shù)減少,桌面上的小水桶水面上升.

師:彈簧秤示數(shù)為什么減少了.

生:鋁塊受到浮力.

師:怎樣才能使彈簧秤的示數(shù)回到原來的讀數(shù)?

(引導(dǎo)學(xué)生向水桶加水)

師:往小水桶加多少水才能使示數(shù)回到原來的讀數(shù)?

生:加的水的重力等于鋁塊受到的浮力.

(教師向小水桶加水,指導(dǎo)學(xué)生比較兩水桶中液面上升多少.)

師:水桶1中加的水與水桶2中上升的水有何關(guān)系?

生:水桶1中加的水與水桶2中上升的水一樣多.

師:鋁塊受到的浮力與它所排開的水有什么關(guān)系?

生:鋁塊受到的浮力等于它所排開的水的重力.

師:這也只是猜想,現(xiàn)在大家設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證猜想.

(引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步拓展到“一切物體浸入液體里時(shí),所受的浮力等于它所排開的液體的重力”.)

這樣的過程比起原來的實(shí)驗(yàn)多花了不少時(shí)間,走了很多的彎路,可是這些彎路讓學(xué)生真正經(jīng)歷了探究的過程,當(dāng)學(xué)生因?yàn)轶w會(huì)到發(fā)現(xiàn)知識(shí)的樂趣而露出滿意的微笑時(shí),有誰還去懷疑這些彎路的價(jià)值?

3.3 認(rèn)知轉(zhuǎn)變實(shí)驗(yàn)的研究

當(dāng)學(xué)習(xí)的知識(shí)在學(xué)生頭腦中有相關(guān)的經(jīng)驗(yàn),而且這些經(jīng)驗(yàn)與知識(shí)相違背,這就是平時(shí)所說的前概念.前概念有以下幾個(gè)特點(diǎn):廣泛性、自發(fā)性、頑固性、隱蔽性.這些特點(diǎn)給出啟示是:前概念普遍存在,教師要隨時(shí)作好應(yīng)對(duì)的準(zhǔn)備;那些認(rèn)為只通過正面的教學(xué),或者草率地演示一通,再加上機(jī)械的強(qiáng)化就可以讓學(xué)生真正理解的想法是過于天真的.那么怎樣才能克服這一困難呢?大量的研究已經(jīng)表明要想讓學(xué)生真正理解這些知識(shí)必須想方設(shè)法讓學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變,即讓學(xué)生的前科學(xué)概念轉(zhuǎn)變?yōu)榭茖W(xué)概念.那怎樣才能促進(jìn)認(rèn)知的轉(zhuǎn)變呢?我們從概念轉(zhuǎn)變的學(xué)習(xí)理論可以得到啟發(fā).要促進(jìn)概念轉(zhuǎn)變,必須使學(xué)生在一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的情景中,解決他們已有的前科學(xué)概念與公認(rèn)的科學(xué)概念之間的矛盾沖突,通過新舊經(jīng)驗(yàn)的相互作用,積極主動(dòng)地構(gòu)建新概念的意義[6].波斯納等人也認(rèn)為[7]:概念轉(zhuǎn)變必須提供以下4個(gè)條件:1)學(xué)習(xí)者對(duì)當(dāng)前的概念產(chǎn)生不滿;2)新概念的可理解性;3)新概念的合理性;4)新概念的有效性.根據(jù)這樣的理論,要促進(jìn)概念轉(zhuǎn)變,首先必須制造認(rèn)知沖突的情景,能讓學(xué)生經(jīng)驗(yàn)與現(xiàn)實(shí)產(chǎn)生激烈矛盾;然后讓學(xué)生意識(shí)到自己觀念的不足;最后設(shè)法讓學(xué)生相信新的概念適應(yīng)范圍更廣.根據(jù)這樣的思路來研究實(shí)驗(yàn)可以達(dá)到很好的效果.

比如在機(jī)械波教學(xué)中,一個(gè)眾所周知的難點(diǎn),就是不易使學(xué)生信服在波的傳播過程中媒質(zhì)質(zhì)點(diǎn)本身并沒有隨波遷移,傳播的只是振動(dòng)的形式,究其原因,是因?yàn)樵谌粘Ｉ钪械囊恍┎▌?dòng)現(xiàn)象,如水波等,往往會(huì)給人一種有物質(zhì)隨波向前移動(dòng)的感覺,之所以會(huì)有這種普遍的錯(cuò)覺,與人類視覺的局限性有關(guān).若能設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生意識(shí)到這種感覺的局限性,對(duì)他們克服機(jī)械波的學(xué)習(xí)困難應(yīng)該是有幫助的.為此可用如圖5所示的實(shí)驗(yàn)[8].在演示器面板上開有2排小孔,其中上面一排孔正對(duì)著孔裝有一排光源,下面一排小孔后只有1個(gè)可沿小孔橫向移動(dòng)的光源,若一排光源依次發(fā)光,則對(duì)于面板正面的觀察者來說,就會(huì)得到有1個(gè)亮點(diǎn)沿小孔橫向移動(dòng)的視覺效果.同樣,1個(gè)光源移動(dòng)也是這種視覺效果,如果調(diào)節(jié)好一排光源依次發(fā)光的頻率和單個(gè)光源移動(dòng)的速率,使二者同步,則在上下2個(gè)亮點(diǎn)移動(dòng)中,觀察者將無法區(qū)分哪一個(gè)是由單個(gè)光源移動(dòng)產(chǎn)生的,哪一個(gè)是由一排光源依次發(fā)光而產(chǎn)生的,這樣就說明了視覺的局限性.同樣在連續(xù)媒質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)依次振動(dòng)產(chǎn)生的效果被看成是質(zhì)點(diǎn)向前運(yùn)動(dòng)的效果,也是由于視覺的這種局限造成的,單憑視覺無法直接區(qū)分振動(dòng)狀態(tài)在連續(xù)媒質(zhì)中依次傳播和單個(gè)物體連續(xù)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的效果.從而讓學(xué)生意識(shí)到自己的原有觀念存在不足,這樣便為觀念的轉(zhuǎn)變打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).

圖5 演示視覺局限實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

上述的例子是從如何促使學(xué)生意識(shí)到自己觀念的不足這一角度來考慮的,實(shí)際上對(duì)于促進(jìn)認(rèn)知轉(zhuǎn)變的實(shí)驗(yàn)研究來說最應(yīng)該、也是最值得下功夫之處是如何激發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突,這才是觀念轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵,同時(shí)也是教學(xué)過程中最精彩、最激動(dòng)人心之處.比如物體沉浮條件的實(shí)驗(yàn),學(xué)生從小就觀察到物體的沉浮現(xiàn)象,對(duì)沉浮已有了自己的理解.學(xué)生會(huì)認(rèn)為:重的物體會(huì)沉,輕的物體會(huì)浮;金屬物體會(huì)下沉;空心的物體會(huì)浮,實(shí)心的物體會(huì)沉;……,等等.因此物體沉浮條件的教學(xué)就應(yīng)該想方設(shè)法讓學(xué)生的這些觀念轉(zhuǎn)變?yōu)槲矬w的沉浮與物體本身的重力和所受的浮力大小比較有關(guān),當(dāng)重力大于浮力則下沉,當(dāng)重力小于浮力則上浮.而要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)變首先必須創(chuàng)設(shè)能激發(fā)認(rèn)知沖突的環(huán)境.比如可以用如圖6所示的實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行.其中a和b都是啤酒瓶蓋,但b已經(jīng)扭成一團(tuán),c,d,e和f體積相同,c和d形狀和質(zhì)量都相同但放置方式不同,d和e質(zhì)量相同但形狀不同,e和f體積及形狀都相同.先將6個(gè)物品放在桌面上,讓學(xué)生感覺它們的大小和輕重.然后讓學(xué)生判斷將這些物品放到水面時(shí)是沉還是浮,并說明理由(這個(gè)過程中學(xué)生會(huì)利用自己的前概念“成功”地解決問題).最后讓學(xué)生一個(gè)個(gè)驗(yàn)證自己的判斷是否正確(這個(gè)過程學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)自己的觀念與實(shí)驗(yàn)事實(shí)存在矛盾).通過這樣的活動(dòng)來創(chuàng)設(shè)認(rèn)知沖突的情境,使學(xué)生的原有觀念和現(xiàn)實(shí)產(chǎn)生不可調(diào)和的矛盾.在這樣的矛盾狀態(tài)下“決定物體的沉浮的因素是什么?”這樣一個(gè)科學(xué)問題就自然而然地被提出來.緊接著種種猜想也會(huì)隨著出現(xiàn),如果教師指導(dǎo)得當(dāng),發(fā)現(xiàn)物體沉浮條件也就順理成章了.這個(gè)實(shí)驗(yàn)還給我們的啟示是對(duì)于激發(fā)認(rèn)知沖突的實(shí)驗(yàn)并不需要多么昂貴、多么復(fù)雜的器材,相反那些取材于日常生活、以日常生活的方式呈現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)更容易激發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突.像這樣低成本高智慧的實(shí)驗(yàn)應(yīng)該成為物理實(shí)驗(yàn)研究一個(gè)夢(mèng)寐以求的境界.

圖6 物體沉浮實(shí)驗(yàn)的用物品

4 結(jié)束語

物理學(xué)習(xí)不是由教師向?qū)W生傳送知識(shí),而是學(xué)生根據(jù)外在的信息,通過自己已有的經(jīng)驗(yàn)來建構(gòu)自己對(duì)知識(shí)理解的過程.因此,根據(jù)學(xué)生物理學(xué)習(xí)的認(rèn)知過程來研究實(shí)驗(yàn)可以使實(shí)驗(yàn)真正成為能促進(jìn)學(xué)生理解的活動(dòng),同時(shí)也為物理實(shí)驗(yàn)研究提供了一個(gè)暫新的思路.

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