申 潔

(蘇州市振華中學(xué) 江蘇 蘇州 215006)

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基于體驗的物理實驗教學(xué)情境設(shè)計策略
——以“用干冰做升華和凝華實驗”研究為例

申 潔

(蘇州市振華中學(xué) 江蘇 蘇州 215006)

基于體驗的物理實驗教學(xué)情境設(shè)計是運用科學(xué)思維方法對物理實驗進行創(chuàng)新開發(fā)與優(yōu)化設(shè)計，以體現(xiàn)實驗教學(xué)對提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的意義，某種程度上是教師將自身教學(xué)思想和理念通過情境設(shè)計進行顯性化的表達(dá).

體驗 實驗教學(xué) 情境設(shè)計 干冰 升華凝華

體驗是現(xiàn)代教學(xué)的重要特征，基于體驗的物理實驗教學(xué)情境設(shè)計，是將視覺形象與特定意義結(jié)合，有效引起學(xué)生的視覺關(guān)注，從而激活思維，深化理解，當(dāng)學(xué)生被實驗情境所感染，其思維進入特定狀態(tài)時，實驗教學(xué)能取得預(yù)期效果，達(dá)到預(yù)期目標(biāo).如何創(chuàng)設(shè)基于體驗的物理實驗教學(xué)情境，本文以“用干冰做升華和凝華實驗”研究為例，闡述設(shè)計的基本策略.

1 情境可視化策略

基于體驗的物理實驗教學(xué)情境，其主要特征在于實驗情境的可視性，可視性的意圖是讓學(xué)生通過視覺體驗，從物理現(xiàn)象的情境狀態(tài)進入物理問題的思維狀態(tài)，進而在物理思維基礎(chǔ)上產(chǎn)生物理思想.

初中物理教材中的“升華和凝華”實驗通常用“碘錘”來做，演示實驗的可視性效果不太理想，實驗的趣味性與生成性較缺乏.考慮到初中學(xué)生的學(xué)習(xí)特點，筆者嘗試對該實驗進行情境開發(fā)與設(shè)計，“用干冰做升華和凝華實驗”的設(shè)計正是基于此，具體體現(xiàn)如下.

1.1 微情境——建構(gòu)微而精的實驗?zāi)Ｐ?/p>

“用干冰做升華和凝華實驗”利用深色小玻璃瓶、氣球、少量干冰等簡易器材進行設(shè)計.干冰放入小瓶內(nèi)，氣球套在瓶口，組合成一個微實驗裝置模型,

如圖1所示，這個模型簡單、直觀、可視.當(dāng)觀察者觀察到瓶口氣球慢慢變大時，會聯(lián)想到這是“固態(tài)干冰變成氣態(tài)二氧化碳”所致，而瓶子表面生成的一層“白霜”，能引發(fā)學(xué)生思考“白霜是怎么形成的”.最后將瓶內(nèi)剩下的干冰倒出，又會發(fā)現(xiàn)瓶內(nèi)干凈無液體，誘導(dǎo)學(xué)生聚焦問題的關(guān)鍵——“物質(zhì)可以由固態(tài)直接變成氣態(tài)，或由氣態(tài)直接變成固態(tài)”.實驗裝置雖簡易，但微小精巧，不僅能有效呈現(xiàn)物理現(xiàn)象，利于學(xué)生獲得相應(yīng)的物理結(jié)論，形成物理觀點，更重要的是突出了實驗教學(xué)直觀可視的特點.

圖1 微實驗裝置

1.2 深體驗——豐富學(xué)生的過程性學(xué)習(xí)體驗

豐富并深化學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗，目的在于為學(xué)生提供特定的問題思維空間，使學(xué)生順利進入真實物理現(xiàn)象表達(dá)和物理思維交流的情境之中.

“用干冰做升華和凝華實驗”，利用的器材是學(xué)生身邊比較熟悉的物品，所設(shè)計的實驗情境容易引起學(xué)生關(guān)注，學(xué)生的課堂參與度高(圖2)，興趣濃，印象深，對“升華和凝華”相關(guān)知識原理的接受和理解比較透徹.學(xué)生在觀察現(xiàn)象的過程中能夠積極表達(dá)自己的觀察感受并進行探討，發(fā)表各自不同的見解，提出實驗改進的方法，包括如何安全取拿和存放干冰等實驗步驟的完善等.由于學(xué)生課后能自行獲得實驗器材，因此激發(fā)了他們課外進一步探究的動機，小組合作探究的空間得到拓展，學(xué)習(xí)的自主性體驗更為寬泛.

圖2 學(xué)生積極參與實驗

2 科學(xué)思維方法應(yīng)用策略

基于體驗的物理實驗教學(xué)情境設(shè)計合理運用了科學(xué)思維方法，能夠有效促進教師將自身教學(xué)思想和理念通過情境設(shè)計進行顯性化表達(dá)，并轉(zhuǎn)化為可行的教學(xué)行為.這里主要闡述思維的發(fā)散性與逆向性對實驗情境設(shè)計的影響.

2.1 發(fā)散性——突破實驗設(shè)計的思維定勢局限

從心理學(xué)層面界定，發(fā)散思維是創(chuàng)造性思維的主要特征，表現(xiàn)為思維的視野廣闊多維，發(fā)散遷移.“用干冰做升華和凝華實驗”，就是“思維發(fā)散”與“同中求異”方式的有意識應(yīng)用.

干冰制造舞臺“煙霧”效應(yīng)以及用于“人工降雨”是大家耳熟能詳?shù)纳瞵F(xiàn)象，利用網(wǎng)絡(luò)資源可搜索查詢到許多干冰趣味實驗的視頻素材，但作為實驗教學(xué)情境設(shè)計的研究資料并不多.鑒于此，筆者及所在教研組的教師充分發(fā)揮集體發(fā)散思維的智慧優(yōu)勢，對“用干冰做升華和凝華實驗”進行了專題研討.前期先從實驗器材選用切入，瓶子及氣球的大小、形狀及顏色，干冰放置的多少等，都經(jīng)過了反復(fù)的效果比較，為了更清晰地顯示“干冰升華的同時瓶子周圍出現(xiàn)水蒸氣凝華與液化現(xiàn)象”，大家進行了深入細(xì)致地觀察，發(fā)現(xiàn)“深色藥瓶、氣球、干冰”這些非常規(guī)實驗器材的選用保證了較為理想的實驗效果，更重要的是突破了傳統(tǒng)實驗器材選擇的思維定勢局限，而由實驗研發(fā)的預(yù)設(shè)效果及其實驗生成現(xiàn)象萌發(fā)的意外欣喜，也讓教師獲得了思維創(chuàng)新帶來的快樂體驗.

從原先實驗研發(fā)“瓶口的氣球變大可說明干冰升華”，到“能否使瓶子外壁的白霜和周圍的白霧更明顯”，再到“用特殊燈光照射是否能使實驗現(xiàn)象更清晰”，情境設(shè)計的思路不斷發(fā)散和深入，且層層落實，凝華和液化現(xiàn)象的可視化呈現(xiàn)成為該實驗設(shè)計的重點，設(shè)計方案也有所變化和遷移.

2.2 逆向性——從常規(guī)實驗現(xiàn)象呈現(xiàn)的相反方向思考

從相反方向思考問題的方法稱為逆向思維，也稱做反向思維，客觀世界的許多事物之間都具有這樣的特征.

研究“用干冰做升華和凝華實驗”過程中，最初的情境設(shè)計是為了說明干冰升華后的二氧化碳?xì)怏w能將氣球撐大，考慮到二氧化碳?xì)怏w直接凝華的溫度必須非常低，所以實驗設(shè)計沒有考慮如何呈現(xiàn)干冰氣體的凝華現(xiàn)象.但由于干冰升華迅速吸熱的緣故，筆者在實驗研究過程中發(fā)現(xiàn)瓶子的底部和外側(cè)出現(xiàn)了“白霜”，受逆向思維指引，筆者認(rèn)為不妨就用這套微型實驗裝置，在完成“升華”現(xiàn)象實驗的同時完成“凝華”現(xiàn)象實驗，經(jīng)過反復(fù)研究與改進，使得瓶子周圍的水蒸氣凝華成“白霜”附著在瓶底及瓶壁上的現(xiàn)象非常明顯(圖3)，為學(xué)生觀察現(xiàn)象，產(chǎn)生認(rèn)知沖突創(chuàng)設(shè)了情境條件，相關(guān)問題及思考自然形成，“白霜是從哪里來的？”“白霜是干冰嗎？”“白霜究竟是什么？”由于實驗情境的生成性強，無形中提高了對學(xué)生思維靈活性與綜合性的要求，因此課堂教學(xué)場景更為精彩生動.

圖3 附著在瓶壁與瓶底的白霜

上述實驗情境設(shè)計并沒有現(xiàn)成的路徑可循，但依據(jù)思維的發(fā)散性與逆向性進行實驗設(shè)計，或許是設(shè)計者進行實驗創(chuàng)新的有益途徑，也是科學(xué)思維方法應(yīng)用于實驗教學(xué)的實踐例證.

3 資源選擇的多樣與整合策略

基于體驗的實驗教學(xué)情境設(shè)計沒有現(xiàn)成的實驗室器材可套用，立足的是非常規(guī)實驗器材的開發(fā)與選擇，需要合理利用并有機整合生活資源進行實驗設(shè)計，體現(xiàn)“從生活走向物理，從物理走向社會”的課標(biāo)理念，彰顯物理教育大師朱正元先生倡導(dǎo)的“瓶瓶罐罐當(dāng)儀器，拼拼湊湊做實驗”特色.下面主要闡述如何從開放性與系統(tǒng)性角度考慮實驗情境設(shè)計.

3.1 開放性——從實驗器材資源選擇的多樣性出發(fā)

開放性是指可以在相當(dāng)多的空間范圍去進行思考和拓展，以達(dá)到對事物更深入的闡釋和理解.

在“用干冰做升華和凝華實驗”研究過程中，教研組的一位教師先是將干冰直接放在氣球內(nèi)進行實驗，以觀察干冰升華后使氣球變大的現(xiàn)象，同時觀察“白霜”在氣球壁上附著的情況，隨著氣球變大，“白霜”形成的效果并不明顯.筆者此時想到了能否將干冰裝在瓶子里，“白霜”在瓶壁上附著的效果可能會好一些，于是用了化學(xué)實驗室的試劑瓶進行實驗，但試劑瓶是白色透明的，當(dāng)“白霜”在瓶壁上形成薄薄一層時，演示實驗的觀察效果仍然不理想，又從對比的角度考慮，筆者聯(lián)想到了深色玻璃藥瓶，將干冰裝在深色藥瓶里后，瓶壁的“白霜”得到襯托，現(xiàn)象明顯了，凝華現(xiàn)象的可視性意圖得到了實現(xiàn).

雖然實驗現(xiàn)象本身不復(fù)雜，但研究過程中對于器材的選擇與改進，折射出的是設(shè)計思想的不斷完善與升華，從資源選擇的多樣性出發(fā)，選擇實驗器材如果只局限于傳統(tǒng)的實驗室器材，或者拘泥于現(xiàn)成的實驗資源，沒有開放性選擇意識，很難獲得實驗情境設(shè)計的創(chuàng)新效果.

3.2 系統(tǒng)性——從實驗效果的整體優(yōu)化角度考慮

在“用干冰做升華和凝華實驗”研究過程中，筆者發(fā)現(xiàn)在瓶子底部出現(xiàn)“白霜”的同時，伴隨有“白霧”和瓶底“白霜”飄落形成的“下雪”現(xiàn)象，為了使“下雪”的景象更靈動，筆者想到了“燈光效應(yīng)”，于是用強光手電筒配置綠色玻璃紙，在瓶子底部打出綠色燈光，以增強“下雪”現(xiàn)象的可視性，造就出“紅氣球+綠光+白霜+白霧”的景致，若從審美角度看這個實驗情境設(shè)計，達(dá)到了可欣賞的境界.

實驗教學(xué)情境設(shè)計的整體優(yōu)化是系統(tǒng)性工程，不僅要考慮實驗設(shè)計應(yīng)達(dá)到的教學(xué)目標(biāo)，完成實驗教學(xué)的基本任務(wù)，更應(yīng)追求超越實驗設(shè)計的教育效應(yīng)，如創(chuàng)新、審美意識的滲透與培養(yǎng)等.

4 目標(biāo)達(dá)成策略

基于體驗的實驗教學(xué)情境設(shè)計始終以“三維教學(xué)目標(biāo)”為導(dǎo)向，尊重學(xué)生的學(xué)習(xí)現(xiàn)狀與認(rèn)知水平，將“知識與技能”、“過程與方法”、“情感態(tài)度與價值觀”三維目標(biāo)有機結(jié)合，融為一體.從“知、情、意、行”諸方面落實教學(xué)目標(biāo)的有效達(dá)成，具體表述如下.

4.1 知與情——傳授知識與培養(yǎng)情感態(tài)度目標(biāo)的統(tǒng)一

筆者認(rèn)為，“三維教學(xué)目標(biāo)”中“知識與技能”、“過程與方法”、“情感態(tài)度與價值觀”是相輔相成的，就培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)而言，缺乏“情感態(tài)度與價值觀”的教學(xué)情境設(shè)計是沒有生命活力的.

雖然“用干冰做升華和凝華實驗”設(shè)計的教學(xué)定位是研究“升華和凝華”現(xiàn)象，在保證實驗效果理想的前提下，學(xué)生通過觀察現(xiàn)象能比較順利地達(dá)成知識層面的學(xué)習(xí)目標(biāo)，在此基礎(chǔ)上，筆者認(rèn)為還需要關(guān)注情境設(shè)計對于學(xué)生情感態(tài)度與價值觀層面的深層次影響，即如何從“物境”進入到“心境”，真正激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與內(nèi)在學(xué)習(xí)動力，提升學(xué)生的科學(xué)思維能力.“用干冰做升華和凝華實驗”，不僅讓學(xué)生認(rèn)識了“升華和凝華”現(xiàn)象，明白了其中的物理原理，更重要的是讓學(xué)生獲得了不一般的學(xué)習(xí)體驗，如“氣球可以用干冰吹大”，“霜是這樣形成的”，“雪花原來是這樣飄落的”，沉浸于生動形象的情境中學(xué)習(xí)，學(xué)生興味盎然，樂在其中，意猶未盡.“干冰還能做其他實驗嗎？”“去冰琪琳店買些干冰，自己再試試下雪現(xiàn)象形成……”，興趣激發(fā)后，學(xué)生的問題意識及課后自主探究意識明顯增強，思維的深度與廣度也隨之得到提升.

4.2 意與行——促進學(xué)生認(rèn)知及學(xué)習(xí)行為變化

實驗教學(xué)的目的是讓學(xué)生在認(rèn)識物理現(xiàn)象，明確實驗原理的基礎(chǔ)上，領(lǐng)悟?qū)嶒炦^程中蘊涵的科學(xué)思想方法，形成科學(xué)態(tài)度.實驗教學(xué)情境設(shè)計的意義在于通過情境性的實驗教學(xué)促進學(xué)生認(rèn)知及學(xué)習(xí)行為的變化.

“用干冰做升華和凝華實驗”，對學(xué)生既是一種認(rèn)知水平提升的情境體驗，也是促進學(xué)習(xí)行為變化的“催化劑”應(yīng)用.許多學(xué)生聽說過干冰，但多數(shù)沒見過干冰，更沒有用干冰做過實驗，其認(rèn)識水平局限于書本中的干冰介紹及前概念中“冰”的概念干擾.因此，引導(dǎo)學(xué)生近距離認(rèn)識干冰并了解它的作用已經(jīng)超越了實驗本身的意義，即實驗不是單純?yōu)榱俗寣W(xué)生看到利用干冰可顯示“升華和凝華”現(xiàn)象，好的教學(xué)情境設(shè)計應(yīng)著眼于學(xué)生認(rèn)知水平的提升與完善.筆者通過這個實驗情境，讓學(xué)生完整經(jīng)歷了“可以在‘哈根達(dá)斯’買到干冰，可以用藥瓶和氣球做實驗顯示器，可以看到手電筒綠光照射下凝華形成的‘下雪’現(xiàn)象，還可以看到液化形成的‘白霧’……”，學(xué)生在此過程中獲得的非常態(tài)學(xué)習(xí)體驗和認(rèn)識水平提高是不言而喻的.令人可喜的是，學(xué)生學(xué)習(xí)行為伴隨實驗興趣的激發(fā)而發(fā)生著變化，有學(xué)生課后自己設(shè)計實驗和父母一起體驗，加深了對實驗創(chuàng)新的理解，獲得了直接經(jīng)驗的積累，還有學(xué)生遇到疑難習(xí)題會自覺想到利用身邊的生活物品做實驗來突破難點，解決問題等，實驗探究的意識有所增強.

5 反思與評價策略

基于體驗的實驗教學(xué)情境設(shè)計是在實驗教學(xué)過程中不斷探索，反思，改進，優(yōu)化的.筆者經(jīng)歷教學(xué)實踐研究多年，切身感受到教學(xué)設(shè)計是“反思+評價”，“優(yōu)化+交流”的教學(xué)成長過程.

5.1 反思+評價——教學(xué)設(shè)計完善的必然過程

基于體驗的實驗教學(xué)情境設(shè)計不是純粹的實驗設(shè)計，“體驗性”是情境設(shè)計的重要特征，如何突出情境的“體驗性”是一種創(chuàng)造性的智慧顯現(xiàn).

“用干冰做升華和凝華實驗”，為了讓學(xué)生觀察到“凝華”現(xiàn)象發(fā)生后的“下雪”現(xiàn)象，筆者起初基于經(jīng)驗思考，嘗試讓“白霜”積得厚些掉下來，但事實上，積得厚厚的“白霜”只是隨機下落，“雪花”很小，室內(nèi)自然光照下幾乎觀察不到“下雪”現(xiàn)象，筆者設(shè)想飄落的“小雪花”是否在特殊燈光照射下就容易看到了，于是嘗試用強光手電配綠色透明紙打出綠光照射，發(fā)現(xiàn)確實能較好地襯托出凝華形成的“下雪”現(xiàn)象，同時還試了紅光和藍(lán)光，對比后覺得綠光效果最佳.燈光在這個實驗中的選擇應(yīng)用就是在實驗效果評價基礎(chǔ)上通過反思，對實驗條件不斷改進與完善的結(jié)果.

5.2 優(yōu)化+交流——教學(xué)設(shè)計應(yīng)有的姿態(tài)

基于體驗的實驗教學(xué)情境設(shè)計是筆者在教學(xué)實踐基礎(chǔ)上持續(xù)研究的創(chuàng)新性實驗教學(xué)課題，“用干冰做升華和凝華實驗”情境設(shè)計是研究成果之一，該研究成果在全國創(chuàng)新教具交流及評比中展示并獲獎，得到同行的好評，在與同行交流與分享的過程中，研究成果得到了進一步的優(yōu)化與提升，同時課題研究的內(nèi)涵也在不斷地升華.

6 結(jié)束語

筆者認(rèn)為，基于體驗的實驗教學(xué)情境設(shè)計，是充滿教育智慧的科學(xué)性與人文性相融合的創(chuàng)造性活動，折射出的是自身教學(xué)信念的一種堅守，對實驗教學(xué)的一種創(chuàng)新性探索，也是對教學(xué)藝術(shù)的一種執(zhí)著追求.

1 王小燕.科學(xué)思維與科學(xué)方法論.廣州：華南理工大學(xué)出版社，2003

2 鄭金洲．教學(xué)方法應(yīng)用指導(dǎo).上海：華東師范大學(xué)出版社，2006

3 汪明.基于“情境體驗”物理教學(xué)實踐研究.中學(xué)物理：高中版，2012(03)

*中國教育學(xué)會物理專業(yè)委員會2013—2016年全國物理教育科研重點課題“體驗性物理實驗教學(xué)情境創(chuàng)設(shè)研究”研究成果之一.

申潔(1962- )，女，中教高級，主要從事中學(xué)物理教學(xué)及研究.

2016-10-19)