夏泳

(杭州市余杭中學(xué) 浙江 杭州 311121)

浙江省物理教研員、中學(xué)物理特級(jí)教師梁旭老師曾指出：“物理課堂教學(xué)中，教師要達(dá)成心中有學(xué)生，腦中有結(jié)構(gòu)，手中有方法3個(gè)要求．”結(jié)合自身的課堂教學(xué)實(shí)踐，筆者深刻地體會(huì)到這3個(gè)要求是分層級(jí)的，其中“手中有方法”是課堂教學(xué)的基礎(chǔ)性要求，“腦中有結(jié)構(gòu)”是課堂教學(xué)的系統(tǒng)性要求，“心中有學(xué)生”是課堂教學(xué)的本質(zhì)性要求．

在物理課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，“心中有學(xué)生”同樣應(yīng)放在最本質(zhì)的位置，不能將課堂實(shí)驗(yàn)作為教師的一項(xiàng)展示、表演活動(dòng)，錯(cuò)誤地認(rèn)為學(xué)生只要看了實(shí)驗(yàn)，或做了實(shí)驗(yàn)，就能明白其中的物理原理，就獲得核心素養(yǎng)了．

如何才能在課堂實(shí)驗(yàn)中落實(shí)好“心中有學(xué)生”這個(gè)教學(xué)的本質(zhì)要求，筆者基于物理學(xué)科核心素養(yǎng)，在實(shí)驗(yàn)的教學(xué)設(shè)計(jì)上做了初步的實(shí)踐和反思，獲得了一些啟示．筆者認(rèn)為，物理課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)基于物理學(xué)科核心素養(yǎng)中“科學(xué)探究”的幾個(gè)關(guān)鍵要素來設(shè)計(jì)，筆者將其歸納為“現(xiàn)象，證據(jù)，思辨”三部分．

具體來說：現(xiàn)象是指教師創(chuàng)設(shè)直觀、穩(wěn)定的物理實(shí)驗(yàn)情境，誘發(fā)學(xué)生提出問題，形成猜想或假設(shè)；證據(jù)是指學(xué)生為驗(yàn)證自己的猜想或假設(shè)，去設(shè)計(jì)新實(shí)驗(yàn)、改造原實(shí)驗(yàn)，通過已學(xué)的手段或老師幫助下的手段，獲取和處理信息，形成有力的證據(jù)；思辨是指學(xué)生通過獨(dú)立思考或合作交流對(duì)獲取的證據(jù)進(jìn)行分析論證，證實(shí)、完善或推翻自己原有的猜想、假設(shè)，形成結(jié)論，甚至誘發(fā)新的探究．

課堂實(shí)驗(yàn)中，如果能沿著現(xiàn)象、證據(jù)、思辨這條線索，設(shè)計(jì)好符合實(shí)驗(yàn)知識(shí)序、學(xué)生認(rèn)知序的教學(xué)腳本，就能讓學(xué)生在課堂實(shí)驗(yàn)的探究中進(jìn)入深度思考，無形中獲取物理學(xué)科的核心素養(yǎng)，達(dá)成學(xué)為中心的教學(xué)要求．

下面，筆者以“牛頓第一定律”中的幾個(gè)課堂實(shí)驗(yàn)為例，具體闡述如何開展基于“科學(xué)探究”素養(yǎng)的物理課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)．

1 伽利略的理想斜面實(shí)驗(yàn)

1.1 現(xiàn)象誘發(fā)問題

教師用繩子拉桌面上的小物塊，一拉，物塊移動(dòng)，停止拉，物塊馬上也停下，反復(fù)幾次．

師：物塊的運(yùn)動(dòng)是否需要力來維持？說說你的理由？

(學(xué)生猜想：有的認(rèn)為需要，理由是基于對(duì)實(shí)驗(yàn)的觀察；有的認(rèn)為不需要，理由是因?yàn)樽烂婺Σ亮?duì)物塊的影響，物塊才停下來，如果沒有摩擦力，物塊不會(huì)停下來．)

教師肯定學(xué)生們的各種猜想和解釋，并介紹亞里士多德在2 500年前，也是基于觀察提出了運(yùn)動(dòng)需要力來維持的觀點(diǎn)．

1.2 尋找各類證據(jù)

(1)經(jīng)驗(yàn)和理論證據(jù)

師：認(rèn)為物體的運(yùn)動(dòng)不需要力來維持(因?yàn)槟Σ亮τ绊懥怂倪\(yùn)動(dòng))的同學(xué)，請(qǐng)你們尋找一些證據(jù)，來證明自己的觀點(diǎn)．

學(xué)生提出的證據(jù)：1)科幻電影中，宇航員一旦有一個(gè)速度離開空間站，就會(huì)一直沿速度方向運(yùn)動(dòng)下去．2)如果減小摩擦力，比如冰壺或滑冰運(yùn)動(dòng)，冰壺和滑冰運(yùn)動(dòng)員只要有一個(gè)較小的初速度就能滑得很遠(yuǎn)．3)月球沒有力推它，但一直在繞著地球轉(zhuǎn)……

師補(bǔ)充：400多年前，科學(xué)家伽利略也提出了自己的證據(jù)，他認(rèn)為，在不考慮其他因素的影響下，小球滾下斜面是加速，滾上斜面是減速，所以在水平面上，小球既不加速，也不減速，可以一直按原有的速度運(yùn)動(dòng)下去．

(2)實(shí)驗(yàn)證據(jù)

師：和亞里士多德的證據(jù)一樣，我們提出的這些證據(jù)都只是我們對(duì)日常生活的觀察和分析得到的，并不是真正的實(shí)驗(yàn)證據(jù)．我們能設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)方案，找到更有力的證據(jù)嗎？

學(xué)生設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案：設(shè)計(jì)一個(gè)很長(zhǎng)很長(zhǎng)的摩擦力可忽略不計(jì)的軌道(比如氣墊導(dǎo)軌)，給滑塊一個(gè)很小的初速度，滑塊可以在軌道上一直運(yùn)動(dòng)下去．

師追問：軌道要多長(zhǎng)才夠長(zhǎng)？氣墊導(dǎo)軌真的沒有摩擦力或阻力嗎？現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)條件中，能實(shí)現(xiàn)嗎？

生：軌道要無限長(zhǎng)，氣墊導(dǎo)軌也還是存在對(duì)滑塊的阻力的，現(xiàn)實(shí)條件下，這個(gè)實(shí)驗(yàn)是做不到的．

師追問：無限長(zhǎng)和無阻力，在現(xiàn)實(shí)條件下確實(shí)是做不到的，那我們能否用嚴(yán)密的邏輯對(duì)自己的實(shí)驗(yàn)做一定的推理呢？

生：設(shè)計(jì)一個(gè)10～20 m的大型直軌道，讓一個(gè)小球以相同的初速度從軌道一端出發(fā)，多次實(shí)驗(yàn)，逐漸減小摩擦力，可以發(fā)現(xiàn)小球越滾越遠(yuǎn)．可以推理出，摩擦力無限小時(shí)，小球能沿著軌道一直運(yùn)動(dòng)下去，不停下來．

師追問：這個(gè)推理依據(jù)對(duì)比的思想，非常科學(xué)，但還有兩個(gè)問題要解決．一是小球每次相同的初速度如何獲得？二是10～20 m的直軌道夠不夠長(zhǎng)？同時(shí)，這么大的軌道在教室里實(shí)驗(yàn)也很不方便．有解決方法嗎？

生：相同的初速度可以通過彈射器，用相同的壓縮距離來彈射獲得，或者讓小球從斜面的同一高度滾下來獲得．(軌道的長(zhǎng)度問題不一定想得到解決方案．)

師補(bǔ)充：大家的實(shí)驗(yàn)方案都充滿了智慧，讓我們來看看400多年前，伽利略用了什么方法來設(shè)計(jì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)的．

教師拿出伽利略的雙斜面實(shí)驗(yàn)儀器，一邊演示一邊講解．

師：伽利略也采用了讓小球從斜面的同一高度下滑的方法來獲得相同的初速度．但在解決直軌道的問題上，伽利略巧妙地設(shè)計(jì)了一個(gè)對(duì)接的雙斜面軌道結(jié)構(gòu)，如圖1和圖2所示，當(dāng)小球從左側(cè)軌道的一端某一高度滾下時(shí)，通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)，可以推理得到，在完全沒有阻力的情況下，小球能到達(dá)右側(cè)斜面的相同高度處．在此基礎(chǔ)上，如果減小右側(cè)斜面的傾角，小球還是能到達(dá)右側(cè)斜面的相同高度處，但向前運(yùn)動(dòng)的距離比之前遠(yuǎn)了，依次類推，如果繼續(xù)減小右側(cè)斜面的傾角，小球會(huì)運(yùn)動(dòng)得更遠(yuǎn)，那么可以推理得，如果將右側(cè)斜面傾角減為零(即水平)，小球會(huì)不斷向右運(yùn)動(dòng)下去．

圖1 伽利略雙斜面實(shí)驗(yàn)示意圖

圖2 伽利略雙斜面實(shí)驗(yàn)實(shí)物圖

1.3 思辨形成結(jié)論

師：伽利略的實(shí)驗(yàn)?zāi)銈冊(cè)趺丛u(píng)價(jià)？是否合理？是否可信？

生：伽利略的實(shí)驗(yàn)有一部分是實(shí)際條件下能做出來的，還有一部分是推理的．從邏輯上來說，推理部分符合初中學(xué)的能量守恒的觀點(diǎn)，也符合邏輯關(guān)系，雖然不能真正看到完全無阻力的情況下，小球一直滾下去的情景，但對(duì)結(jié)論的推理可信度很高．

師補(bǔ)充：伽利略的這種研究方法我們可以歸納為“實(shí)驗(yàn)研究+科學(xué)推理”，我們可以在以后的科學(xué)研究中應(yīng)用這樣的方法．

師：基于以上討論，你現(xiàn)在的結(jié)論是什么？

生：物體的運(yùn)動(dòng)不需要力來維持．

1.4 案例小結(jié)

在現(xiàn)象、證據(jù)、思辨的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)中，教師的每一個(gè)問題都要基于學(xué)生的認(rèn)知訴求，不能跳躍，要給學(xué)生認(rèn)知鏈的生成創(chuàng)造空間和連接點(diǎn)，同時(shí)，還可以將物理學(xué)家的研究思路融入其中，讓學(xué)生經(jīng)歷或重演大師們的實(shí)驗(yàn)研究過程．證據(jù)的尋找是整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，在這個(gè)案例中，證據(jù)可分為理論經(jīng)驗(yàn)證據(jù)和實(shí)驗(yàn)證據(jù)兩類，都要讓學(xué)生充分地去經(jīng)歷，不能省略．

2 慣性的應(yīng)用系列實(shí)驗(yàn)——以“如何從羽毛球筒內(nèi)取出羽毛球”為例

2.1 現(xiàn)象誘發(fā)問題

教師拿出一筒羽毛球，打開兩端的蓋子，筒里面只放了一個(gè)羽毛球，如圖3所示．教師假裝用手伸進(jìn)筒里去拿羽毛球，但球在筒的中間，教師的手又太大，拿不到羽毛球．

圖3 羽毛球筒

師：請(qǐng)問大家，有什么辦法可以將羽毛球從球筒的中間拿出來，但不要損壞這個(gè)球筒？并簡(jiǎn)單說說你采用這個(gè)方法的理由.

學(xué)生提出很多方法：(1)用力甩一下球筒，理由是靠“甩力”、離心力．(2)豎直拿球筒，上下震動(dòng)，或者水平拿球筒，左右震動(dòng)，理由是羽毛球的慣性．(3)一手握住球筒，另一只手用力多次拍打球筒的其中一個(gè)蓋口，理由是羽毛球的慣性或者打羽毛球時(shí)的經(jīng)驗(yàn)．(4)沿筒的方向快速移動(dòng)筒，突然停止，反復(fù)幾次，理由是羽毛球的慣性．

2.2 尋找事實(shí)證據(jù)

(1)表象的證據(jù)

師：大家的方法都不錯(cuò)，但究竟可不可行，你們的理由是否正確，我們要如何驗(yàn)證呢？

生：拿羽毛球筒和羽毛球試一下就知道了．

教師同意學(xué)生的想法，讓學(xué)生用各自的方法動(dòng)手實(shí)驗(yàn)．結(jié)果，有的學(xué)生成功了，有的學(xué)生多次嘗試，都失敗了．

(2)本質(zhì)的證據(jù)

師：有的同學(xué)成功，有的同學(xué)失敗，但你們知道自己成功或失敗的真正原因嗎？你們之前的理由是否科學(xué)，能驗(yàn)證嗎？

生：還是沒有找到真正的原因．

師：既然如此，你能設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)方案，來發(fā)現(xiàn)方法背后的原理嗎？

學(xué)生思考，提出方案：將羽毛球筒做成透明的，這樣，就能觀察到羽毛球在里面的運(yùn)動(dòng)情況了．

教師肯定學(xué)生的方案，拿出透明的羽毛球筒，如圖4所示，再次讓學(xué)生們實(shí)驗(yàn)、觀察．

圖4 透明的羽毛球筒

2.3 思辨形成結(jié)論

師生討論，分析得出幾種方法的可行性和原理：

(1)用力甩一下球筒，這個(gè)方法可行，屬于離心現(xiàn)象，學(xué)生還沒學(xué)過，但生活中有離心運(yùn)動(dòng)的經(jīng)驗(yàn)，能大致理解，不再多加解釋，等以后學(xué)了圓周運(yùn)動(dòng)再來具體分析．

(2)豎直拿球筒，上下震動(dòng)，或者水平拿球筒，左右震動(dòng)，這個(gè)方法不可行，因?yàn)橛鹈蛟谏舷禄蜃笥艺饎?dòng)的過程中，雖然由于慣性，相對(duì)球筒有運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)或有微小的運(yùn)動(dòng)，但因?yàn)橥鶑?fù)的頻率太快，這種相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)或運(yùn)動(dòng)被抵消，羽毛球幾乎在原位置不動(dòng)．

(3)一手握住球筒，另一只手用力多次拍打球筒的其中一個(gè)蓋口，這個(gè)方法也可行，因?yàn)樵谂拇蚯蛲采w口的時(shí)候，球筒產(chǎn)生一個(gè)沿拍打方向的速度，而羽毛球由于慣性，仍保持不動(dòng)，所以球就相對(duì)于筒向拍打的那個(gè)蓋口方向運(yùn)動(dòng)了一段距離，這樣多次拍打后，球就從拍打的蓋口出來了．

(4)沿筒的方向快速移動(dòng)筒，突然停止，反復(fù)幾次，這個(gè)方法也可行，因?yàn)橐苿?dòng)筒時(shí)，羽毛球跟著筒一起運(yùn)動(dòng)，筒突然停下時(shí)，羽毛球由于慣性要保持原有的速度運(yùn)動(dòng)，因此還會(huì)繼續(xù)相對(duì)于筒向筒口運(yùn)動(dòng)一段距離，反復(fù)幾次后，羽毛球就可以出來了．

師：通過研究，我們?cè)诮鉀Q這個(gè)問題時(shí)，主要利用了什么？

生：羽毛球的慣性．

師補(bǔ)充：不錯(cuò)，我們利用了多種運(yùn)動(dòng)形式，讓羽毛球的慣性發(fā)揮作用．

2.4 案例小結(jié)

這是一個(gè)基于問題解決的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)，尋找的證據(jù)分為表象證據(jù)和本質(zhì)證據(jù)，這也是很多學(xué)生在實(shí)驗(yàn)研究中特別容易忽視的問題，學(xué)生往往在找到表象證據(jù)后，就認(rèn)為問題已經(jīng)解決，得出了粗淺的結(jié)論，其實(shí)這離問題的本質(zhì)還有一段距離，需要進(jìn)一步尋找證據(jù)，才能真正認(rèn)清原理，這也是教師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)中要特別關(guān)注的．

綜合上述兩個(gè)案例，筆者認(rèn)為，基于“現(xiàn)象、證據(jù)、思辨”的物理課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)總是站在學(xué)生的角度去思考和設(shè)計(jì)的，有利于培養(yǎng)學(xué)生深度思考、主動(dòng)參與、敢于創(chuàng)新的科學(xué)品質(zhì)，也值得教師在教學(xué)實(shí)踐中去進(jìn)一步探索和嘗試．