裴兆洋 陳伊凡

摘? ? 要：物理實(shí)驗(yàn)不僅是物理學(xué)的基礎(chǔ)，更是物理學(xué)發(fā)展的基本動(dòng)力.教師要?jiǎng)?chuàng)新實(shí)驗(yàn)方案，并開發(fā)出相應(yīng)的自制教具，與傳統(tǒng)儀器進(jìn)行優(yōu)勢互補(bǔ)，再根據(jù)不同層次學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，優(yōu)化教學(xué)過程，全面提升學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng).

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)教學(xué);自制教具;核心素養(yǎng)

核心素養(yǎng)是指學(xué)生應(yīng)具備的適應(yīng)終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力[1].物理學(xué)科的核心素養(yǎng)包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任.物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)培養(yǎng)物理核心素養(yǎng)作用顯著，通過實(shí)驗(yàn)探究，可以更好地揭示物理規(guī)律的本質(zhì)，有助于學(xué)生物理觀念的形成和科學(xué)思維能力的培養(yǎng)，發(fā)展科學(xué)態(tài)度與責(zé)任.因此，在課堂上要盡可能地發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果，將培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)貫穿于教學(xué)始終，使物理教學(xué)過程成為學(xué)生核心素養(yǎng)的形成過程.

下面就以筆者自主設(shè)計(jì)并制作的3套物理教具為例，展現(xiàn)自制教具在優(yōu)化教學(xué)效果與踐行素養(yǎng)教學(xué)上的功能拓展.

一、創(chuàng)設(shè)情境、激發(fā)興趣，促進(jìn)科學(xué)探究

興趣是學(xué)好物理的前提，是學(xué)生追求真理的動(dòng)力和源泉.只有當(dāng)學(xué)生興趣盎然之時(shí)，才會(huì)變被動(dòng)的“要我學(xué)”為主動(dòng)的“我要學(xué)”.而科學(xué)探究是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要內(nèi)容.因此，教師要努力將枯燥的理論知識(shí)變得生動(dòng)有趣，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的科學(xué)探究欲望，使學(xué)生在思想和情感上產(chǎn)生共鳴.自制教具可以創(chuàng)設(shè)情境、激發(fā)興趣，促進(jìn)科學(xué)探究，提升物理核心素養(yǎng).

案例1? ?在靜電場的第一節(jié)《電荷及其守恒定律》的新課引入環(huán)節(jié)，筆者利用自制實(shí)驗(yàn)教具“靜電感應(yīng)小馬達(dá)”（圖1），巧設(shè)問題情境，激發(fā)學(xué)生興趣，落實(shí)本課核心目標(biāo)的動(dòng)態(tài)達(dá)成.

【問題呈現(xiàn)】 電場看不見、摸不著，但客觀存在. “場”這一物理模型在初學(xué)時(shí)不易接受，原因在于它非常抽象.而電場概念的建立對(duì)靜電場后續(xù)知識(shí)的學(xué)習(xí)至關(guān)重要，本節(jié)課作為學(xué)習(xí)靜電場有關(guān)內(nèi)容的第一節(jié)課，教學(xué)效果的好壞將直接影響學(xué)生對(duì)靜電場的學(xué)習(xí)興趣.筆者仔細(xì)分析課本的相關(guān)演示實(shí)驗(yàn)（圖2）[2]，其探究過程循序深入，能較好地開發(fā)學(xué)生的思維能力，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象也較明顯，但更適合在課堂教學(xué)的中間環(huán)節(jié)逐一分析三種起電方式，獨(dú)立呈現(xiàn)，且趣味性和直觀性相對(duì)缺乏.

【案例分析與評(píng)價(jià)】如圖3所示，先將插入杯底中心的大頭針針尖放在鉛筆上端，使杯子懸空，然后在圖3指定區(qū)域用毛皮摩擦PVC管，使PVC管帶上負(fù)電荷.根據(jù)靜電感應(yīng)原理，圖3左側(cè)回形針靠近PVC管端感應(yīng)出正電荷、遠(yuǎn)端感應(yīng)出負(fù)電荷;同時(shí)，靠近PVC管一側(cè)的鋁箔紙也會(huì)感應(yīng)出正電荷、右側(cè)（遠(yuǎn)端）感應(yīng)出負(fù)電荷，又根據(jù)接觸起電原理，右側(cè)的回形針便帶上了負(fù)電荷.由于兩側(cè)回形針的尖端靠近塑料杯，且都帶上負(fù)電荷，又會(huì)使杯上的鋁箔條發(fā)生靜電感應(yīng)，兩側(cè)靜電力同時(shí)作用，塑料杯飛速旋轉(zhuǎn)起來.

“靜電感應(yīng)小馬達(dá)”可以將三種起電方式融為一體，在新課導(dǎo)入時(shí)針對(duì)性強(qiáng)、設(shè)置懸念效果佳，能成功吸引學(xué)生的注意力.學(xué)生先從有趣的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)問題、提出猜想與假設(shè)，再運(yùn)用已有知識(shí)制訂探究計(jì)劃，獲取有用信息，最后根據(jù)本節(jié)課掌握的知識(shí)，基于證據(jù)得出結(jié)論，并解釋與交流，這樣能較好地培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究的能力.在具體的問題情境中，學(xué)生帶著疑惑去聽課、思索，也有利于激發(fā)他們進(jìn)行科學(xué)探究的興趣.同時(shí)，該教具取材方便，制作簡便，可鼓勵(lì)有興趣的學(xué)生課后組隊(duì)參與制作，培養(yǎng)他們的團(tuán)隊(duì)精神、交流表達(dá)能力以及創(chuàng)新意識(shí).

二、直觀呈現(xiàn)、感觀體驗(yàn)，形成科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

教材中的很多知識(shí)都源于生活，但學(xué)生未必都注意到生活中的這些現(xiàn)象，即使留意過，也不一定想到要從物理角度去分析.教師不能簡單舉個(gè)生活中的實(shí)例，再加以解釋，讓學(xué)生粗淺掌握該知識(shí)點(diǎn).倘若通過自制教具直觀呈現(xiàn)，讓學(xué)生能夠有感官的體驗(yàn)，這樣有利于學(xué)生感悟物理原理，認(rèn)識(shí)物理現(xiàn)象的科學(xué)本質(zhì)，從科學(xué)態(tài)度與責(zé)任方面提升物理核心素養(yǎng).

案例2? ?在《波的干涉》一節(jié)的教學(xué)中，筆者想讓學(xué)生有一個(gè)真實(shí)的體驗(yàn)過程，將抽象的概念變得具體形象，設(shè)計(jì)了一款教具“繩駐波快速演示儀”（圖4）.

【問題呈現(xiàn)】 課本先給出繩波的疊加演示實(shí)驗(yàn)（圖5），再引入水波的干涉演示實(shí)驗(yàn)（圖6）[3].前者演示需一根較長的繩子，課堂上直接演示不太方便，教師一般會(huì)選擇播放一段視頻或動(dòng)畫模擬，這樣學(xué)生缺乏直觀的體驗(yàn);后者演示需用到發(fā)波水槽，在演示時(shí)水槽是放在講臺(tái)平面上，與下面學(xué)生的視線幾乎平行，如果選擇實(shí)物展臺(tái)投影，畫質(zhì)又會(huì)降低很多，影響實(shí)際觀察效果，可視性較差.

【案例分析與評(píng)價(jià)】 如圖4所示，輕繩一端拴在起振器振軸上，另一端拴在拉環(huán)上，手指扣住拉環(huán)使輕繩繃緊，啟動(dòng)起振器電源，振軸帶動(dòng)輕繩振動(dòng)，當(dāng)振動(dòng)形式傳到拉環(huán)端便形成反射波.而繩上“駐波”是入射波和反射波頻率相同、傳播方向相反，經(jīng)疊加后形成的，屬于波的干涉.通過手對(duì)拉環(huán)作用力大小的改變影響起振點(diǎn)受到的阻力，從而改變振動(dòng)頻率，在某些位置出現(xiàn)波腹（加強(qiáng)區(qū)），在另一些位置出現(xiàn)波節(jié)（減弱區(qū)），而且波節(jié)和波腹的位置始終不變，給人“駐立不動(dòng)”的印象，這便形成穩(wěn)定的駐波（圖7）.

課堂教學(xué)應(yīng)提高學(xué)生的認(rèn)知水平，要讓學(xué)生知其所以然，本課教學(xué)目標(biāo)是要求學(xué)生理解疊加與干涉的本質(zhì).該教具可以讓學(xué)生親自動(dòng)手體驗(yàn)（振感強(qiáng)烈），并將眼、手、耳、腦綜合運(yùn)用，激起學(xué)生的好奇心與求知欲.學(xué)生通過具體直觀的現(xiàn)象，深刻體會(huì)波的干涉是波疊加的結(jié)果，振動(dòng)加強(qiáng)和減弱是指振幅的加強(qiáng)和減弱，振動(dòng)加強(qiáng)區(qū)（波腹）和振動(dòng)減弱區(qū)（波節(jié)）具有穩(wěn)定性，真正達(dá)到認(rèn)識(shí)干涉現(xiàn)象科學(xué)本質(zhì)的目的.水波蕩漾在生活中很常見，其背后竟蘊(yùn)含著深邃的科學(xué)原理，使學(xué)生進(jìn)一步感受科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)、環(huán)境之間的內(nèi)在聯(lián)系，形成探索自然的內(nèi)在動(dòng)力，養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真、實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，并且具有保護(hù)環(huán)境的責(zé)任感.

三、由淺入深、學(xué)科融合，培養(yǎng)科學(xué)思維

科學(xué)思維是物理核心素養(yǎng)的核心內(nèi)容，教學(xué)過程利用自制教具可以做到由淺入深、學(xué)科融合，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維.學(xué)生探索物理規(guī)律應(yīng)是一個(gè)循序漸進(jìn)，從感性到理性的過程.教學(xué)中應(yīng)抓住學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)，由淺入深，層層遞進(jìn)，適時(shí)將知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行橫向延伸和縱向拓展，進(jìn)而可跨學(xué)科遷移，以體現(xiàn)STEAM教育多學(xué)科融合的理念.在這一過程中，教師通過有意啟發(fā)，強(qiáng)化學(xué)生的思維能力、建模與分析推理能力，同時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生敢于質(zhì)疑和批判，并大膽追求創(chuàng)新，達(dá)成培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的意愿.

案例3? ?在學(xué)生實(shí)驗(yàn)《探究感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件》教學(xué)中，筆者想通過演示課本上的常規(guī)實(shí)驗(yàn)（圖8）[4]啟迪學(xué)生，學(xué)以致用，并拓寬知識(shí)的深度與廣度.筆者設(shè)計(jì)了教具“高靈敏”電磁感應(yīng)線圈（圖9），在學(xué)生常規(guī)實(shí)驗(yàn)后展示，拋磚引玉.

【問題呈現(xiàn)】 教師一般會(huì)帶學(xué)生到實(shí)驗(yàn)室做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，并引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)課本上的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路，再結(jié)合實(shí)驗(yàn)手冊的相關(guān)要求，完成該實(shí)驗(yàn)的基本探究過程，最后交流討論，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論.這樣的教學(xué)并沒有錯(cuò)，但筆者認(rèn)為缺乏對(duì)知識(shí)的遷移，不利于挖掘知識(shí)的深度，不利于鍛煉學(xué)生的思維能力.而新課程理念倡導(dǎo)要變“教教材”為“用教材教”，以此呼喚教師結(jié)合教學(xué)實(shí)際對(duì)教材知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行創(chuàng)造性的使用[5].

【案例分析與評(píng)價(jià)】 為了突破關(guān)鍵知識(shí)，學(xué)會(huì)靈活運(yùn)用，對(duì)本實(shí)驗(yàn)的知識(shí)點(diǎn)應(yīng)適當(dāng)進(jìn)行拓展性研究.“高靈敏”電磁感應(yīng)線圈的制作可以打開學(xué)生創(chuàng)意的靈感和思維的源泉，讓學(xué)生感受到原來這節(jié)課的知識(shí)還可以這樣“玩”.該裝置主要由內(nèi)外兩部分構(gòu)成：箱體外部為線圈（約250匝）和發(fā)光二極管;箱體內(nèi)部為可控制放大電路.先將紅、綠二極管的正負(fù)極交叉并聯(lián)（紅正極接綠負(fù)極、紅負(fù)極接綠正極），再將紅綠二極管、線圈、放大電路串聯(lián)成閉合回路.當(dāng)學(xué)生用普通的條形磁鐵（無須強(qiáng)磁）插入、拔出線圈的瞬間，產(chǎn)生的感應(yīng)電流會(huì)使紅、綠二極管分別閃亮.

本實(shí)驗(yàn)教具在功能和價(jià)值上有如下優(yōu)點(diǎn)：

①無須再用導(dǎo)線連接電路，攜帶方便，操作簡易，觀賞性強(qiáng)，可兼顧后排學(xué)生的視線問題.

②利用二極管的單向?qū)ㄐ裕俳Y(jié)合已知的繞向能直接看出線圈中感應(yīng)電流的方向，為楞次定律的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ).

③放大電路的設(shè)計(jì)，使線圈中產(chǎn)生的微弱感應(yīng)電流放大效果非常明顯，成功激發(fā)二極管.

④將二極管、電磁感應(yīng)以及通用技術(shù)里的放大電路相結(jié)合，多點(diǎn)銜接，發(fā)散思維.

⑤稍加修改，該教具還可以延伸到研究電容器的充放電、小型交流發(fā)電機(jī)的電流方向等.

該教具充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的想象力，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)對(duì)比分析，進(jìn)而建構(gòu)物理模型，并在觀察、實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，基于已有證據(jù)，加之必要的推理論證，最終形成結(jié)論，由此培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，讓學(xué)生切身感悟物理的魅力.

實(shí)踐表明，當(dāng)學(xué)生置身于具體的問題情境之中，即使思索后暫時(shí)得不出結(jié)論，也會(huì)有所領(lǐng)悟，而這種領(lǐng)悟?qū)λ季S能力的提高至關(guān)重要.實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與教具的制作，更能引起學(xué)生的濃厚興趣，點(diǎn)燃他們的學(xué)習(xí)熱情，從而提升課堂教學(xué)的趣味性與實(shí)效性，促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的全面發(fā)展.

參考文獻(xiàn)：

[1]喻平.發(fā)展學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo)與策略[J].課程·教材·教法，2017（1）：48-53.

[2]普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書物理選修3-1[M].北京：人民教育出版社，2010：2-4.

[3]普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書物理選修3-4[M].北京：人民教育出版社，2010：33-34.

[4]普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書物理選修3-2[M].北京：人民教育出版社，2010：5-7.

[5]湯金波，黃網(wǎng)官.學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)是未來物理教學(xué)的最優(yōu)途徑[J].實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器，2018（6）：3-6.