孫留橋

(南京市江北新區(qū)浦口外國語學校 江蘇 南京 210031)

隨著新時代教育的發(fā)展,“學科育人”成為重要的價值追求,“核心素養(yǎng)”是實現教育價值的基礎與核心;科學思維是“核心素養(yǎng)”的關鍵要素,在教育教學中起著舉足輕重的作用.物理是以實驗為基礎的學科,實驗思維能力的培養(yǎng)成為物理實驗教學中重要的目標和任務.

1 物理實驗思維定義及特點

物理實驗思維,就是人對客觀事物(實驗儀器、實驗對象、實驗現象、實驗數據等)的本質屬性、內部規(guī)律及相互作用概括性的能動的反映.具有以下的特點.

1.1 以知識、操作及技能等為載體

物理實驗是概念、規(guī)律與實際操作有機結合的過程,思維活動的過程貫穿于物理實驗的各個環(huán)節(jié)之中,實驗思維的對象,一方面是物理概念、規(guī)律緊密相關的實驗原理,另一方面還包括實驗方案、器材、操作、數據以及結果處理等.學生在不斷實踐中,學習和積累知識、掌握實驗儀器使用方法和技能,不斷總結實驗中的經驗和教訓等,從而促進了實驗思維能力的發(fā)展.

1.2 在動態(tài)變化發(fā)展中獲得提升

一方面,為實現實驗目的,學生通過逐步主動積極地解決物理實驗過程中面對的各種問題,在解決問題的過程中完善物理實驗思維能力的結構.另外一方面,在物理實驗教學活動中,當他們掌握某種思維技能且獲得一定發(fā)展的時候,他們的實驗思維能力結構也就自然逐步完善和發(fā)展起來.

1.3 存在較為明顯的心理個體差異

物理實驗的實質就在于認識和活動的統一,因此,物理實驗思維能力是學生在物理實驗教學中所表現出的一種穩(wěn)定心理特征的綜合,物理實驗思維能力的建構,伴隨著實驗個體差異存在著明顯的思維或認知的差異性,即存在不同的思維品質,物理實驗思維的品質主要包括敏捷性、靈活性、深刻性、獨特性、批判性5個方面.

2 物理實驗思維培養(yǎng)的探索途徑

2.1 因勢利導 培養(yǎng)實驗思維的敏捷性

實驗思維的敏捷性,一般指思維過程中體現出來的迅速程度.好的思維敏捷性特征:處理問題和解決問題時,能夠適應迫切的情況積極進行思維,周密思考,正確地判斷和迅速地找到方法或結論,需注意的是它與思維的輕率性具有本質的區(qū)別.實驗思維的敏捷性在實驗過程中的具體體現如下.

(1)實驗設計能根據研究的問題,及時抓住大腦中的各種有效關鍵知識,較短時間內制定出實驗方案;

(2)實驗過程中,善于捕獲各種信息,對各種現象及時做出反應,迅速解決和排除實驗中的各種問題或干擾,快速處理實驗數據,得出實驗結論.

實驗1：電流的熱效應

在探究“電流的熱效應”實驗教學過程中,教材中安排用溫度計測量被測液體的溫度.實際操作時,需要使用溫度計進行溫度測量,一方面學生不易觀察和讀數,另外,兩個燒瓶中液體的溫度相差不大時不便于比較兩次示數.針對這個問題,筆者將這個問題拋給學生,能否找到一個行之有效的方法呢?有學生立即提出用溫度傳感器來測量溫度的建議,如圖1所示.

圖1 用溫度傳感器來測量溫度

評析：該改進實驗通過問題導向,除了解決實驗數據的精度問題外,另外,與傳統的方案比較,還節(jié)約了實驗的時間;讓學生體會到科技的重要性,體驗到物理與生活的息息相關,實驗效果更好.平常教學中,教師要善于捕捉契機,引導學生進行思考,提高他們思維的敏捷性.

2.2 順勢而為 培養(yǎng)實驗思維的靈活性

實驗思維的靈活性指物理實驗過程中思維活動的智力靈活程度,它往往具有以下特點:

(1)視角靈活,從不同方向和角度找到問題解決的方案;

(2)過程靈活,能運用分析和綜合的方法巧妙進行分析和思考;

(3)手段多元,具有較強的概括遷移能力,并且善于組合,伸縮范圍大;

(4)結果往往開放,不拘泥于一種形式或結果,豐富多彩,具有多種可能性.

具體物理實驗過程中的體現如下:

(1)靈活地運用所學的科學概念和規(guī)律,針對某一問題,提出多個實驗原理,設計出多種方案.

(2)巧妙運用分析、綜合、抽象、概括、判斷、推理等方法解決實驗中的問題;

(3)靈活處理實驗結果,善于從不同角度分析實驗誤差.

實驗2：驗證大氣壓的存在

在學習大氣壓時,常見的演示實驗是向一次性紙杯里倒?jié)M水,如圖2(a)所示,將硬紙板蓋在紙杯上用手按住,將紙杯轉動180°,讓紙杯口豎直朝下,觀察松手后的現象.紙片和水都沒有掉落,此現象說明了大氣壓的存在,但實際教學中,我們發(fā)現部分學生會認為紙片和水不掉落的原因是水與紙片之間有水,是水將紙片“粘”住了,這部分學生對大氣壓起了決定作用不是很信服,因此心里一直表示懷疑.

(a)驗證大氣壓實驗示意圖 (b)驗證大氣壓存在改進實驗圖2 驗證大氣壓存在實驗

師:為了消除此疑惑,能否設計實驗來證明呢?你設計的思路是什么?

生甲:將紙杯和紙片整個演示裝置放到一個大的容器中進行抽氣,觀察紙片是否掉落.

師:思路是正確的,但運用抽氣機進行實驗比較麻煩,實驗成本比較高.能否按照此思路設計一個器材和操作均很簡單的方案呢?

生乙:將此實驗進行改進,改用小瓶子和兵乓球進行實驗,將整個實驗裝置再放入一個密閉的大玻璃瓶中,如圖2(b)所示,通過吸管吸氣,我們也會發(fā)現兵乓球掉落了,從而驗證了大氣壓的存在.

評析：此實驗的改進充分體現了學生的實驗思維的靈活性,針對實驗存在的問題和疑問,結合有效的思路,積極思考策略,巧妙地設計方案解決了問題.實際教學中,教師要善于利用探究時空,撥開思維的“迷霧”,順勢而為,跨過一個又一個思維的制高點,久而久之,學生思維靈活性的培養(yǎng)水到渠成.

2.3 盤根究底 培養(yǎng)實驗思維的深刻性

實驗思維的深刻性是指思維活動的抽象程度和邏輯水平,涉及到思維活動的廣度、深度和難度3個方面.它是以感性材料為基礎,通過思維進行去粗取精,去偽存真,由此及彼,由表及里,抓住事物的本質與內在聯系,進而認識到事物的特征和規(guī)律.主要特征是善于概括歸類,具有較強的邏輯抽象性,對認識活動具有系統性,能預見事物的發(fā)展進程.具體表現如下:

(1)實驗設計能運用所學的科學概念和科學規(guī)律,針對研究的問題,提出和闡述實驗原理,設計出合理的實驗方案;

(2)實驗過程中,能夠對實驗中所觀察的現象和所測的數據進行正確的分折、抽象、概括、判斷、推理等;

(3)對實驗現象、數據和結論養(yǎng)成用科學概念和規(guī)律邏輯性的歸納、聯想、解釋,以及善于運用數學輔助推理的習慣,正確處理實驗結果,能進行初步的誤差分析.

實驗3：探究液體壓強大小的影響因素

學習液體壓強時,許多學生對“液體壓強大小與液體重力無關”無法理解或理解比較困難,有部分教師提供液體壓強公式讓學生進行機械記憶學習,液體壓強公式中沒有出現液體重力,因此,液體壓強大小與液體重力大小無關,事實上學生并沒有真正理解其本質.教材中也未提供相關實驗進行分析,導致變成教學中的一個難點.

師:實驗是物理學習的基本方法和手段,我們能否通過實驗來進行驗證呢?我提供的器材有1個漏斗、1個橡皮管、1個氣球、適量的水.請你們思考,設計實驗方案.

生:可以設計下列實驗進行突破,如圖3所示,將橡膠管的一端與漏斗的下口相連,橡皮管的另一端與氣球連接起來,往漏斗中倒入水,我們會發(fā)現氣球充入水后由于水的壓強氣球會慢慢鼓起．此時,不再加水,僅將漏斗位置提高(氣球位置不動),我們又會發(fā)現氣球的體積逐漸變大,漏斗上升到一定高度時,氣球會被水壓破.

圖3 探究液體壓強實驗示意圖

評析：該實驗不僅演示了液體壓強與深度有關的規(guī)律,深度越深,壓強越大,同時由于實驗中保持了水量不變,水的壓強大小照樣能發(fā)生改變,解決了學生將液體所受的重力誤認為是液體壓強的影響因素的疑問,學生對液體壓強的影響因素的理解更加深刻,思維的深刻性也得到了提升.

2.4 創(chuàng)新設計 培養(yǎng)實驗思維的獨特性

實驗思維的獨特性即思維活動的創(chuàng)造性.獨特性注重于源于主體對知識經驗或思維材料高度概括后集中而系統的遷移,進行新穎的組合分析,找出新異的層次和交結點.具體表現為:能夠根據問題需要,獨立設計方案、選擇器材、獲取數據、分析實驗結果并得出結論;善于提出獨特、新穎的實驗方案和方法,對實驗結果有獨到的見解;能獨立完成一定難度的探索性實驗,并根據現有器材和設備改進原有的實驗;在科技活動中,能夠設計出具有一定特色的科技作品.

實驗4：電磁感應

在學習電磁感應時,教材提供的器材比較多,由于電磁感應的方向與多個因素有關,實驗過程中必須控制變量,操作較為繁瑣.學生運用發(fā)光二極管和線圈,制作出如圖4所示的演示裝置.不用電流計來判斷電路中是否產生感應電流,選取兩個發(fā)光顏色不同的發(fā)光二極管來代替電流計,為電路連接簡潔、操作方便,將兩個二極管反向并聯后接到線路中,再在干路中連入線圈,整個電路構成閉合通路;當在線圈的上方插入磁棒,由于相對運動,線圈就會向上或向下切割磁感線運動,此時總會有一個二極管發(fā)光、一個二極管不發(fā)光的現象產生,這就表明在通路中有電流通過,同時說明,切割磁感線方向不同時,產生的感應電流方向也不同.

圖4 電磁感應實驗示意圖

評析：這是電磁感應實驗的創(chuàng)新設計,將觀察電流計指針的偏轉改進為觀察發(fā)光二極管的亮滅來判斷感應電流的產生,現象更明顯,直觀性更強,操作更簡單,學生也易于理解和掌握電磁感應.另外一方面,將發(fā)光二極管應用到實驗中,學以致用,將科技元素與物理實驗巧妙融合,充分體現了學生實驗思維的獨特性.

2.5 大膽質疑 培養(yǎng)實驗思維的批判性

實驗思維的批判性,也叫做批判性思維,是指物理實驗的思維活動中善于嚴格地估計思維材料和精密地檢查思維過程的智力品質.思維的批判性品質有以下5個特點:

(1)分析性.在思維過程中不斷地分析問題所依據的條件和反復驗證已經擬定的假設、計劃和方案.

(2)策略性.針對思維主題,根據自己原有的思維水平和知識經驗尋找相應策略或問題解決的手段.

(3)全面性.善于客觀分析考慮正反兩方面論據,關注思維主題的進展,根據正確計劃進行錯誤方案的修改和完善.

(4)獨立性.不為情景性的暗示所左右,不人云亦云,盲從附和.

(5)正確性.思維過程嚴密,條理清楚,思維結果正確.

具體表現如下:

(1)善于對實驗的可靠性作出正確評估,從不同的實驗方案中選擇一種恰當的可行的方案;

(2)及時解決實驗中的問題,及時檢查、評價、調節(jié)實驗過程,從而修改實驗方案,使實驗順利進行;

(3)理解實驗的相對性,注意在實驗的全過程中保持質疑心理,重視實驗各階段的反思和總結.

思維的批判性品質是思維過程中自我意識作用的結果.

實驗5：平面鏡成像

該實驗中,運用實驗器材多,操作的步驟也比較復雜,不僅要觀察實驗現象,而且必須記錄相關數據,并對數據進行分析比較后得出平面鏡成像的規(guī)律.可以從以下幾個方面改進:

(1)用方格紙或棋盤鋪在桌面上,再將平面鏡立放于棋盤中軸線上;

(2)將一張白紙對折再展開鋪平,在折痕處立放玻璃板,實驗時在對應的位置分別給物和像標上記號,實驗結束后將白紙沿鏡子所在直線對折,觀察對應的記號是否重合;

(3)用茶色玻璃板代替無色透明玻璃板,或者在透明玻璃板一側粘貼透明薄膜,減少透光;

(4)用兩個相同的透明小藥瓶,其中一只內裝上一個LED小燈珠代替蠟燭.

評析：首先通過運用棋盤可以直接地觀察到物和像到鏡子距離相等,并且連線與鏡面垂直的特點;運用白紙做記號的方法將用數學知識解決物理問題,提高學生的學科綜合能力,激發(fā)學生思維.其次,實驗記錄用的白紙學生在課后還可以重復進行觀察分析,有利于實驗結論的反復論證;茶色玻璃減少透光性,成像更清晰;最后,用LED燈珠代替蠟燭,排除燭焰易受氣流影響不穩(wěn)定的缺點,還增加了安全性.

3 結束語

思維的培養(yǎng)是新時代下學科育人的關鍵目標,物理實驗思維能力的品質(深刻性、靈活性、批判性、敏捷性和獨特性)是學生在物理實驗思維活動中智力特征的表現,它們之間是相互聯系、密不可分的;在實驗教學中,我們只要從培養(yǎng)學生實驗思維能力品質的角度去組織教學,努力探索,相信學生核心素養(yǎng)的提升一定會指日可待,學科育人的目標真正會落地生根.