李思成 向世昊 艾振宙

(湖南第一師范學(xué)院物理與化學(xué)學(xué)院 湖南 長沙 410205)

1 引言

在第十一屆“中國大學(xué)教學(xué)論壇”上,教育部高等教育司司長吳巖闡述題為“建設(shè)中國金課”的報告,提出了“兩性一度”的金課標(biāo)準(zhǔn),即高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度.對課程教學(xué)提出了更高的要求,培養(yǎng)學(xué)生成為“全面發(fā)展的人”.新時代下,國家也提倡學(xué)校教育和實踐鍛煉相結(jié)合,培養(yǎng)學(xué)生高級思維及創(chuàng)新能力.物理作為一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科,著重培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng).但在現(xiàn)在的物理教學(xué)中,教師忽略了物理實驗的重要性[1],只在課堂上演示實驗或直接觀看視頻;教學(xué)方式固化,在新課改的背景下,內(nèi)容沒有與時俱進,未做到以學(xué)生為主體,常采取“題?！睉?zhàn)術(shù),久而久之使學(xué)生失去了創(chuàng)新精神及學(xué)習(xí)主動性.基于以上問題,通過結(jié)合物理教學(xué)案例,嘗試將“兩性一度”融入物理實驗中,希望對當(dāng)前“金課”建設(shè)提供借鑒.

2 設(shè)計依據(jù)

2.1 創(chuàng)新性——創(chuàng)新性實驗

兩性一度中的“創(chuàng)新性”要求課程內(nèi)容有前沿性和時代性,教學(xué)形式體現(xiàn)先進性和互動性,學(xué)習(xí)結(jié)果具有探究性和個性化,培養(yǎng)學(xué)生去探究,能夠把學(xué)生的個性特點發(fā)揮出來[2].在物理實驗教學(xué)中,要進行教學(xué)模式的構(gòu)建以及教學(xué)方式的改變,從而得到更好的學(xué)習(xí)結(jié)果.從原來的單一的講課模式過渡到由講課、教師演示實驗、討論、學(xué)生自主設(shè)計實驗、評價等多種教學(xué)方式相結(jié)合[3].同時構(gòu)建探究式、合作學(xué)習(xí)的教學(xué)模式.教師可在課堂上根據(jù)實驗設(shè)置相應(yīng)探究問題以及合作學(xué)習(xí)環(huán)節(jié),通過以上結(jié)構(gòu)模式的搭建,在一步步的問題探究中培養(yǎng)學(xué)生的思維及創(chuàng)新能力,且通過與他人的交流以及思想碰撞,學(xué)習(xí)者會有產(chǎn)出,這些產(chǎn)出中就包括了知識和新的想法.

實際課堂中,可采取教師演示創(chuàng)新性實驗的教學(xué)方式,改進實驗教具.如在設(shè)計“蒸發(fā)運動”的實驗時,構(gòu)建可視化實驗?zāi)Ｐ?使學(xué)生更直觀地觀察到其運動現(xiàn)象,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,為學(xué)生提供接下來課堂中的學(xué)習(xí)探究思路.落實了以“學(xué)生為主體,教師為主導(dǎo)”的教育思想,以此來推動學(xué)生個性化發(fā)展.

2.2 高階性——多思維實驗

高階性是指知識、能力、素質(zhì)的有機融合,培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的綜合能力和高級思維[2].而多思維組合是一種高級思維方式,把多思維與實驗課程結(jié)合能有效地促進學(xué)生對跨學(xué)科、多維度知識的學(xué)習(xí)思路構(gòu)建,多思維可包含數(shù)學(xué)思維、抽象思維、求異思維、辯證思維等;多思維活動可包括記憶、應(yīng)用、創(chuàng)造、分析等.所以教師在設(shè)計教學(xué)內(nèi)容時可嘗試將課本內(nèi)容與思維多樣化相結(jié)合,設(shè)置多思維活動,不同的思維相互交融,更能促進學(xué)生的高級思維發(fā)展.如在設(shè)計凸透鏡的實驗前,學(xué)生回顧凸透鏡的各種知識點,這便是“記憶”思維中的回憶;學(xué)生舉出生活中凸透鏡例子,這便是“理解”思維中的舉例;學(xué)生在概述這些知識點的同時可為設(shè)計凸透鏡組合實驗奠定基礎(chǔ).實驗時,學(xué)生可開始通過自己的理解開展“創(chuàng)新”思維活動[4].實驗后,學(xué)生可通過“發(fā)散”思維尋找規(guī)律關(guān)聯(lián).這樣有助于培養(yǎng)學(xué)生對核心知識思維概念的構(gòu)建,也有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究精神以及看待問題的全面性[4].

2.3 挑戰(zhàn)度——拓展性實驗

兩性一度中的“挑戰(zhàn)度”是指課程有一定難度,需要跳一跳才能夠得著,對于教師備課和學(xué)生課下學(xué)習(xí)活動有較高要求[2].物理實驗課堂中要體現(xiàn)挑戰(zhàn)度,主要集中在兩個方面,一是拓展物理教材中知識的深度和廣度并在教學(xué)目標(biāo)的情感態(tài)度與價值觀維度上,對學(xué)生做出更高的要求;二是優(yōu)化課程考核評價,將物理的拓展性實驗作為考核的重要部分,融入對學(xué)生實驗操作能力的考核.課程考核評價主要分為兩個部分,形成性評價占總體的40%,終結(jié)性評價占總體的60%.其中形成性評價包括課堂表現(xiàn)及平時小組實驗完成情況;終結(jié)性評價分為實驗前、中、后3部分,里面又分別包括了資料查詢、儀器操作、答辯情況等,具體情況及占比如圖1所示.旨在通過課程考核方式的優(yōu)化,改變學(xué)生成績“一紙定結(jié)果”的局面,提高課程的挑戰(zhàn)度.

前文中提到的拓展性實驗,是指將略難于課本內(nèi)容的知識運用到實驗中,將生活中奇特現(xiàn)象或是課本中提及的復(fù)雜概念,以問題為導(dǎo)向,以已有知識為基礎(chǔ),以實驗為路徑,鼓勵學(xué)生自由發(fā)表觀點,克服畏難思想,勇攀知識高峰.據(jù)此,教師能夠從學(xué)生的回答及課堂表現(xiàn)中了解到他們的知識掌握情況并形成最終的課程評價.

3 案例設(shè)計

3.1 創(chuàng)新性實驗

3.1.1 起舞的液滴

(1)實驗材料:燒熱的玻璃片及球面玻璃,丙二醇,色素.

(2)實驗步驟

1)將丙二醇溶于水,不同濃度的加入不同顏色的色素來區(qū)分.

2)在燒熱的玻璃板上滴入兩滴同一顏色的丙二醇溶液,如圖2所示.

3)在燒熱的球形玻璃內(nèi)側(cè)滴入兩滴不同顏色的丙二醇溶液,如圖3所示.

圖3 不同濃度液滴融合過程

3.1.2 實驗分析

可視化模型分析原因:用后面貼有磁鐵的淺藍色半圓形紙片代替液滴,后面貼有磁鐵的深藍色圓形小紙片代替水汽,通過移動圓形小紙片來演示蒸發(fā)過程,如圖4所示.

圖4 液滴蒸發(fā)運動可視化模型

因為水蒸發(fā)得比較快,所以在水滴周圍都包裹了一層水汽.當(dāng)兩個液滴緩慢靠近時,中間的濕度會比四周的濕度高,導(dǎo)致中間蒸發(fā)較慢,四周蒸發(fā)較快,二者之間的壓力差會把液滴往中間推.與此同時兩個不同濃度的溶液還會存在表面張力的差異,水的表面張力較大,拉扯著分子遠離表面張力小的丙二醇.

創(chuàng)新點:用色素來表示不同濃度的液體,便于區(qū)分;用加熱的玻璃板進行實驗?zāi)芗涌焖舭l(fā),提高實驗效率;同濃度液滴實驗時,用可視化的模型來模擬整個液滴蒸發(fā)運動過程;不同濃度液滴實驗時,用球形玻璃來進行實驗,能夠更加明顯地觀察到表面張力對液滴融合的影響.

3.2 多思維實驗

3.2.1 隱形的手

(1)活動目標(biāo)

通過運用4個透鏡對光的相互作用來制造盲區(qū);能夠分析“隱形的手”形成的原理;能夠通過找到透鏡焦距,計算出各透鏡之間的距離.

(2)活動重難點

活動重點:凸透鏡成像規(guī)律的光路圖.

活動難點:4個透鏡、手的擺放位置.

(3)活動資源

兩組凸透鏡(每組中兩個同焦距透鏡且兩組焦距已知),光具座.

(4)活動過程

1)實驗前回顧凸透鏡成像規(guī)律的光路圖以及焦距知識.

2)引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實驗.

a.先將4個凸透鏡都畫在紙上,分析光路圖確認(rèn)凸透鏡的先后順序以及光線盲區(qū),如圖5所示.

b.通過計算焦距來估測4個凸透鏡的位置.

c.將兩組凸透鏡都放在光具座上,調(diào)節(jié)到猜想位置.

d.將手放到猜想位置,觀察現(xiàn)象.

e.若觀察不到“隱形的手”,則繼續(xù)調(diào)節(jié)透鏡的位置或順序,直至成功,如圖6所示.

3)得出結(jié)論,總結(jié)實驗過程中存在的不足.

3.2.2 實驗分析

本實驗運用了凸透鏡對光線作用造成視野盲區(qū)的原理.在進行實驗前教師可以通過設(shè)計問題鏈的方式來為學(xué)生提供實驗設(shè)計思路,以增強實驗的邏輯性.本實驗中,學(xué)生可運用“分析”思維來設(shè)計實驗方案,分析光路圖;可運用“抽象”思維來確認(rèn)光線盲區(qū)位置;可運用“數(shù)學(xué)”思維來計算凸透鏡之間的距離;可運用“評價”思維來反思實驗中存在的不足;可運用“創(chuàng)造”思維從實驗中推測出隱身衣的原理,具體如圖7所示.

圖7 多思維實驗流程圖

3.3 拓展性實驗

開展拓展性實驗前,學(xué)生應(yīng)該對凹凸鏡對光的匯聚和發(fā)散作用有一定的了解.在此知識基礎(chǔ)上,來設(shè)計拓展性實驗,引導(dǎo)學(xué)生運用已學(xué)知識,再進一步思考問題.

3.3.1 透光銅鏡

(1)實驗材料:青銅鏡,燈光.

(2)實驗步驟

1)學(xué)生猜測當(dāng)光照到青銅鏡上時反射光形成的像.

2)在暗處將光照射到青銅鏡上,觀察現(xiàn)象,如圖8所示.

圖8 透光銅鏡實驗圖

3.3.2 實驗分析

由于透光銅鏡由多個連續(xù)的凹凸鏡組成,如圖9所示,當(dāng)光照到鏡面上時,凸鏡發(fā)散光,看起來較為暗;凹鏡聚集光,看起來較為亮.這樣便將背面的紋飾反射出來了.

圖9 鏡面凹凸情況

3.3.3 拓展資料

銅鏡的歷史及用處:青銅鏡最早于距今4 000年左右起家文化墓葬中出土,直徑6 cm、厚0.3 cm,鏡面有光澤,鏡背中央有一個橋型鈕,沒有紋飾.據(jù)史料記載,自商周起,古人便將青銅磨光做成鏡子,因其背后有紋飾又起到裝飾的效果.

透光銅鏡鏡面形成多個連續(xù)的凹凸鏡的原因:青銅鏡在淬火時,厚的地方冷卻慢,薄的地方冷卻快,由此產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力使厚的地方凹進去,薄的地方凸起來[5].在經(jīng)過打磨后,隨著青銅鏡剛度的下降,鏡體的曲率會和背面的圖文相互對應(yīng)起來,形成多個連續(xù)的凹凸鏡.

4 結(jié)束語

通過開展創(chuàng)新性實驗、多思維實驗、拓展性實驗,讓學(xué)生能夠在課堂上學(xué)到知識、學(xué)出快樂、積極思考、動手實踐,以構(gòu)建兩性一度的物理實驗學(xué)習(xí)思路.