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        創(chuàng)新物理實驗 提升科學思維

        2023-12-27 10:22:26黨立寧
        中學教學參考·理科版 2023年8期
        關鍵詞:科學思維物理實驗

        黨立寧

        [摘 要]科學思維是物理課程核心素養(yǎng)的重要組成部分。在物理教學過程中,有時教師可以依據(jù)某些物理原理或物理規(guī)律,構(gòu)建物理模型,進行創(chuàng)新性實驗,讓學生親身體驗,同時引導學生理性思考,從而提升學生的科學思維素養(yǎng)。文章以初中物理教材中幾個常見的實驗為例,探討學生模型建構(gòu)、推理論證、質(zhì)疑創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

        [關鍵詞]物理原理;物理實驗;科學思維

        [中圖分類號]? ? G633.7? ? ? ? [文獻標識碼]? ? A? ? ? ? [文章編號]? ? 1674-6058(2023)23-0031-03

        科學思維是建構(gòu)物理模型的抽象概括過程,是從物理學視角對物質(zhì)世界的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律以及相互聯(lián)系的認識方式,是推理論證等方法在物理教學中的具體應用,是激發(fā)學生智慧火花后,促使學生大膽質(zhì)疑、形成創(chuàng)新思維的高度體現(xiàn)。實驗又是發(fā)展學生科學思維的有效措施,是物理學科實踐的典型方式,新課程、新課標特別強調(diào)要強化學科實踐,因此,在具體教學中,教師通過實驗創(chuàng)新培養(yǎng)學生的科學思維,顯得尤為必要。

        一、通過實驗創(chuàng)新,培養(yǎng)學生的模型建構(gòu)能力

        創(chuàng)新實驗1:杠桿的模型建構(gòu)

        模型建構(gòu)是科學思維的重要組成部分,它包括情境、問題和過程。杠桿模型是初中物理教材中的典型模型,下面以杠桿模型為例,闡述模型建構(gòu)的重要性。

        創(chuàng)設情境:如圖1所示,將一根粗細不均勻的胡蘿卜用細線豎直懸掛起來,當胡蘿卜處于水平平衡時,發(fā)現(xiàn)懸掛點距粗的一側(cè)端點距離近,距細的一側(cè)端點距離遠。

        問題呈現(xiàn):教師給出問題,即如果從懸掛點處切一刀,是左側(cè)粗的半段胡蘿卜重,還是右側(cè)細的半段胡蘿卜重?學生議論紛紛,有的說粗的那段重,有的說細的那段重,還有的說兩段一樣重。教師說:“眼見為實,讓我們測一測吧?!庇谑怯锰炱椒謩e測量了兩段胡蘿卜,如圖2所示,結(jié)果發(fā)現(xiàn)是粗的那段重,細的那段輕。多數(shù)學生很詫異,他們認為細的那段那么長,應該是細的那段重,還有學生認為將胡蘿卜懸掛起來后,當胡蘿卜水平平衡時,懸掛點就是它的重心位置,從重心處分割,左右兩段應該一樣重才對。

        通過現(xiàn)實情境和問題呈現(xiàn),教師將學生原有的認知概念與真實的實驗現(xiàn)象作對比,使學生產(chǎn)生認知沖突。學生在爭論中激發(fā)出思維的火花,在思維碰撞中深度思考:究竟是什么原因?

        教師順水推舟:如圖3所示,對此狀態(tài)下杠桿的受力等情況進行分析,標出支點、動力、阻力三個要素,進而引出動力臂和阻力臂(如圖4)。如此,杠桿的模型建構(gòu)基本完成,為后續(xù)研究杠桿平衡的條件做好了鋪墊,打下了基礎。經(jīng)歷杠桿模型建構(gòu)歷程后,學生發(fā)現(xiàn)情境是模型建構(gòu)的基礎和載體,問題質(zhì)疑是模型建構(gòu)的助推器,過程是模型建構(gòu)需要強調(diào)的,因此,在建模過程中,學生可以經(jīng)歷體驗、可以強化認知。實施實驗創(chuàng)新,需要針對典型模型進行合理的建構(gòu),這對發(fā)展學生的科學思維至關重要。

        二、通過實驗創(chuàng)新,培養(yǎng)學生的推理論證能力

        推理論證是核心素養(yǎng)中科學思維的主要組成部分,在《義務教育物理課程標準(2022年版)》中明確指出:“在歸納或演繹中會引用證據(jù),養(yǎng)成使用證據(jù)的習慣?!边@就要求教師要創(chuàng)造條件,引導學生尊重證據(jù)、尋找證據(jù),進而學會使用證據(jù)進行解釋。實驗創(chuàng)新,就是典型的創(chuàng)造條件以獲得證據(jù)的主要方式。

        創(chuàng)新實驗2:馬德堡半球?qū)嶒?/p>

        如圖5所示,多數(shù)情況下,教師在課堂教學中演示馬德堡半球?qū)嶒灂r大多采用這種方式:先在兩個銅半球的邊緣上涂抹凡士林,再將它們合在一起,以增強氣密性;然后用抽氣機抽盡球內(nèi)的空氣,關閉進氣閥;最后讓兩隊學生以拔河的方式反方向用力拉半球上的兩根繩。結(jié)果是震撼人心的:兩隊學生用了很大的力氣都沒能將兩個銅半球拉開。這時教師發(fā)問:銅半球為什么拉不開?學生思考,并發(fā)表見解。有學生認為,反方向的兩個力足夠大時,兩個半球完全可以被拉開,因為力可以改變物體的運動狀態(tài);有學生認為,之所以拉不開兩個半球,很有可能是因為半球外側(cè)空氣對兩個半球向內(nèi)有擠壓,與兩隊學生的拉力形成了抗衡之勢。教師順勢引導:同學們的觀點是正確的,就是半球周圍的空氣產(chǎn)生的壓強頂住了半球,使兩個半球難以被拉開。但有學生產(chǎn)生了質(zhì)疑:空氣能產(chǎn)生這么大的壓力將半球頂住嗎?通常教師會順水推舟,將半球上的進氣閥打開,讓空氣進入球中,再重復以上的操作,這時學生就能輕松地將兩個半球拉開了。教師引導學生分析:球內(nèi)空氣被抽走,內(nèi)部氣壓很小,是外部空氣產(chǎn)生的壓力擠壓半球,使半球不能被拉開。這種常規(guī)式馬德堡半球?qū)嶒灛F(xiàn)象明顯,能很好地驗證大氣壓強的存在。

        有學生反問:如何更直觀地證明是球外空氣的作用,使兩個半球緊緊合在一起?

        創(chuàng)新實驗:如圖6、圖7、圖8所示,將兩個吸盤(相當于馬德堡半球)相對擠壓,排盡盤內(nèi)的空氣后,發(fā)現(xiàn)兩個吸盤很難被拉開。把合為“一體”的吸盤一端豎直掛在真空罩內(nèi),然后逆向思維操作,用抽氣機將罩內(nèi)吸盤外的空氣抽出,讓學生觀察實驗現(xiàn)象。學生驚奇地發(fā)現(xiàn),在抽氣過程中,下面的吸盤慢慢地與上面的吸盤脫離。教師提問:下面的吸盤為什么會脫落?有了以上證據(jù),學生不難做出推理:吸盤內(nèi)近似真空,吸盤外也近似真空,下面的吸盤沒有了空氣的壓力,吸盤的內(nèi)外都沒有了空氣的作用,下面的吸盤就會因為受到重力而改變運動狀態(tài)。這樣便得出是大氣壓的作用,讓我們看到了馬德堡半球?qū)嶒灥恼鸷钞嬅?。以上實例,將傳統(tǒng)實驗與創(chuàng)新實驗有機結(jié)合,步步為營,分析綜合,為學生的創(chuàng)新思維發(fā)展搭梯子,從而有效培養(yǎng)學生的科學推理能力。

        創(chuàng)新實驗3:做功改變物體的內(nèi)能

        如圖9、圖10、圖11所示是做功改變物體內(nèi)能的創(chuàng)新實驗,實驗所需器材有:噴水壺,PT100溫度傳感器,自制小風扇。

        如圖12所示,將傳感器探頭置于壺內(nèi),將自制小風扇固定在噴壺噴嘴口的正前方,這樣,一個做功改變物體內(nèi)能的簡易裝置就制作完成了。

        如圖13所示,使用活塞對桶內(nèi)氣體做功。在這個過程中,活塞的機械能轉(zhuǎn)化為被壓縮空氣的內(nèi)能,使桶內(nèi)氣體內(nèi)能增大,溫度升高。PT100溫度傳感器可以顯示桶內(nèi)氣體的溫度。這樣就可以驗證是外界對物體做功,使物體內(nèi)能增大,溫度升高。

        如圖14所示,桶內(nèi)氣體對小風扇及周圍氣體做功,可以直觀看到小風扇被氣體推動而轉(zhuǎn)動起來,同時看到溫度傳感器顯示溫度下降,即物體對外界做功時,物體內(nèi)能減小,溫度降低。PT100溫度傳感器讓實驗呈現(xiàn)的證據(jù)可信度更高,對推動培養(yǎng)學生的科學論證能力起到了關鍵作用。

        由于熱傳遞的存在,停止打氣后(但不放氣),即物體不對外做功時,溫度也會下降,傳感器溫度示數(shù)也會變化,這個問題該如何解決?

        如圖15所示,制作兩組簡易裝置,采用對照組的方式進行實驗創(chuàng)新:待兩個溫度傳感器顯示的溫度相同時,就將兩個壺內(nèi)的空氣壓縮至相同溫度,然后一組放氣,一組不放氣,讓學生觀察溫度的變化情況??梢园l(fā)現(xiàn),放氣的這一組溫度下降得很快,不放氣的那組溫度下降得很慢,這就充分說明了,除熱傳遞外,做功也是改變內(nèi)能的一種方式。以上實驗操作可以有效引領學生思維進階,讓學生的思維由感性認識上升到理性認識。用“證據(jù)”說話,在對比中比較獲取的不同信息,讓科學論證思維提升了高度,拓展了寬度和深度。

        整個設計提倡運用“證據(jù)物理”的理念進行學與教,通過“尋找證據(jù)”“解釋證據(jù)”來發(fā)展學生的科學思維,用生活中的簡易器材制作出做功改變內(nèi)能的演示器,幫助學生獲得說服力強的證據(jù),使學生在“尋找證據(jù)”的過程中成長。啟發(fā)學生解釋證據(jù),引導學生掌握科學方法,提升學生的科學推理與歸納能力,讓學生充分經(jīng)歷知識(證據(jù))誕生的過程,進而具備提出創(chuàng)造性見解的品格和能力,這不正是發(fā)展學生科學思維所必需的嗎?

        三、通過實驗創(chuàng)新,培養(yǎng)學生的質(zhì)疑創(chuàng)新能力

        創(chuàng)新實驗4:干冰的升華

        在盒里放入適量的干冰,然后往盒中倒入熱水,學生就可以看到如圖16所示的實驗現(xiàn)象——仙氣裊裊。教師啟發(fā)學生思考:此現(xiàn)象形成的原因是什么?學生分組討論,并發(fā)表各自的見解:倒入熱水后,干冰迅速升華并吸熱,降低了周圍水蒸氣的溫度,使水蒸氣液化成小水滴,出現(xiàn)霧狀,形成壯觀的“冰瀑現(xiàn)象”。在學生贊嘆“冰瀑的美”的時候,教師要及時發(fā)問:“你如何讓它變得更美?你有哪些創(chuàng)新?”有學生說:“我給白霧打上彩色燈光,利用光的色彩更好地呈現(xiàn)冰瀑的壯麗,紅光照射可以看到紅瀑,綠光照射可以看到綠瀑……”根據(jù)學生的回答,教師可讓學生親自操作,用光源打出各種色光。如此一來,全體學生不僅了解了使冰瀑更美的方式,還感受到了物理之美、創(chuàng)造之美。教師繼續(xù)啟發(fā):除此之外,你們還有什么好辦法?有小組展示:配音樂。配音樂能讓畫面更有意境,在音樂中享受物理之美,跨學科的思想和意識也融入創(chuàng)新實踐之中。這樣做,不只是讓學生驚嘆實驗現(xiàn)象之美,更是讓學生在做中學、用中學、創(chuàng)中學。創(chuàng)造美,不是讓學生只看到“滿漢全席”,而是給學生呈現(xiàn)“原材料”,啟發(fā)學生加工、創(chuàng)造,把它們變成“思想創(chuàng)造的盛宴”。美麗冰瀑的形成,是學生集體討論的智慧成果,學生在質(zhì)疑中發(fā)展了創(chuàng)新思維,提升了創(chuàng)新能力。

        總之,在初中物理課堂教學中,教師要特別重視實驗創(chuàng)新,做到遷移應用,培養(yǎng)學生的科學推理思維;證據(jù)歸納,培養(yǎng)學生的科學論證思維;點撥啟發(fā),培養(yǎng)學生的質(zhì)疑批判思維??茖W推理和科學論證相輔相成,緊密相連,構(gòu)建“證據(jù)”要做到兩點:一是充分獲得證據(jù),二是對證據(jù)進行有效表述。實驗改進創(chuàng)新后,我們獲得的證據(jù)更充分,而這些證據(jù)也有更明確的價值取向——數(shù)據(jù)準確,支持主張。證據(jù)的有效表述是構(gòu)建科學論證的關鍵,學生只有條理清晰地表述證據(jù),才能將問題說清楚,做到更好地支持主張。教師只有做到了這些,才能更好地發(fā)展學生的科學思維,讓培養(yǎng)核心素養(yǎng)的種子落地生根。

        [? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?]

        [1]? 張世成.證據(jù)課堂:證據(jù)物理的十年探索[J].中學物理教學參考,2020(28):5-9.

        [2]? 樊黨娟.指向?qū)W生科學思維的物理實驗創(chuàng)新能力培養(yǎng):以中考試題中“物理科學思維能力的考查”為例[J].中學物理,2021(16):12-14.

        [3]? 陳民兵,費志明.模型認知視域下課堂教學策略[J].中學物理,2022(14):35-37.

        (責任編輯 易志毅)

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