谈物理实验教学中的情境创设

姜雪鹏

在物理实验教学中,情境设计起着举足轻重的作用。这里的情境创设,主要指背景设置、情景铺垫。其本质在于视觉形象与特定意义的有机结合,目的是使学生进入预定的学习状态,有效地引起学生的视觉追求和经验激活。

一、应用历史传统设计实验情境

物理学中的许多实验与历史上的相关史料有着千丝万缕的联系,许多历史传说蕴含着一定的科学道理。在科学发展的历史长河中,一代又一代科学的传人为追求科学的真理作出了大胆的猜测和精细的实验。可以说,每个成功的实验,都有着惊心动魄的故事,如历史上的马德堡半球实验。这是1654年德国马德堡市验证大气压存在的惊世骇俗的实验。但是,如果当一个“马德堡半球”呈现在没有情景准备的学生面前时,学生的头脑中也许只能形成一个冷冰冰的铁制品的视觉形象。这种孤立的视觉形象无丰富的内涵,既不能激发学生的兴趣,也不能引起学生丰富的联想。这说明物理实验教学中情境设置的意义不可忽视。因为,物理实验情景的设置不仅在于历史的陈述,更重要的,是在于知识背景的展示。

例如,在“阿基米德定律实验”展开之前,笔者首先应用历史史料设计实验情境,介绍“曹冲称象”这一有趣的史料,并引导学生根据“曹冲称象”揭示船的吃水深度→排水量→船与石头的重量关系之间的联系,从而为阿基米德定律实验的展开奠定了情境基础。

二、应用学生的“前科学概念”设置情境

教育心理学指出:“学生已有的生活经验或前科学概念是他们学习自然科学的一种内部条件,制约着他们的学习效果。”其实,初中生在学习物理之前,凭借对自然现象的观察,已经积累了一些生活经验,形成了一定的日常概念,为学习物理提供了心理上的准备。这种“概念”,我们称之为“前科学概念”。这些“前科学概念”,有的是正确的,有的是不完备的,有的甚至是错误的。因此,教师在教学中要引导学生激活经验,有效运用“前科学概念”处理物理实验中的种种信息。

仍以阿基米德原理为例。在课堂教学中,笔者曾试图激活学生封存的记忆,“浮力的大小跟哪些因素有关?”这是阿基米德原理的本质所在。生1:浮在水上的物体受到阻力,沉在水下的物体不受浮力。生2:体积越大的物体受到的浮力越大。生3:空心物体受到的浮力大,实心物体受到的浮力小。生4:密度小的物体受到的浮力大,密度大的物体受到的浮力小……可见,学生都认为浮力的大小与受力物体的一些属性有关。然而,他们很难猜想到浮力的大小与排开的液体有关。于是,笔者引导学生通过实验,让学生自我否定原有的种种不确切的猜想。从而,产生正确的结论:浮力的大小与排开液体的密度和体积有关。

在实验教学中,激活学生已有的经验,为实验创设一定的问题情境,让学生在对比中判断正确与错误,这既是对错误的教学资源的有效利用,又是对新的科学概念的一种定位与确认。学生在经历了错误的猜想后,经过科学的实验,作出了自我否定,构建了新的意义世界。这时,教师在实验教学中起到的是为学生捩航转向的作用。

三、通过揭示实验和知识体系的内在联系来设计实验情境

随着实验教学的深入,学生不仅需要富有趣味的史料和“前科学概念”的某些启示,更需要揭示科学体系之间的内在联系。这种联系正是实验的必不可少的认知基础。新的实验既为知识体系增添了新的素材,同时也为学生的认知思维注入了新的活力。

例如,物理教材中的“电磁感应”一节。这里,通过六个电磁感应现象的演示实验总结出感生电流产生的条件是“穿过闭合电路的磁通量的变化”。在具体教学过程中,笔者在演示“磁铁不动、线框运动,有感生电流产生”之后,启发学生运用运动学中的“相对运动”的知识来思考,推理第二个演示实验。事实证明,大多数学生能从第一个演示实验推理出“线框不动、磁铁运动,同样有感生电流产生”的结论。有了这一基础,笔者再进行演示实验,验证其正确性。接着,笔者让学生思考第三个实验:磁铁与线圈一起运动,有没有感生电流产生?学生的思维由于受到第二个实验的激活,学生学习的内驱力会逐渐加强。用同样的方法来处理后面的实验,学生的思维自然进入到联想阶段,最终得出如下结论:只要闭合电路的磁通量发生变化,闭合电路中就有感生电流产生。

这种以揭示实验和知识体系的内在联系来设计实验情景的方法,既显示了认知上的层递性,又激活了学生的联想思维,为后续性实验打下了思想基础。

四、运用“问题”设计实验情境

中学物理实验教学,以验证性实验居多。其教学目的,除验证物理定律以加深理解之外,主要是为了深化认识以及运用物理概念。深化认识的心理动因源于“矛盾”。因而,在演示实验的整个过程中,不断地提出疑问,让学生在矛盾思维的碰撞中,明确探究的目标,以及解决问题的途径。这是设计物理实验情境的又一方法。当然,这些问题的设计,应该围绕实验目的进行,从而促使学生的思维从疑问开始,在联想与想像中深入,在实验的具体验证过程中形成对于某一概念的正确认识。

例如,初中物理的“浮力”教学。关于“浮力”,学生的生活观察或经验积累常常不能完整地说明浮力的本质,有时却成为学生思维的障碍。如前所述,大部分学生误以为浮力跟物体的质量、密度有关,跟物体浸入液体中的深度有关……在实验教学中,笔者独辟蹊径,又设计了如下实验:①用弹簧秤分别挂起体积相同的铁块或铝块浸入水中,要求学生观察弹簧秤示数,并提出问题“这说明了什么?”②用弹簧秤挂着铁块徐徐浸入水中,让学生观察弹簧秤示数的变化?③换用煤油或酒精重做上面的实验,让学生观察并回答液体密度不同时弹簧秤示数有何不同?在其他相关实验中,也可以提出相应的问题,并通过实验过程加以验证。例如,空气有没有重量?能否称出空气的重量呢?磁铁能够吸引铁块,铁块也能吸引磁铁吗?这些问题源于生活实际,但又往往被人们所熟视无睹,或者与常规经验相悖,这就为展开的实验蒙上一层“疑云”。通过实验,消除思维上的疑点,实现“云开雾散”的教学效应。这正是设计问题情境的目的所在。

实验心理学认为,创设实验情境与实验教学效果之间具有密切的相关性。教学实践也证明了这一观点。只有当学生的思维被教师所设计的实验情境所吸引,实验情境与物理实验才会产生“共振”效应。这种“共振”效应使学生的“前科学概念”发生质的变化,只有在这个时候,学生的认知与认识才会溢光流彩。