摭谈基于创新学力培养的高中物理“云实验”教学

季志锋

(江苏省西亭高级中学 江苏 南通 226301)

1 概念形成的教学背景

1.1 背道而驰的实验教学

2013年1月30日《中国教育报》刊登了一篇针对上海实施课改后对物理实验教学一次专项调研报道——“实验为何与课堂教学渐行渐远”，上海某个区的实验开设率不足80%，推演到全国其他地区估计实验开设率不足50%的地方会有很多．目前学校在各地行政部门的大力投资下,已基本实现教育装备现代化、数字化．而多数实验器材处于闲置阶段，甚至仍躺在包装盒里，至今还未拆封．实验室的大门对学生处于长久关闭状态，每学期几次临时考场算是实验室展示风采的最好时光．为何物理实验真实的开设率持续居低？究其原因，除了当下高考急功近利，笔者认为教师思想松懈，理念陈旧，技能不足是造成这种状态的主要原因．

1.1.1 省时、“省心”

教师课前准备一个实验至少要花个把小时，甚至一整天，而课堂上和学生做一下实验充其量几分钟．如果从网络上下载相关实验视频或利用动画模拟实验，则方便了许多，教师不愿意多花这时间，因此课堂上真实的实验越来越少，视频上“实验”和Flash动画模拟实验越来越多．更有甚者连上网搜索视频也给省了，直接黑板上“讲实验”．另一方面，自己动手操作实验，偶然的因素会很多，实验存在失败的风险，尤其是学生实验，结果更难预测，教师则需要“费心”指导、“费心”解释．而网络实验视频往往是相对比较成功的演示实验，如果采用Flash动画模拟实验的话要多“精确”就能多“精确”，教师无需“担心”实验结果，更不必要“费心”指导操作．

1.1.2 有针对、有效果

物理高考也考实验题，但无非是些实验原理的分析、实验步骤的识记、实验数据的处理以及简单的误差分析，没有真正意义上的动手测试，教师通过讲实验、播放实验和典型实验习题的讲解和分析，有针对性地提升学生解决实验题的能力．而真实的实验对学生高考得分的影响不大，在高考分数的指挥下，讲实验、做实验习题的效果或许更好．因此，在教师的“权衡”下舍弃了真实多彩的实验而更多地采用模拟实验．

1.1.3 技能缺失

近年来，本人多次作为某市物理教师优课评比和初中物理教师实验技能大赛的评委，赛后发现绝大多数初中教师不会连接分压式电路，相当多的教师不会检查电路连接故障，能连接电桥电路的教师微乎其微．教师本身的实验技能不强已是不争的事实，正所谓数字化实验在推动新课改、改变学生学习方式和教师创新实验上取得了进展，但是教学生做实验却恰恰是我们许多物理教师最不擅长的[1]．

1.2 学生切实对实验的需求

1.2.1 学生心理的需要

录像实验、动画演示都能引起学生的好奇，更何况学生亲自参与的实验．每当做演示实验时，学生全都是翘首以盼，全神贯注地观察实验的现象；每当学生分组实验，都有学生情不自禁地在实验开始前拨弄器材，提前操作．学生好动的心理促使其对实验有一种向往，学生求知的心理来自于对实验有一种神奇感．实验本身特点是激趣析疑，身临其境的实验操作更能激发学生内在学习动机，增强求知欲．

1.2.2 学习过程的需要

复习是学习之母，那么观察就是思考和识记知识之母．观察是智慧最重要的能源[2]．给学生做5 min的实验有时候可以弄清讲半个小时才能懂的知识．学生通过观察实验现象，由现象进行抽象思维，用思维把握一系列相互作用的事物、事实、现象和事件．通过实验可以启迪智慧，发散思维，这是学习过程中必须的环节．不否定数字化实验在帮助学生建立物理情境时所发挥的作用，但真实的实验操作还可以增加学生实验操作技能，还能在不可预计的生成中促进思维，创新思维．

1.3 社会发展的需求

1.3.1 国际教育发展的需求

随着国际学力竞争的加剧，世界各国的学校教育实践已从“知识中心”转向“思考力中心”、转向能动的、扎实的、能够实际运用的能力．学校教育已从立足基础学力向创新学力培养转变，从重视个体发展向关注合作学习形成“学习共同体”转变．学生的学习不是孤立的，而是在同其他学习者的关系中开展，在同其他合作者之间的合作学习中，发现思维的差异，从而培育丰富的思考，形成“学习的共同体”[3]．实验教学具有独特的灵动性、创新性和合作性吻合教育发展的需求．

1.3.2 践行新课程理念的需求

高中物理课程理念旨在进一步提高学生的科学素养，立足于从知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观三个方面培养学生，重视课程内容的基础性、体现时代性，重视教学过程中学生的自主性，引导学生积极参与体现合作学习，鼓励学生实验，培养探究意识，增强创新学力．

1.3.3 培养创新型人才的需求

毋庸置疑，实验验证并探索了一个又一个的原理和规律，实验教学培养了一代又一代的人才．中国目前最缺少的就是创新型人才，缺少土生土长的理工科诺贝尔奖获得者．学生在当下的教育背景下正逐步丧失创新力，丢失学习研究的原动力．

实验教学对学生有深远的影响，基于新课程夯实学生基础学力、培养创新学力的理念，立足于当代信息化、数字化教育装备建设空前发展的现状，仍遵循当下高考的模式和指导，笔者提出基于创新学力培养的高中物理“云实验”教学的构想．

2 概念的建构与特点

2.1 概念的建构与剖析

2.1.1 创新学力

学力，即学术上所达到的程度，知识和能力是学力的主要构成因素，兴趣、情趣、理想、信念、意志、性格等是学力不可或缺的软性构件．学力不是一个静态体系，而是一种动态系统，具有不断发展性、再生性．

创新学力，就是在兴趣的引领下树立正确的志向，具有完整的、健康的人格品质，善于发现新问题，善于用创造性思维解决问题、不断发展的物理思维能力所达到的程度．其内涵主要是指学生基于基础学力上借助一定的教育环境、资源和各种学习实践、思维创新活动，使内在素养得到提升、外在行为得到矫正，最终形成具有创新性思维、发散性思维的能力和乐于学习、积极进取、勤于思考的良好人格品质．

2.1.2 “云实验”

“云”是用语言值表示的某个定性概念与其定量表示之间的不确定转换模型，狭义的云计算指IT基础设施的交付和使用模式，即通过网络以按需、易扩展的方式获得所需的资源．

云实验，是为了探寻某一确定的本质、规律和概念而提供的众多、可供选择的实验途径、方案(可以是确定的实验器材，可以是生活实景、小制作，还可以是基于数字化的动画或网络的虚拟实验室，甚至可以是基于实验需求基础上想像的实验情境)，对应所呈现的物理思维、所涉及的实验原理和方法、实验的操作以及所得的实验现象都具有相应的不确定性.最终每位学生可以根据自己的兴趣、爱好和需求选择，实现同一个目标，同时通过交流展示使每个学生获得尽可能宽广的思维方式的一系列试探性操作．

2.1.3 基于创新学力培养的“云实验”教学

基于创新学力培养的高中物理“云实验”教学是教师和学生共同营造云实验情境，以生活实景、科技制作、网络模拟以及科学想像为载体，基于情境，开拓思维，增强技能，培养创新力，注重学生立志、做人、人格、兴趣、思维、实践操作、探究方法上的衔接，立足于学生志、趣、能匹配协调发展的情境教学[4]．

2.2 “云实验”教学特点

2.2.1 情境多样性

基于创新学力培养的高中物理“云实验”教学是建立在丰富的场景基础上的，让学生参与实践操作或重现生活实景，在交流中丰富知识、建构知识、完善技能的建构活动．在无法用生活实景、真实实验操作时可以利用动画模拟、网络实验平台创设情境．例如，在学习“探究弹簧弹性势能的表达式”时，首先要知道弹性势能和哪些因素有关．根据学生原有的知识更多地创设生活实境，可以提供弹性杆、橡皮筋、弓箭、弹簧等弹性实物进行探究．学生根据已有的知识可以分析出形变量越大，在力方向上的位移越大，力做功越多，物体所具有的势能也就越多，从而建构出弹性势能与形变量有关．同时，也可以利用上述物体感受其所蕴藏着的势能，如将橡皮筋拉伸后弹射一个小纸团，形变量越大，弹射纸团的射程越远．也可以提供高清高倍摄像机拍摄皮球落地及反弹的视频，皮球与地面接触发生形变，其形变量越大，反弹的高度越高，从而也可以建构出弹性势能与形变量有关．也可以提供竞技比赛中的射箭运动视频，让学生讨论箭离弦后运动的距离跟哪些因素有关来建构新的知识．如涉及天体运动以及物体的微观结构时可以通过动画模拟创设情境．

2.2.2 操作创新性

“云”的概念更广泛地应用在商业领域，体现了一种服务理念——按需服务．基于创新学力培养的高中物理“云实验”教学是根据学生个体知识、能力结构自主建构实验方案的一种操作性实践活动．例如在“探求合力的方法”中，提供橡皮筋、带绳套的细线、方木板、白纸、多个已知质量的钩码、弹簧测力计(2个)、两个可固定在方木板上的小滑轮(或较为光滑的铁钉)等器材让学生自主制定实验方案实施研究．绝大多数学生通过预习会采用书本上的实验方案，即先用两根弹簧测力计沿某一方向拉橡皮筋，记录F1，F2的大小和方向及结点的位置，再用一个弹簧测力计拉橡皮筋，使结点到原来位置记录此时的F的大小和方向，然后进行比较分析．其实真正放手让学生自主实验，会有少数学生只采用一根弹簧测力计进行实验，分两次测量F1，F2．同时，还会生成出其他的设计方案.

(1)用已知质量的钩码替代一个弹簧测力计，其他器材不变，将木板竖直放置，先用弹簧测力计朝某一个方向拉结点，保持三根细线处于同一个竖直面内，如图1(a)所示，此时钩码的重力和弹簧测力计的拉力是分力．再撤去钩码，只用一个弹簧测力计拉细线，使结点到原先同一位置，此时弹簧测力计中的拉力就是合力．

(2)如图1(b)所示，3个已知质量的钩码，分别挂在细线套上，细线跨过滑轮(铁钉)，让3根细线处于同一竖直平面内，当3个钩码均处于静止状态，m1，m2的重力分别表示两个细线中的拉力，即分力.如果只用一个力拉，即与m3的重力等大反向，故将m3的重力大小表示成合力的大小，合力的方向竖直向上[5]．

图1

2.2.3 主体能动性

基于创新学力培养的高中物理“云实验”教学是基于生活，联系当代信息技术，关注科技发展，重视研究方法培养的能动性实践活动．同一教学内容有时可以提供实验探究、理论推演、联系生活实景、上网检索、应用数字实验平台等研究方法．学生可以根据自身的兴趣爱好、知识能力水平自主选择相应的研究方法．通过渗透不同的研究方法，发挥学生自主能动性，掌握分析问题、解决问题的一般思路和方法．例如，在“探究加速度与力、质量的关系”时，可以采用定性比较的方法，即两辆小车在相同材料的轨道上运动，比较相同拉力不同质量或相同质量不同拉力情况下的运动，进而分析加速度与力、质量的关系；可以通过定量计算的方法，即通过打点计时器研究小车的运动，测量不同力或质量时小车对应的加速度；可以通过DIS数据采集系统较精确地测出小车的受力及对应的加速度来研究；学生可以利用网络实验可重复利用性，先自主设计实验、预演实验、熟悉实验操作的步骤和环节，再进行真实的实验并对照分析误差，但模拟实验不可以替代真实实验，缺乏真实感的实验会损伤学生的能动性和创造性．

3 “云实验”教学的优点及可能存在问题

3.1 “云实验”教学的优点

3.1.1 协调学生志、趣、能匹配发展

基于创新学力培养的高中物理“云实验”教学是回归于实验、回归于社会、回归于学生的一种教学实践．教育家陶行知提出“教育以人为本，生活即教育，社会即学校，教学做合一，一切从实际出发，从生活出发”的思想．“云实验”教学把真实实验、社会生活、科技制作、科技创新、网络世界以及学生的感性认知和理性思维融合在一体，将学生领进真实的、逼真的、有感性认知基础的活动中，使学生亲身感受生活实景和理解知识的产生和发展，唤起其内在的潜能，形成完整的人格品质，促使其对新知识、新技能的掌握产生强烈的兴趣和动机．日本著名课程专家佐藤正夫指出“唤起学生的学习兴趣、诱发认知兴趣、活跃智力积极性对教学过程中发展知识和技能有决定性意义．”当代教育家李洁玲老师多年开展的情境教学、教育实践研究，表明了情境对学生的兴趣、能力、态度、人格都有一定的促进作用．因此“云实验”教学对学生人格的形成、兴趣的培养、志向的确定、能力的发展有深远意义．

3.1.2 促进学生的创新学力提升

基于创新学力培养的高中物理“云实验”教学，是根据学生的需求、兴趣和能力特点，提供多种研究的渠道，按需满足其研究学习的一种教学活动．云实验本质是一种基于理性、突出技能、重视逻辑、拓展思维、创新思维的实践操作体，其目的是为了更有效地培养学生的洞察力和想像力，更有效地发散学生思维、创新学生思维．“云实验”教学是基于情境教育的一种灵动的教学实践，通过问题情境化，催促学生进行创造性思维活动，诱发发散性思维和集中性思维，使学生由景生情，由情生趣，由趣激思，由思生辨，使学生受到多方位、多维度情感的熏陶，使学生思维发散、思维创新．尤其通过学生的交流展示，使每个个体的思维得到最大限度的拓展．

3.1.3 更新教育理念，促进教师专业成长

“云实验”不是简单的一些实景堆砌，而应是基于某背景下的多种研究方法、途径的集合，包括课前的预设和课堂的生成．“云实验”教学是建立在教师学习先进教育理念，深入研究教材、教学内容和学生实情基础上的一次组织教学活动．就某一教学内容教师需从多维度挖掘素材，立足于情境，从生活思考，基于实验，尽可能广地发散学生思维、创新学生思维进行设置教学过程．因此，教师必须具备一定的理论基础、研究基础、收集和整理信息的能力以及有一定的创新思维．

“云实验”教学是基于物理学科的特点和高中生的思维特点而进行的实验教学．实验教学本身是中学物理教学过程中的重要组成部分，同时也是体现物理学科研究问题方法的重要环节．因此，教师要具备一定的实践技能和实验能力．

“云实验”教学需要改变教师的教学观念，从单一的知识传授到多维度能力培养转变，从单一方法到灵动的、多样的、创新的方法转变，从注重教条的课前预设到更多的关注课堂生成的转变．只有当学生独立思考，展开活动，积极地钻研教学内容时，即当学生成为自我活动的主体时，真正的学习过程也就形成了[6]．早在2 000多年前孔子就提出“不愤不启，不悱不发”人性的一面，这时教师真正成为学习的合作者、引导者．同时，教师在教学研究、师生交流中也得到愉悦，获得成就，陶冶情操，在这功利型的社会里寻求到一点心灵的依托，从而乐教、思教、善教，促使专业成长．

3.2 问题呈现

教师需要花费大量的时间研究教材、教法，设置实验，寻找资料，成倍地增加了教师的工作量，教师主观上未必愿意．教学过程呈现出复杂性、多样性，对教师自身素养的要求可能过高，教师要不断学习，提升自身的专业技能和专业水平．教学实施过程的生成性可能难以实现既定的教学内容和目标，教学过程可能会呈现出一定时空延展，而在当下学校教学管理模式和高考模式下，难以保障学生在课后花费较多的时间进行设计实验、探究学习．

总之，笔者认为基于创新学力培养的高中物理“云实验”教学有利于学生建构物理知识体系、理清物理规律，有利于学生对知识、认识产生关心和兴趣，彰显主观能动性，有利于营造轻松学习、探究学习环境，适应高中学生心理，切合新课程理念，有利于培养创新性人才，提升学生创新学力，改变当下单调繁琐的逻辑推演和枯燥乏味的、反复训练的单一智能学力提升的应试教学模式，改变学生厌学情绪和对人生漠然态度．做到教育回归自然、回归生活，实现教与学和谐统一．

参考文献

1 梁杰．实验课开出率低、学生动手机会少、部分教师动手能力弱——实验为何与课堂教学渐行渐远．中国教育报，2013

2 霍姆林斯基著．给教师的建议．杜殿坤译．北京，教育科学出版社，1984.47

3 钟启泉．寻求“学力”概念的建构．基础教育课程，2012,8(8)：77

4 唐盛昌．促进高中生志、趣、能匹配．中国教育报，2012

5 季志锋．发挥物理实验功效，构建愉悦学习环境——例谈“探求合力的方法”．湖南中学物理，2013，28(1)：44

6 佐藤正夫著.教学原理．钟启泉译．北京：教育科学出版社，2002．236