如何在物理实验教学中提升学生思维品质与创新能力

沈正杰

(桐乡市凤鸣高级中学 浙江 嘉兴 314500)

1 问题的提出

建构主义认为，学习环境中的情境必须有利于学习者对所学内容的意义建构．在教学设计中，创设有利于学习者建构意义的情境是最重要的环节或方面．建构主义的教学原则中也指出：“真实的活动是学习环境的重要的特征．就是应该在课堂教学中使用真实的任务和日常的活动或实践整合多重的内容或技能．”[1]

可见，真实的情境体验和亲身经历是学生获取知识的重要途径，学生对知识的真正理解应在实际体验中逐步构建．所谓“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”或许讲的正是这个道理.

本文试图从物理课堂教学实际教学中的习题情境、演示实验和学生实验等实际出发，谈谈对物理课堂教学中经过实验的优化和完善，促使学生“真实经历体验”，从而提升学生思维品质，培养学生创新能力．

2 案例呈现与浅析

【例1】如图1(a)所示，用一根细绳和一根轻杆组成三角支架，绳的一端绕在手指上，杆的一端顶在掌心，当A处挂上重物时，绳对手指、杆对手掌均有力的作用．对这两个作用力的方向判断完全正确的是图1(b)中哪一幅图对于学生而言，“按实际作用效果”这一文字性描述在认知上是抽象的，因为作用效果应该是真实感受到的．对此，教师可以通过演示实验创设相应情境模型(如图2)让学生经历体验，而并非以灌输的形式“强迫”学生接受．

图1

图2 教师用演示实验创设情境

“获得知识的多少取决于学习者根据自身经验去建构有关知识的意义的能力，而不取决于学习者记忆和背诵教师讲授内容的能力．”教师在课堂教学中若注重从学生实际认知出发，构建与学生实际认知相符的实验教学情景，往往可以促进学生认知的进一步发展．

【例2】如图3所示，水平板上有质量m=1.0 kg的物块，受到随时间t变化的水平拉力F作用，用力传感器测出相应时刻物块所受摩擦力Ff的大小．取重力加速度g=10 m/s2．下列判断正确的是

A．5 s内拉力对物块做功为零

B．4 s末物块所受合力大小为4.0 N

C．物块与木板之间的动摩擦因数为0.4

D．6～9 s内物块的加速度的大小为2.0 m/s2

图3

本题涉及知识点较多，但重点在于“力传感器测出相应时刻物块所受摩擦力Ff的大小”这句话，所蕴含的实验情景和相关经历体验，是否在实际课堂教学中能真正实现．

人教版物理教材在“摩擦力”相关教学内容设计上是通过如图4所示实验情景探究的．通过实验探究可以较好地“记住”最大静摩擦力，但对于摩擦力动态变化过程并不能完整体现．教材补充方案是，“如果用力的传感器代替弹簧测力计做这个实验，能够在计算机屏幕上直接得到拉力变化的图线”．人教版2004年5月第一版相应内容编排，要求学生从相应图景(如图5所示)分析“木块什么时候开始移动”．

图4

图5

我们认为教材编排的变化，就是希望教师能利用相应实验器材通过实验演示或学生体验等形式，加强学生的体验感受．教师若不能从教材和学生实际出发，不能重视对实验情境的创设和优化，必然会导致学生缺少相关情景经历，对图像意义不能真实感受，影响基本知识的理解．

3 问题解决与实例分析

3.1 完善实验过程 加深情景体验

对于例2相关内容，在实际课堂教学中利用力传感器得到的实验结果如图6(a)所示，改变正压力可以得到如图6(b)所示图线．通过相关实验图线展示、比较，不仅加深了学生体验，而且有利于学生在此基础上进一步从图线的异、同点观察、比较和分析，并得出实验结论、总结规律．这有助于学生在真实感受中拓宽视野、感受新知，实现物理课堂中“既见物又见理”．

图6

正如建构主义所指出的“知识不可能以实体的形式存在于个体之外，尽管通过语言赋予了知识一定的外在形式，并且获得了较为普遍的认同，但这并不意味着学习者对这种知识有同样的理解．真正的理解只能是由学习者自身基于自己的经验背景而建构起来的，取决于特定情况下的学习活动过程．否则，就不叫理解，而是叫死记硬背或生吞活剥，是被动的复制式的学习．”

3.2 改进实验方案 提高思维品质

教材虽然从更大程度上体现了经历体验的重要性，但限于篇幅大小和教材选用区域不同等因素影响，不可能收录过多探究内容．如《高中物理·必修1》第三章“相互作用”第2节“弹力”课题中关于“微小形变放大”思想的实验情景，教材编排上以如图7所示实验装置观察桌面微小形变．本实验体现了很巧妙的实验思想，但在实际教学中一方面实验器具及安装相对而言也比较繁琐，另一方面则由于力F按压桌面实际操作上存在瞬时性，光点移动比较快，实验的可观性受一定影响．对此，我们可以在实际操作中通过模型转变，在类比的基础上体现“微小形变放大”．

图7

如图8所示，从(a)、(b)两图比较，学生根据初中所学知识，可以分析出桌面与“海绵”对书本的作用力是一样的；而(a)、(c)比较中，学生同样可以分析桌面对书本和重物的作用效果是一样的．在上述比较中通过图(d)情景学生自然就容易得出(d)与(b)、(c)的效果是一样的．

图8 探究“微小形变放大”的实际模型

实验中借助“海绵”将桌面的“微小形变放大”，从学生认知角度看，相应实验情景更有助于激发学生的学习兴趣和探究与创新意识培养．可见，实验方案的改进能够提高学生的思维品质.

3.3 开发实验素材 激发探究意识

建构主义学习理论认为：在建构主义学习环境下，教学设计不仅要考虑教学目标分析，还要考虑有利于学生建构意义的情境创设问题，并把情境创设看作是教学设计的最重要内容之一．因此，通过创设符合教学内容要求的情境，激发学生的学习兴趣，帮助学生形成学习动机是教师在教学过程中发挥指导作用的重要环节．

比如，在人教版《物理·选修3-2》的 “楞次定律”一节中，在课题引入阶段，我们可利用强磁铁靠近一个从铝制可乐罐上剪下的铝环(装置如图9所示)．当强磁铁缓慢离开时，铝环保持静止；当强磁铁迅速离开时，铝环“神奇”地被吸上去了．这一情境，以生活中学生熟悉的可乐罐为载体，借助强磁铁“魔术式”表演所带来的视觉冲击，从学生已有认知水平上激发学生的认知冲突，有助于学生主动地建构意义，引发探究．

图9 用强磁铁和铝环验证楞次定律

3.4 预设实验空白 提升思维技能

从人教版物理教材内容编排上来看，相当一部分实验由前期验证性实验改为探究性实验．这种变化，很大程度上体现了编者期望物理教学和教师，在物理课堂教学中能更多地从学生主体出发，培养和提高学生的思维品质和思维技能．然而，在实验课堂里，我们依然更多地看到教师详细地介绍每一步操作、要点及注意事项，不遗余力地分析实验方案．

事实是，没有体验的、灌输式的教学方式中，学习是被动的复制式的学习．这样的学习势必严重阻碍学生探究意识的培养和思维品质的提高．在实验教学中，教师应通过预留空白，给学生“犯错”的机会，让学生在真实情境的经历体验中，通过新旧知识经验间反复的、双向的相互作用建构意义，提升思维品质．

比如，人教版《物理·必修1》的“探究求加速度与力、质量的关系”实验中(如图10)，对于“改变小车质量后是否要重新平衡摩擦力”这一问题，绝大多数学生在实际操作中不会去考虑．而教师在课前对这一问题强调与否，对学生思维技能的训练和提升效果是截然不同的．若强调该问题，学生操作过程中自然不考虑．若课前预留该问题，而在学生实验后提出，就可以很大程度上激发学生探究，深入思考问题的本质．这也就真正意义上体现了在教学过程中教师扮演的协作者、引导者角色．对学生而言，则可以以自己原有的知识经验为基础，对新信息重新认识和编码，建构自己的理解，提升思维技能．

图10 在“探究加速度与力、质量的关系”实验中，预设空白问题

4 问题综述

在物理实验教学中，通过习题情境模拟、演示实验及学生实验，加强学生经历体验，是学生在一定情境中意义建构的重要途径，更是促进学生认知发展和思维品质提升的重要载体．这不仅有利于推动教师在教学模式的转变中提升教学技能，更可以促进学生在基本经历体验中使知识、技能和思想向更高层次发展．

参考文献

1 徐斌艳，吴刚，高文主编.建构主义教育研究.北京：教育科学出版社，2008

2 中华人民共和国教育部制定.普通高中物理课程标准(实验).北京：人民教育出版社，2003.50