高中物理教学演示的优化探索——利用物理知识的形成过程来构建探究式的教学演示

许华军

浙江省萧山中学



高中物理教学演示的优化探索
——利用物理知识的形成过程来构建探究式的教学演示

许华军

浙江省萧山中学

本文旨在探讨构建探究式教学演示的新思路.使学生能参与到教学过程中进行自主性的学习。从而改变教师只管教，学生只管学的传统教学模式。这就要求教学设计应当依托于教材但又不拘泥于教材，所构建的教学演示要最大程度的有利于学生的参与。本文探讨了利用物理知识的形成过程来构建探究式教学演示的一种方式。

知识形成过程；构建；探究式教学；教学演示

一、引言

随着时代的不断发展，教学改革也从未间断过。既有教学内容的改变，也有教学方式、方法的改进。但我们可以看到，不论如何改革，课堂教学始终是我们教学过程的主要阵地。所以课堂教学环境的改善，课堂教学模式的创新是教学改革的一个重要环节。

课堂教学的改进，事实上也从未停止过，无论是教学领导机构指导思想的更新，还是一线教师具体教学时方式方法的创新。作为教学主阵地的课堂教学的改革将永远的进行下去。就当前来说，课堂教学要求为学生创设一个能积极参与的教学过程，这也就是我们所说的探究式的教学过程。要达到这一目的，就在于能否构建一个可探究的教学演示，使教学过程在这一演示的展开中移步换景层层深入，从而使学生在探究中学习，在学习中探究。

二、教学实例

下面以原子的核式结构这堂典型的物理课为例来进一步探讨。

(一)新课引入：用不同时代科学水平对比来构建演示引入新课。经过历史检验的科学定律是有着极强生命力的，不仅过去、现在适用，未来依然成立。我们学习这些知识时不仅站在现在的时代背境下学，还应对当时的科学发展水平和历史背境也有一定的了解。通过现在和过去的对比来了解知识的形成过程。在具体教学演示设计时可以利用“现在对比过去，历史衬托现在”的思路来进行新课的引入。比如原子核式结构的教学引入本人从现在和过去两方面对比激发学生兴趣来引入的：

演示描述1：在上原子核式结构这一节课前，学生对核式结构模型都已熟知。为了引起学生的学习兴趣，我们可以将当代最先进的显微镜依然无法看清原子，更无法看清原子内部结构这一事实与早在100多年前科学家就已得出构式结构模型作对比来引入新课。

演示实施1：

教师：现在原子内部结构是否能用科学仪器看清楚，请学生讨论。

学生：提出了许多方法，有显微镜、X光机、B超等方法。

教师：呈现电子扫描隧道显微镜图片说明用现代最先进的仪器也无法观察到原子内部结构。那么100年前卢瑟福是如何对原子内部结构进行探索的？

学生：在这一教学演示呈现后既使他们产生了疑惑也激发了他们对学习的兴趣。思维也开始被教师所构建的教学演示所吸引。

教师：介绍发现核式结构的科学家：卢瑟福的成就及背景。

演示点评1：用100年前建立的原子核式结构模型，到现在依然是无法被观察到的这一教学演示为入口，以知识形成的历史环境和现在的时空差异来引发学生思考要学习的物理知识是在当时何种条件下形成的，这样既交代了知识形成的历史年代，又顺利的引入了新课教学。

(二)新课展开：用引发科学探究的历史原因来构建探究式教学演示。新出现的科学现有已有的科学知识无法解释，这是科学探究过程的起因，随着社会的不断发展和对自然界认识的逐步深入，在不同的历史时期都出现了这样那样的物理现象与人们原有认识产生冲突，正是这种冲突引发了新的科学探究。本人认为，用知识形成的历史原因为突破口来构建教学演示，使学生也经历一次认知冲突，带着疑惑不知不觉的参与到教学过程中来。

演示描述1：在学习核式结构前，非常有必要了解当时科学家发现在原子中还打出了带负电的物质，从而打破了原子不可分的传统观点，引发新的科学探究过程。电子正是原子核式结构的发现的前提。

演示实施1：

1．教师：化学反应中，原子的种类、数目都不变，直到19世纪末，人们一直认为原子是不可分的，直到电子的出现。(提问：我们高中学过那个仪器能发射电子？)

学生：因对阴极射线管不很熟悉，多数学生不能回答出来。

2．教师：出示阴极射线管，演示阴极射线实验。通过课堂的实验仪器和历史照片对比说明1897年，英国物理学家汤姆生就是在实验室用这个实验发现了这种从阴极打出来的物质。(提问：我们用什么方法可以验证这种物质的电性？这是一个探究过程的开始)

学生：在这一问题的分析过程中学生参与积极，有用加电场来验证，有用加磁场来验证，还有用验电器等。对电子带电性质的检验体现了探究过学习的思路。

演示点评1：以汤姆生发现电子过程为发展线索，用现在高中课堂实验仪器重现当时电子的发现场景，用重现历史曾经出现的“新现象”来构建出一个“新的可探究的教学演示”，使学生在这一演示中既回顾历史，又参与探究，更增长了知识。

演示描述2：通过换位思考，全面展开探究式教学；比如核式结构一课中，可以让学生站在100年前的历史背境中，让他们来对电子的发现作一些合理，合情的科学猜想和探究。

演示实施2：

教师：如果你是当时的科学家，面对原以为不可分的原子中又打出了带负电的物质，你会对原子结构做哪些猜想？

学生：当时学生根据已有认知提出了多种可能的情况，比较典型的有以下三种类型。

以上猜想是否合理的，正是探究式教学的典型教学过程。在课堂上本人作了以下引导：

首先让学生通过日常生活的经验来分析以西瓜的肉和籽是均匀分布，而非一半是籽，一半是肉。说明科学猜想也要合乎常理。是建立在日常生活经验基础上的。

通过多媒体展示汤姆生模型的结构，通过正负电核的受力分析说明力学上的英国科学家汤姆生的枣糕模型更为稳定，而且汤姆逊原子模型提出后能够解释当时的一些实验现象如原子发光，原子呈电中性等问题，所以在当时是最为合理也为大家所接受的原子模型设想。

演示点评2：对新事物，新现象先做出自已合理的猜想是探究过程的第一步，但这种猜想并不是毫无根据的胡思乱想，而是建立在已有知识和经验基础上的合理猜想。当然，科学猜想的合理性并不能等同于这种猜想的正确性，所谓猜想的合理性是相对当时技发展条件下与已有的认知水平下最为可能的猜想，至于是否正确是要随着科学的发展和科技的进步来检验的。

通过我们现在的猜想与历史上曾经有过的猜想对比，使学生加深了对科学探究方法的体会。并在充份了解时代背景的情况下对当时科学家提出的观点与自已提出的观点进行比较来领会如何根据科学现象通过分析来提出一个较为合理的猜想。

(三)知识探究重现：紧扣知识形成的“关键步骤”来构建探究式教学演示：随着历史的一步步发展，科学猜想也经历着一个不断完善的过程。在新认识的逐步形成过程中科学家们尝试了许多探究过程，其中为新理论的形成起突贡献的几个关键探究过程是我们用来构建探究式教学演示的最好元素。比如实验在科学探究中有着无可替代的作用，所以重现形成新知识，新理论的核心实验，让学生通过重做知识形成的关键性实验来学习物理知识，是探究性学习的有效方式。如核式结构一课中，当时科学家们为了验证汤姆生的枣糕模型是否正确就是用实验来进行的。

演示描述1：设计探究式实验来验证新理论的合理性：以模型类比为引导，说明如何对看不见，摸不着的原子的内部结构进行探测？

演示实施1：

教师：出示一个杂交苹果。要求学生在不剖开苹果的前题下设些法对该苹果是“有核”还是“无核”进行验证。

学生：经过讨论后形成两种主要观点，一种用针刺探，另一种用X射线扫描。

教师：在没有先进仪器的情况下可用一根长针进行刺探，根据针的受力感觉来大致判断苹果内部的密度和结构等情况。原子核式结构的发现就是运用了这种方法。

演示点评1：类比分析后引出对原子的内部结构的探究也可用同样的思路往原子内部打入一了些东西来进行研究。(当遇到对学生来说过难的知识时，可以通过多媒体手段来辅助教学，在这里就可以用电脑动画来模拟当时的实验。作为课堂的探究性实验。)

演示描述2：用现代科技手段来模拟知识形成过程中的关键实验，利用重复实验的方法来重新完成一次科学探究，既可以使原本学生无法完成的实验在课堂中得以展现，又能去繁存简的让学生领会科学探究的根本方法。如在核式结构的教学中可以配合多媒体模拟粒散射实验。

演示实施2：

在此教师要通过问题带动学生进行逐步探究，用知识形成过程的实际问题来营造出探究式教学演示：

(1)为什么实验装置要放在真空环境中？

(2)为什么在这个实验中采用金泊作为粒子的轰击对像？

(3)为什么要对少数大角度偏转的粒子重点进行偏转原因分析，而不作为误差而忽略不计？

(4)根据已有的实验现象，建立新的核式结构模型，并用新模型来合理解释实验结果。根据散射的实验结果估算出原子核的体积只有原子体积的万亿分之一，若原子核有芝麻大小(约1mm)，则原子的体积是高达近百米的大厦。最后，对卢瑟福实验进行适当的反思指出该模型的成功与不足来加深学生对该结构探索过程的了解。

演示点评2：利用重现知识发展过程中的关键性实验，根据课堂教学的需要对原实验进行重构，删繁就简，重点突出对探究式教学有用的过程。围绕教学目标有选择性的带动学生对实验进行有效探究。这种紧扣知识形成的“关键步骤”，再现知识的发展过程。让学生通过模拟历史上科学探究过程来掌握新知识，无疑将比听老师介绍更能提高学生的思维分析能力。

(四)探究拓展：紧跟科学发展，用新科技为物理教学注入生命力。通过对知识形成过程的学习和知识产生背境的重现，就会对课本知识有个全面而深入的了解，在此基础上进行拓展性学习，可以结合学生现有知识，结合现代社会的新环境，思考在当前条件下对原有的知识探究过程可作哪些改进？

演示描述1：在现代成熟的科技手段下分析能否用X光对原子内部进行X光拍照，来更清晰的了解原子核内部的结构？

演示实施1：

教师：在病院普遍使用的X光机能否用来对原子拍照，来看清原子的内部结构？

学生：虽然知道X光机不能照出原子内部结构，但多数学生只知其然而不知其所以然。

演示点评1：X光是一种波长极短的电磁波。虽然在当时已经有成熟的X光拍照技术，但用X光是无法对比它波长还要小的原子及其内部进行拍摄的。因为会发生衍射现象，无法照出原子的像。这种将历史上形成的知识放在当前时代背景下再来反思讨论的方法使探究式教学演示构建得以延伸和拓展。

三、总结

(一)探究式教学演示要体现科学探究的基本过程。知识形成过程能有效构建教学演示，在教学演示的构建过程中要体现出科学探究的基本方式方法。一个新理论建立的基本过程大多经过以下几步(发现问题——提出假设——实验验证——得出结论)其具体形成过程可用下图来表示：

以原子核式结构为例来看：由于电子的发现，人们认识到原子还可再分，这一新的认识，引起人们对原子结构模型的探索。引发了原子科学的新发展。在科学史上，原子子核式结构的建立也经历了科学发展的几个典型过程：

(二)体会与反思。用知识形成过程来构建教学演示，使学生在探究式的教学演示下进行学习，对知识不仅能知其然，而且能知其所以然。因此对物理知识的教学，要对知识的形成的历史背景进行拓展性学习，让知识的形成过程作为丰富教学内容的血与肉。让历史重演，让时光倒流，通过追本溯源，透彻理解知识的成因进而学会一种科学的态度和科研的方法。

将知识的发展背境与课堂教学过程有机结全，以背境促教学，以背境带教学。通过这样的教学处理，课堂的知识内涵就得到了挖掘，知识点得到了加深，学生的思维也得到了有效煅炼，更能使教学过程显的生动，教学气氛变的热烈。