基于科学探究的高中物理创客实验教学

谌基兴 彭明河

摘   要：创客实验教学模式是以构建学习者为中心，学生实践、自主探究为基础的开放教学过程，是以学习者自主思考、自主探究、自主实践、自主创造为特点，是以培养探究能力和创新意识为目标的一种新型教学模式。本文以验证力的平行四边形定则为例，通过“情景问题导入”“简单任务模仿”“创新激发引导”“合作完成任务”和“成功作品分享”五个环节层层递进培养学生探究能力和创新意识。

关键词：创客;实验教学;科学探究;创新意识

物理作为一门以实验为基础的自然科学，实验教学在培养学生核心素养的过程中起着举足轻重的作用[ 1 ]。传统的实验教学是以教师、教材、教案为中心的教学过程，侧重于所学理论知识的验证，学生的探究能力和创新意识不能得到充分发展，学生的思维被局限，不利于学生个性化发展，使学生成为了被动的知识储存容器，违背了“以学生为中心”的教学观。创客实验教学能够解放学生天性，为他们提供动手操作、自由探索的空间与条件，在科学探究的过程中实现自己的创意，不断激发他们对探究和操作的兴趣，使学生从知识的消费者变为知识的创造者[ 2 ]。以实践为载体的创客实验教学过程，通过多维度的动态实践方式，揭示知识形成和学生思维发展的过程，能够最大限度调动学生的主动性、参与度和创新性，使学生的探究能力和创造力在发现和解决问题的经历中得到培养。本文以“验证力的平行四边形定则”实验教学为例，旨在论述通过创客实验教学的五个环节层层递进培养学生探究能力和创新意识。

1  情境问题导入，激发学生探究的兴趣

不同于传统的实验教学，创客实验教学首要的任务是通过创设真实的、具体的问题情境，根据问题情境导入项目问题，在任务驱动下通过自主学习获取知识和技能，并运用所获取的知识和技能解决问题。情境问题导入不仅激发了学生探究的兴趣和创新的意识，而且培养了学生探究的科学思维和科学态度。

用如图1所示的生活实例引入，可以使学生从熟悉的生活场景快速进入“合力与分力”的项目主题中。学生在学习了“力的合成”后已经知道了图中两个分力的作用效果等效于一个合力，并从理论上初步了解了力的平行四边形定则。据此，教师可以引导学生进行下一个项目研究：通过实验的方法定量地验证力的平行四边形定则。

2  简单任务模仿，提升科学探究技能

模仿是为了消化和迁移，简单的任务既激发了学生动手操作的热情，又提升了科学探究所需的基本技能。简单任务模仿采用任务驱动的教学方法，使学生主动地投入任务中，主动思考、自主实践，以完成既定任务。这种任务驱动的教学方法与传统实验教学中的讲授法不同，学生能通过简单模仿，激活思维，使学生在学习中变被动为主动。

通过布置课前预习任务的方式让学生掌握实验报告册中“验证力的平行四边形定则”的实验目的、实验原理、实验步骤。在此基础上，引导学生按照实验报告册所提示的步骤逐步模仿完成简单的实验任务，实验过程与实验结果如图2、3所示。

3  创新激发引导，建构探究知识结构

创新激发引导的目的是激发学习者的探究欲望和创新意识，使学习者将现有的知识迁移到新知识的获取中来，使创客实验教学能够顺利进行。在该环节中，教师要对实验的创新作必要的知识铺垫和引导，启发学习者探索的方向，确保“创客们”能顺利完成实验创新。教师的引导要把握好“度”，应做方向性的引导，不能过于具体化，否则将丧失激发学习者探究欲望和创新意识的作用。

依据环节二所得到的實验结果，可以看出理论值F和真实值F′还存在着较大的误差，并不能完美地验证力的平行四边形的可靠性。适时地引导学生分析误差的来源。学生在思考和讨论之后，发现了几个影响实验结果的主要因素：（1）读数时存在误差;（2）弹簧秤没有完全平行于木板，力的方向不是水平的;（3）弹簧秤的指针和示数面板间有摩擦力;（4）橡皮筋在两次实验中，发生相同的形变时，作用力并不一致;（5）选取的标度和所测几个力的大小不能同时满足整数倍关系，使作图存在偏差。教师可以通过学生对实验误差来源的分析，引导学生沿以下方向改进实验方案：改变力的测量方式，使力的大小明确，力的方向清晰，并做到一步到位地完成实验。

4  合作完成实验，培养科学探究能力

经过创新激发引导环节后，学习者可以通过合作探讨出一个具有创新性又能有效完成的方案。在创客活动中，学习者参与度越高，科学探究能力得到的培养就越强。因此，教师要对小组的活动过程进行诱导，确保每一位学习者都参与进创客实验中。

教师可以深入小组中，参与学生的讨论过程，鼓励小组成员提出疑问和想法。在这一教学环节中，教师作为协调者和辅助者的角色将会得以印证。在该创客实验中，学生更多地会要求教师提供所需的实验仪器和设备，如：力传感器、钩码、滑轮、铁架台等实验器材，教师应尽可能地满足学生的要求，因此，做好充足的前期准备工作也十分必要。教师还可以给有困难的小组提供必要的技术指导，使学生享受创客实验中的乐趣。

5  成功作品分享，提升探究信念和探究热情

创客实验教学过程需要学习者具有坚定的信念和饱满的热情作为支撑。成功作品分享这一环节的主要目标就是为了提升学习者的探究信念和探究热情，使学习者享受成功的乐趣。

学生在教师指引、小组讨论的基础上提出了多种可行的方案，教师对各方案做展示与点评，笔者将其中三例最具代表性的作品做详细解说。

创客实验方案1：如图4所示，三根细线OA、OB、OC结于O，另一端分别连接力传感器，通过力传感器同时拉动细线，控制力的大小和方向，并保持三段细线在同一水平面内，待稳定后记下结点O和细线的位置，并读取传感器示数，即得到细线上作用力FOA、FOB、FOC的大小和方向。选定适当的标度，从FOA、FOB、FOC中任选两个力作为分力，依据实验所得数据在白纸上作出平行四边形，平行四边形的对角线即为这两个力的合力，将所得合力与第三个力比较即可验证力的平行四边形定则。该实验极大地减小了系统误差，并简化了实验过程和实验装置。

创客实验方案2：如图5所示，利用力传感器将物体提起悬于空中，待稳定后读取传感器示数，记为F。将物体和两个力传感器分别系于三段细线的一端，提起力传感器并用铁架台固定，等待系统稳定，此时三根细线一定处于同一竖直面内。将带有白纸的竖直板移近细线处，记录细线的位置和两个力传感器示数，即得到两分力的方向和大小。选定适当的标度，在白纸上作出两分力的合力，将所得合力与F比较即可验证力的平行四边形定则。该实验提高了测量精度，无须人为调整就能保证两分力在同一竖直面内，提高了实验的稳定性。

创客实验方案3：如图6所示，将两个力传感器固定在力的合成分解实验器的挂臂上，力传感器和钩码分别系于三段细线的一端，细线另一端在力矩盘的圆心处打结。调节力矩盘，使得挂钩码的细线与力矩盘的竖直基准线重合。读取两传感器的示数及其细线与水平基准线所成的夹角，即得到两个分力的大小和方向。在白纸上先画两条相互垂直的线作为水平基准线和竖直基准线，再利用所得数据做出平行四边形，得到合力的大小和方向，将所得合力与钩码重力比较即可验证力的平行四边形定则。该实验具有操作简单、稳定性强、测量精度高等优点。若条件允许，教师还可以将该实验方案做进一步改进，将测得的数据输入DIS实验系统[ 3 ]，利用现代信息化技术与物理实验深度融合进行数据处理自动计算出合力的理论值，进而对比理论值和实验值，验证力的平行四边形定则，这种具有现代化技术手段的物理实验能够启发学生思考，有助于激发学生的探究热情和创新意识。

6  结语

科学探究是物理学科素养的主要内容之一，因此，正确引导学生形成探究意识、训练学生的探究思维以及提升学生的探究技能是我们每个教师应尽的责任。将创客教育理念引入到实验教学领域，是一种全新的教育模式。创客教育所搭建的实验教学平台，能够使学生充分发挥自己的才华，真正做到“从生活走向物理，从物理走向社会”。笔者以“验证力的平行四边形定则”为例，打破了传统的实验教学模式，设计了一节融“主体性、实践性、探究性、创造性”于一体的创客实验教学，不仅完成了知识的传授，更重要的是对学生科学探究素养和创新意识的培养，同时使教师的教学功底和教学素养能够得以提升。

参考文献：

[1]王林焕.重视高中物理活动教学，培养科学探究能力[J].课程教育研究，2017（46）：157-158.

[2]杨维，费瑞伟.基于中小学课程整合的创客式教学模式构建[J].中国电化教育，2017（7）：53-57.

[3]馬亚鹏.力的合成实验研究：改进、争论与反思[J].物理教师，2018（2）：51-54.