PBL模式在物理实验教学中的应用

邱清芽 刘坚辉 张晓璇 郑卫峰

摘   要：将PBL教学模式应用于物理实验教学，以探究安培力方向教学为例，针对传统教材中实验教学存在的不足，选用自制教具“旋转的液体”进行基于PBL教学模式的物理实验教学设计，以此更好地实现学生的探究式学习。

关键词：PBL教学模式;自制教具;物理实验;安培力

引言

《普通高中物理课程标准（2017年版）》中提到在物理学科核心素养的培养过程中，建议一线教师开展生动活泼的实验课堂以及通过问题解决促进物理学科核心素养的达成[ 1 ]。因此以問题为导向进行实验教学，有利于促进学生能力的培养和提升，实现实验教学的有效进行，落实物理核心素养的培养。PBL教学模式（Problem Based Learning，基于问题的学习）是以学生为主体，让学习过程处于复杂的、有意义的问题情境中，以小组的形式进行互相讨论、交流，以此解决相关问题，培养学生自主学习、合作学习、问题解决能力的教学策略[ 2 ]。因此，本文以旋转的液体探究安培力方向教学为例，将PBL教学模式应用到物理实验教学中，更好地达到核心素养的教学目标。

1  基于PBL教学模式的物理实验教学基本环节

应用PBL教学模式将物理实验教学分为创设情境、问题驱动、制定方案、合作探究和评价总结五个环节。构建基于PBL模式的物理实验教学基本环节（如表1所示），分别指出各环节中教师与学生活动主线内容。

2  实验改进

现鲁科版高中物理选择性必修第二册教材中第1章第1节的内容为“安培力及其应用”，安培力的方向是该部分中的一个主要内容。关于“安培力方向”的教学，教材中呈现的是以铝箔“天桥”实验来进行探究。但是，该部分是让学生按部就班进行实验操作，这样的教学模式显然不能实现学生个性化和创造力的发展。并且，在实际教学过程中发现，教材中铝箔纸高度不够，很难同时观察到拱起和下凹现象，且实验过程中如要改变电流方向，操作繁琐，不易实现[ 3 ]。针对以上的问题，本文应用PBL模式，选用自制改进的教具“旋转的液体”来进行实验教学，以此更好促进学生的科学思维发展，提高科学探究能力。

3  学生学情分析

学生学习本节内容前，已经学习并了解了电流周围存在磁场，知道磁场对通电导体会产生作用力。并且在之前学习牛顿第二定律时已经进行过实验探究，因此掌握了一些物理实验研究方法，具备了实验探究的能力。

4  教学流程

以PBL教学模式为理论框架，以根据“旋转的液体探究安培力方向”的实验为教学内容，设计了本节课的教学流程（如图1）。

5  教学过程

5.1  创设情境，激发探究欲望

首先，教师播放视频《旋转的液体》（如图2）。学生通过观看视频，发现液体在通电之后发生旋转，提出疑问：为什么没有看到有外力的借助下，蓝色溶液会旋转？

设计意图：通过液体旋转的现象设置问题情境，使学生发生认知冲突，必定会吸引学生的注意，引起学生进行思考，提出猜想。

5.2  问题驱动，促进深入探究

（1）深入剖析，建构概念

在学生进行猜想的基础上，教师给学生展示“旋转的液体”教具实物，带领学生一起来探索液体旋转的奥秘。让学生观察讨论并思考该教具到底有什么神奇的力量让溶液旋转起来。在学生的思维集中之时，教师引导学生分析：教具由哪些材料构成，每个部分都有什么用途。在学生进行交流讨论的基础上，教师与学生一起进行分析并归纳到表格当中（如表2）。

学生了解制作原理之后，教师再告知学生教具是通过改进教材上某个实验装置得来的，给学生展示实验装置的相关资料（如图3），以及给学生讲解改进思路（如表3）。

通过学生对教具的由来和原理有了充分的认知之后，教师再次引导学生对“旋转的液体”进行物理建模，试着分析其转动的原因，将表2中的信息通过图呈现出来（如图4）。

学生在图表中的事实证据基础上进行分析就可以解释蓝色溶液为什么在通电之后会旋转，归纳得出：磁场对硫酸铜溶液中产生的电流有力的作用。旋转的方向就是力的方向。

教师顺势给出安培力的概念：磁场对通电导线产生的力称为安培力。

设计意图：引导学生剖析教具的构造，将获取的证据整合到表格当中，并对情境现象进行模型建构，实现思维可视化，以此促进学生基于图表中的事实证据分析、归纳得出总结。使学生经历“观察—分析论证—总结归纳”的思维活动，为本节课合作探究环节打下基础。让学生了解教师改进教具的思路，能够培养学生发现问题，解决问题的能力，并且在溶液改进部分，不仅做到跨学科教学，而且提高学生环保意识。

（2）明确探究问题

学生建构安培力概念之后，教师更加深入地提问：液体旋转的方向能否改变？怎么改变？

设计意图：学生了解了教具的原理后能对影响因素进行合理猜想。再以问题为驱动，激发学生进行探究验证猜想的欲望。

5.3  点评反思，完善方案

将班级成员分为若干个小组，每个小组分配好如图5所示的实验器材。

由于该教具进行实验时，可能因为各种原因使得实验现象不明显或者没有现象，因此教师需要引导学生预设相关问题的解决方案。这也是设计实验方案的重要一个环节。

因为磁场在本次实验中也是其中一个重要因素，而在之前的实验中学生没有涉及到对磁场问题的解决方法，因此教师给学生提出解决建议，提供相关资料：可用phyphox软件测试磁场，使用方法为打开手机phyphox软件，选定列表当中的“磁力计”，将手机放在需要测量磁场的地方，再按开始键便可以测量磁场，如图6所示。

小组成员进行沟通交流，根据具备的知识和能力，再借助提供的相关资料，自主选择制定方案时所需解决的问题，并列表格当中。以表4为例。

每个小组根据问题解决方案制定初步的实验方案，并对选择的实验器材进行组装。完成实验方案设计之后，每个小组派个代表对本组的实验方案进行展示。这时教师作为参与者，与其他小组成员进行互相点评，对实验方案存在的问题做出修改，完善方案。

设计意图：学生已经掌握教具的制作原理并且制作过程易于操作，因此在组装实验器材的环节中也加上制作教具的内容，以此帮助学生回忆起教具中所蕴含的物理知识。由于学生的知识有限，对于一些目前还无法进行解决的问题，教师提出应用软件phyphox的解决建议和解决思路，学生不仅可以获得解决磁场问题的方法，还能够学到解决问題的思维方式，并且感受到信息技术的进步。

5.4  合作探究，得出结论

学生根据完善的实验方案进行实验，每个小组合理分工，进行实验操作，观察假设的影响因素与安培力方向的改变情况，将结果记录于表格当中（如表5），再根据表中的实验证据进行分析，最后得出实验结论：安培力方向与磁场方向、电流方向有关。

5.5  经验总结，促进迁移

小组间进行成果展示，讨论交流实验总结，并提出在实验过程中发现的问题，例如：实验过程中进行通电，石墨和铝质易拉罐薄片处在硫酸铜溶液中的部分会有黑斑生成。通过与教师和学生探讨分析，最终得以解决问题，知道黑斑是硫酸铜溶液通电进行电解反应生成的铜。

教师根据学生的实验报告以及实验过程中的表现进行评价，并进行教学反思。

设计意图：通过让学生交流实验总结以此帮助学生将本堂课的经验总结迁移到其他的实验探究中，提高进行第二课堂活动的可实现性。

结语

本文以PBL教学模式为指导，选用自制教具来进行“探究安培力方向”的教学，将传统实验教学中的验证性实验改成探究式实验，激起学生进行科学探究的内驱力，帮助学生深刻理解掌握物理概念和物理规律。

参考文献：

[1] 中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（实验）[S].北京：人民教育出版社，2004.

[2] 刘儒德.用“基于问题学习”模式改革本科生教学的一项行动研究[J].高等师范教育研究， 2002（3）： 49-54.

[3] 颜少芬，付丽萍.基于科学思维能力培养的高中物理教学设计——以“安培力的方向”教学片断为例[J].物理教师，2019，40（5）：6-9.

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