初中物理实验可视化教学实践

文/吴 伟

物理实验是学生观察现象，建立物理概念、规律的重要支撑，也是学生检验物理概念、规律的重要手段。对于初中生而言，物理实验不仅是重要的学习内容，还是必不可少的学习方法。物理实验过程中往往存在着不明显的实验现象、繁杂的实验方法、抽象的实验规律等，这些内容与学生的认知和思维的发展情况存在一定的差距，大部分学生难以掌握这些内容。与之相比，学生能轻松地接受直观、简单的实验内容。基于此，教师要应用可视化的方式实施实验教学，确保教学契合学生认知、思维发展情况，助力学生掌握物理概念、规律和学习方法。可视化教学是指在教学过程中，运用各种可视化的工具或方法，如图片、视频、手绘图、思维导图等，直观、清晰、具体地展现抽象、复杂的教学内容，实现内容或形式的可视化，促使学生理清思路，建立认知的教学活动[1]。初中物理教师要善用不同的可视化方式实施实验教学。

一、利用卡通人物画实施实验教学

卡通人物画是一种夸张、形象、趣味的艺术形式，对初中生有极强的吸引力，常常被应用于情境创设环节[2]。物理教师可以依据物理实验教学内容，绘制相关的卡通人物画，直观再现物理现象，激发学生兴趣，促使学生观察、探究。

图1 平面镜成像的卡通人物画

在生活经验的助力下，学生从图中获取了各种各样的信息，如“画中的两个人物到平面镜的距离相等”“画中两个人物的大小一样”等。基于此，教师初步概述平面镜成像的概念，并引导学生思考：“针对平面镜成像的特点，你想到了什么？”学生兴致高昂地进行探究。

通过呈现卡通人物画，教师顺其自然地创设了生活情境。在生活情境中，学生能够产生强烈的兴趣，迁移已有认知，获取信息，深入分析，真正进入物理实验课堂。

二、利用“图”说方式实施实验教学

“图”包括图形、图表、图片、图像等，可以直观、清晰地展现抽象的知识和知识点间的逻辑关系，便于学生发挥形象思维的作用，归纳出知识点和知识点间的逻辑关系，建立深刻的认知[3]。在物理实验课堂上，教师要依据教学需要，善用“图”说的方式助力学生建立认知。

以“水的沸腾特点”为例，教师引导学生操作实验。在学生观察实验现象时，教师提出任务：“观察实验现象，绘画沸腾时液体表面和液体内部的气泡。思考问题：在沸腾前、沸腾中，液体内部和表面的气泡有什么不同？液体在沸腾前、沸腾后，温度发生了怎样的变化？”在任务的推动下，学生有目的地观察沸腾前、沸腾时的气泡变化情况，并就此绘制图像（如图2）。在绘制后，学生分析图像，直观地判断沸腾前、沸腾时的气泡变化情况。

图2 水沸腾前、沸腾时的气泡变化

在此过程中，有学生提出疑问：“为什么沸腾之前，气泡从容器底部到液体表面由大变小？为什么沸腾时，气泡由小变大？”其他学生因此产生探究兴趣。于是，教师鼓励学生合作交流。大部分学生迁移物理认知和生活经验，分析原因，建立一定的认知。

学生利用“图说”方式直观地展现了实验现象，并由此提出了问题，推动了实验教学走向深入。学生在直观图像的助力下深入探究，做到知其然知其所以然，同时锻炼了形象思维能力、物理表征能力。

三、利用教学动画实施实验教学

教学动画是在有关教育理论的指引下，围绕某一教学内容，利用动画软件制作出的动画，具有直观性、动态性、交互性，助力人机互动[4]。在教学动画的辅助下，学生会发挥思维作用，观察、分析直观现象，抽象出结论，由此轻松地建立良好认知。对此，教师应紧抓实验过程，利用教学动画展现实验内容。以“凸透镜成像”为例，教师在电子白板上呈现实验方案，引导学生思考：“凸透镜的成像的虚实、大小、正倒与物距之间有什么关系？”学生代表登台操作电子白板，安装实验装置。之后，学生代表移动蜡烛，改变蜡烛与凸透镜之间的距离，得到不同的像，并由此收集、整理数据。其他学生认真观看，分析现象，整理数据，建立一定的直观认知。

在学生代表操作结束后，教师用动画演示“凸透镜成像规律的特点”的截图，直观展现蜡烛火焰的虚实、大小、正倒变化情况。同时，教师提出任务：“观察截图，联想实验过程，整理物像距离和成像大小情况，建立表格。”学生边观察截图，边回想实验过程，认真分析，借助直观现象了解物距、像距、像的大小、像的性质，形成表格，形成较为全面的认知。之后，学生毛遂自荐，利用电子白板展现自己绘制的表格（见表1）。

对照一组与确诊为前、后半规管耳石症的研究一组患者采用Epley手法复位[3]治疗,医生指导患者头部定向摆动,在重力的作用下使耳石复位。

表1 物像距离和成像大小情况

教师就此引导学生总结“像”的变化与聚焦的关系。在各种教学动画（数字化实验、实验动画截图）的助力下，学生发挥形象思维作用，细心观察蜡烛的虚实、大小、正倒变化情况，结合具体数据，一步步地总结出“像”的变化与焦距之间的关系，建立深刻的认知。同时，在整个可视化的实验学习过程中，学生顺其自然地锻炼了观察分析能力、归纳总结能力，便于提升实验学习水平。

四、利用改进实验实施实验教学

（一）改进实验器材

实验器材是师生操作物理实验的支撑。在实验器材不当的情况下，实验现象难以显现。教师要善于改进实验器材，引导学生动手操作，使实验现象可视化。

以“压力的作用效果”为例，当教师按照教材实验进行操作时，学生无法清晰地观察到一些微小的形变。针对此情况，教师改进实验器材，用白纸、木架替代海绵、沙子，确保显现微小形变。在实验过程中，学生依据实验方案，将一张白纸固定在木架上，使白纸保持水平、悬空状态。接着，学生在白纸上摆放一个实验小桌（四腿朝下），细心观察白纸的变化。学生在实验小桌上放置一盒钩码，再观察白纸的变化。然后，学生将小桌反扣在白纸上，继续观察白纸的变化。

通过改进实验器材，学生获得了观察细微变化的机会。在观察过程中，学生对比、思考，借助直观的现象发现了与压力作用效果有关的因素。同时，部分学生因此汲取实验经验，拓展思维，自主改进实验，操作实验，利用可视化的方式学习物理知识，切实提高了物理学习水平。

（二）使用非常规实验

非常规实验是指生活化的实验，即依据教学需要，利用生活中常见的物品自创的有趣、简单的实验。与教材中的物理实验相比，非常规实验简单、易操作。学生可以获得实验机会，利用可视化的方式学习物理知识。因此，教师可以依据物理教学的需要，引入非常规实验。

以“浮力的方向”为例，在讲到该知识点时，教师为各组发放实验器材——乒乓球、红色细线、小石块、圆形透明水槽、适量水，引导学生操作实验。在操作时，各组在乒乓球的上下两端固定红色细线，并在下端的细线绑上一块小石块。小组成员拉起乒乓球上端的细线，确保乒乓球上下两端的细线处于同一直线上。此时，小组成员手持上端的细线，慢慢地将乒乓球移动到圆形水槽中。随着小石块慢慢地沉入水底，小组成员发现乒乓球上下两端的红色细线仍在同一条直线上。

在实验现象的助力下，学生直观地发现浮力的方向和重力的反向是相反的，从而建立深刻的认知。同时，学生顺其自然地掌握了“浮力产生的原因”这一重点内容，增强了课堂学习效果。

五、利用手绘图实施实验教学

手绘图是利用清晰、简洁的线条，通俗易懂的语言符号，快速、形象地展现自己的所看所想的“工具”。一般来说，手绘图呈现了学生实验观察、思考的结果，便于学生了解自身的实验学习情况。同时，学生可以借助手绘图，加深对实验的记忆和理解，锻炼想象能力、动手能力等。基于此，物理教师可以在实验之后，引导学生回顾实验过程，绘制手绘图。

以“串联和并联电路的电流”为例，在实验课堂上，学生与小组成员合作设计实验方案，动手操作实验器材，观察、分析实验现象，得出物理规律。在课堂总结环节，教师依据学生的课堂学习情况，引导学生回想实验过程，并手绘串联、并联电路的电流实验图。

趣味的活动很容易激发学生兴趣。学生在脑海中描绘串联、并联电路的电流实验过程，就此绘制流程图。在绘制的过程中，学生认真思考、分析，发现自己的实验学习漏洞。基于此，学生主动向他人请教，弥补学习漏洞。

在学生完成手绘图后，教师随机选择一幅作品，利用电子白板进行展示，并鼓励作者化身为“小先生”，描述实验过程、现象和结论。其他学生看、听、想，发现问题，及时提出并进行集体讨论。在集体讨论的过程中，大部分学生通过自主反思，确定自己的学习漏洞，主动弥补。

学生通过绘制实验手绘图，顺其自然地进行了自主反思，弥补了学习漏洞。

六、利用思维导图实施实验教学

思维导图是一种思维工具，展现了全脑分工的理论精髓，实现了左右脑的完美融合。学生在绘制思维导图的过程中，可以发挥全脑潜能，使用简洁的线条、色彩、图画表示复杂、抽象的信息，突出重点，建立清晰的逻辑认知。部分学生可以获取可视化的记忆方法、理解方法，便于展开自主学习。在参与物理实验教学过程中，学生获取了相关的知识点。在实验教学收束阶段，教师要引导学生绘制思维导图，梳理、归纳知识点，建立系统认知。

以“欧姆定律”为例，在实验教学结束之际，教师提出任务：“请大家回想实验探究过程，建立思维导图，总结相关的知识点。”在此任务的推动下，学生边回想边分析，自觉用文字内容描述物理实验及相关结论，由此梳理学习内容。在此过程中，有学生发现知识漏洞，或利用手绘图，或利用教学动画，或向教师请教，运用多种方式弥补了知识漏洞。同时，学生在绘制思维导图的过程中，始终发挥逻辑思维作用，切实提升了逻辑思维水平。

七、结束语

总而言之，可视化的教学方式是物理实验教学的助力，便于学生在获得实验机会的同时，直观、清晰地建立物理认知，掌握实验方法，锻炼多种能力，增强实验学习效果。对此，初中物理教师要依据实验教学需要，善用卡通概念、“图”说方式、教学动画、改进实验、手绘图、思维导图等可视化地实施实验教学，助力学生操作、观察实验，透过实验现象得出物理结论，实现物理学习能力的发展。