(上海市青浦区东方中学,上海 201700)

1 引言

随着课改的深化、实验教学研究的不断推进,常规实验得到了不断升级、优化,但通过调查发现常规实验仍存在一些缺陷：(1) 具有滞后性、局限性，远离学生的现实生活;(2) 无法满足学生的个性化、自主化探究的学习需求;(3) 与“学科知识序”和“学生认知序”的衔接性不强。《普通高中物理课程标准(2017年版)》指出：“要利用日常用品改进实验或开发新实验,实验课程资源不仅限于实验室的现有仪器和设备,日常用品、废旧材料也是重要的实验室资源”。“非常规”实验是指选择和利用环境中“本来不是用来开展实验”的物质资源,包括生活易得物品、环保材料和器具等,开展具有自创性、体验性、趣味性等特点的实验活动，它是相对于教学设备厂专门生产的实验器材来开展的“常规实验”而命名的。

2 自主探究学习的操作框架

激发自主探究学习的兴趣,培养自主探究学习的习惯,提高自主探究能力是学生发展的内在需要,也是发展学生核心素养的重要内容之一。物理自主探究学习是指学生围绕物理问题、文本或材料，在教师的指导下自主建构意义的过程。笔者基于课题研究,构建了如图1所示的物理自主探究学习的操作框架。

图1

3 教学案例分析

下面以初中物理“探究凸透镜成实像规律”一课为例,以学习科学理论为指导，以“非常规”实验为载体，助力学生自主探究规律,提高学生自主探究学习的能力。

3.1 导入生疑:运用问题型“非常规”实验,引发物理问题的生成

创设物理情境,使学生产生疑问是自主探究规律的起始环节。问题是物理的“心脏”,把问题作为物理规律教学的出发点,是促使学生自主探究物理规律的基础。学习科学中的兴趣动机理论指出：当学生认为学习材料对他有价值或令他十分感兴趣时,便会更加努力地学习。问题型“非常规”物理实验是内含问题的情境性实验，此类情境中包含着具有新颖性、目的性和匹配性的物理问题,学生一旦融于情境,会引发认知冲突,产生自主探究学习的兴趣。

活动一 创设情境,引发问题生成

实验器材：凸透镜、呈现“东方”字样的显示屏、贴有刻度尺的光屏(如图2)和大白屏等。

图2

操作过程:远离显示屏的学生一只手拿凸透镜正对显示屏,另一只手拿着贴有刻度尺的光屏寻找“东方”字的像；教师靠近显示屏,利用凸透镜在大白屏上寻找像。

物理现象:贴有刻度尺的光屏上呈现倒立、缩小的实像;大白屏上呈现倒立、放大的实像。

引发问题:凸透镜是否还能成等大的实像?凸透镜成各种不同实像时应满足怎样的条件?

设计意图：创设找校名关键字“东方”像的问题情境,引发学生认知冲突,自主提出科学问题,激发了学生的学习兴趣,顺利引入课题,为助推学生自主探究物理规律奠定基础。同时,在光屏上粘贴刻度尺,便于比较像与物的大小关系。

3.2 自主探疑：运用体验型“非常规”实验,引领学生提出合理猜想，制定探究计划

自主探疑是自主探究物理规律教学的中心环节之一，以此环节引导学生开展猜想与假设、制定计划的活动。猜想与假设是科学思维的一种形式,既可以为自主探究指明方向,又可以发展学生的思维,培养学生的创造力。实验方案是动手实验的基础,是有序开展实验探究的依据。自主设计实验方案,既是进行科学探究必经的过程,又是培养学生探究意识、发展学生探究能力的重要途径。体验型“非常规”实验为猜想或假设提供依据,为学生选择科学的探究方法、所需的实验器材、操作步骤及制定计划和设计实验等提供支架，正如学习科学理论所指出的：当学生坚信自己努力学习将会获得回报时,他便会更加努力学习。

活动二 在体验中引发合理猜想

在教师的引导下,学生在光具座上自左到右依次摆放成“F”字样的发光二极管、凸透镜和光屏(如图3),根据观察到的实验现象,进行合理猜想。教师设问:“物距比较大,是成放大的像还是缩小的像?物距比较小时会是怎样?”“根据刚才的实验,推测一下,有没有存在这样一个位置,物体成等大的像?”

图3

设计意图:体验活动为学生的合理猜想提供了可靠的依据,学生的猜想有利于顺利引出实验探究。将原“验证性实验”转化为“探究性实验”,助推学生自主探究物理规律。实验中将发光物体由点燃的蜡烛改成发光二极管,避免高温蜡烛液滴烫伤学生、蜡烛易倒下、气味难闻、火焰晃动致使成像不稳定等问题,可提高课堂实验效率。

活动三 制定实验计划

(1) 设计实验方案

想一想:实验的研究对象是哪一个?需要哪些实验仪器?

议一议:如何在光屏上呈现完整的像?如何去探究凸透镜成倒立、缩小、放大或等大的实像的条件?如何判断光屏上所成像是否清晰?

在教师的引导下,小组成员相互讨论,逐步形成设计方案，学生积极交流实验设计方案,教师科学、客观地给予评价。

(2) 确定实验方案

在小组充分讨论、交流之后,教师引导学生选择合理的、操作性强的实验方案。

(3) 设计实验记录表

学生自主设计实验记录表格,并利用实物投影仪交流展示,学生评价各自的优点和缺点。在教师引导下,完成实验记录表的设计(如表1)。

表1 实验记录表 (凸透镜焦距f=10cm，物体大小H=3.4格)

设计意图:教师引导学生自主制定探究计划,促使学生明确实验的研究对象、实验仪器、实验过程、处理实验数据的方法和思路,为实验操作奠定基础,增强探究结果的可靠性和科学性。

3.3 合作解疑:运用探究型“非常规”实验,实施自主探究

维特洛克的“生成学习理论”指出：当人们能够自己生成一种学习策略,并为学习中的认知加工做好充足的准备,那么他就能进行更加深入的学习。在教师的引导下,学生运用探究型“非常规”实验，动手操作、收集证据,以验证自己的猜想和假设,体验科学研究的一般过程,其内容主要包括:具有实验操作的安全意识,会正确使用实验仪器并记录实验数据，对实验结果进行评估等,最终大家合作解决疑问。正如基于社交伙伴的动机理论中所说：“当学生把教师视为共同学习的社交伙伴时,他便会更加努力学习”。

活动四 动手操作与收集证据

根据实验方案,学生2人一小组,给每组提供一套实验装置、一张实验工作单,学生自行选择器材，探究凸透镜成倒立、缩小或放大实像的规律。同时,要求学生将实验情况及时填写在实验工作单上,并将数据汇总在黑板上的大白纸上,对应的实验情况用自制磁条粘贴呈现在数轴上(如图4)。在小组动手操作、收集证据的过程中,教师巡回指导。

图4

设计意图:通过学生自主实施探究实验,检验猜想、实验方案的可行性，提高了学生的动手实践能力,增强了小组合作的团队意识。

活动五 处理数据，总结规律

学生分析表格中的实验数据及其图像,总结出：(1) 光屏上成缩小、倒立实像时,物距、像距分布的大致范围;(2) 光屏上成放大、倒立实像时,物距、像距分布的大致范围。然后，根据已知凸透镜焦距为10cm,分析归纳出:(1) 凸透镜成缩小、倒立实像的条件;(2) 凸透镜成放大、倒立实像的条件。接着,在桌面上提供一个与发光二极管一样大小的“F”字板(如图5),借鉴平面镜所成的像与物是等大的思想方法,引导学生去验证凸透镜成倒立、等大、实像的条件。最后,基于探究得到的数据表格,总结出凸透镜成实像的规律。

图5

设计意图:通过表格与图像建模相结合的方式处理数据,让学生体验采集信息从个别到一般、抽象到直观的方法，特别是利用手绘等大的“F”字，基于平面镜成等大像的思想方法，突破教学中的难点，促进学生自主发现物理规律。

3.4 反馈释疑:利用应用型“非常规”实验,助力学以致用

基于目标的动机理论指出：“当学生的学业目标是良好的表现(表现取向目标)或是掌握学习材料(掌握取向目标),而不是避免较差的表现(表现回避目标)时,他便会更加努力学习。”义务教育物理课程标准中提出的基本理念之一为：“从生活走向物理，从物理走向社会”。学生找到物理规律后,教师巧妙设计与生产、生活紧密联系的问题,让学生自主探究，解释相关问题,有利于把物理知识应用于生产、生活中。

活动六 理论联系实际,学以致用

教师利用自制照相机给学生“拍照”,让学生分析出“底片”上的“人”是通过凸透镜所形成的像,然后提供照相机模型:镜头、暗箱和光屏(如图6),让学生组装照相机，进行拍照,感受照相机成像特点与原理。

图6

图7

教师介绍桌面上的绘图幻灯机实验器材(如图7),让学生动手体验绘图幻灯机对胶片的投影,感受幻灯机成像特点，明了其中的物理原理。同时,引导学生思考：如果要放大凸透镜所成的实像,如何调节物距与像距？通过讨论，得出结论:凸透镜成实像时,物距减小,像距增大,实像将变大,反之其也成立。

设计意图:巩固、拓展所学的凸透镜成实像规律,感受物理在生活中的应用,激发学生学习兴趣,提高其问题解决的能力。

4 结语

基于教学实践,笔者提炼了“创设情境,产生疑问→方案设计,探究疑问→合作实践,解决疑问→学以致用,解释疑问”的操作流程,学生在经历实验探究的过程中,不仅掌握了物理知识、技能,更重要的是激发了他们的学习动机,落实了培养学生的核心素养的课程目标。