基于“科学探究”素养的物理课堂实验教学设计

2020-07-01夏泳

物理通报 2020年7期

夏泳

(杭州市余杭中学浙江杭州 311121)

浙江省物理教研员、中学物理特级教师梁旭老师曾指出：“物理课堂教学中，教师要达成心中有学生，脑中有结构，手中有方法3个要求．”结合自身的课堂教学实践，笔者深刻地体会到这3个要求是分层级的，其中“手中有方法”是课堂教学的基础性要求，“脑中有结构”是课堂教学的系统性要求，“心中有学生”是课堂教学的本质性要求．

在物理课堂实验教学中，“心中有学生”同样应放在最本质的位置，不能将课堂实验作为教师的一项展示、表演活动，错误地认为学生只要看了实验，或做了实验，就能明白其中的物理原理，就获得核心素养了．

如何才能在课堂实验中落实好“心中有学生”这个教学的本质要求，笔者基于物理学科核心素养，在实验的教学设计上做了初步的实践和反思，获得了一些启示．笔者认为，物理课堂实验教学设计应基于物理学科核心素养中“科学探究”的几个关键要素来设计，笔者将其归纳为“现象，证据，思辨”三部分．

具体来说：现象是指教师创设直观、稳定的物理实验情境，诱发学生提出问题，形成猜想或假设；证据是指学生为验证自己的猜想或假设，去设计新实验、改造原实验，通过已学的手段或老师帮助下的手段，获取和处理信息，形成有力的证据；思辨是指学生通过独立思考或合作交流对获取的证据进行分析论证，证实、完善或推翻自己原有的猜想、假设，形成结论，甚至诱发新的探究．

课堂实验中，如果能沿着现象、证据、思辨这条线索，设计好符合实验知识序、学生认知序的教学脚本，就能让学生在课堂实验的探究中进入深度思考，无形中获取物理学科的核心素养，达成学为中心的教学要求．

下面，笔者以“牛顿第一定律”中的几个课堂实验为例，具体阐述如何开展基于“科学探究”素养的物理课堂实验教学设计．

1 伽利略的理想斜面实验

1.1 现象诱发问题

教师用绳子拉桌面上的小物块，一拉，物块移动，停止拉，物块马上也停下，反复几次．

师：物块的运动是否需要力来维持？说说你的理由？

(学生猜想：有的认为需要，理由是基于对实验的观察；有的认为不需要，理由是因为桌面摩擦力对物块的影响，物块才停下来，如果没有摩擦力，物块不会停下来．)

教师肯定学生们的各种猜想和解释，并介绍亚里士多德在2 500年前，也是基于观察提出了运动需要力来维持的观点．

1.2 寻找各类证据

(1)经验和理论证据

师：认为物体的运动不需要力来维持(因为摩擦力影响了它的运动)的同学，请你们寻找一些证据，来证明自己的观点．

学生提出的证据：1)科幻电影中，宇航员一旦有一个速度离开空间站，就会一直沿速度方向运动下去．2)如果减小摩擦力，比如冰壶或滑冰运动，冰壶和滑冰运动员只要有一个较小的初速度就能滑得很远．3)月球没有力推它，但一直在绕着地球转……

师补充：400多年前，科学家伽利略也提出了自己的证据，他认为，在不考虑其他因素的影响下，小球滚下斜面是加速，滚上斜面是减速，所以在水平面上，小球既不加速，也不减速，可以一直按原有的速度运动下去．

(2)实验证据

师：和亚里士多德的证据一样，我们提出的这些证据都只是我们对日常生活的观察和分析得到的，并不是真正的实验证据．我们能设计一个实验方案，找到更有力的证据吗？

学生设计的实验方案：设计一个很长很长的摩擦力可忽略不计的轨道(比如气垫导轨)，给滑块一个很小的初速度，滑块可以在轨道上一直运动下去．

师追问：轨道要多长才够长？气垫导轨真的没有摩擦力或阻力吗？现实实验条件中，能实现吗？

生：轨道要无限长，气垫导轨也还是存在对滑块的阻力的，现实条件下，这个实验是做不到的．

师追问：无限长和无阻力，在现实条件下确实是做不到的，那我们能否用严密的逻辑对自己的实验做一定的推理呢？

生：设计一个10～20 m的大型直轨道，让一个小球以相同的初速度从轨道一端出发，多次实验，逐渐减小摩擦力，可以发现小球越滚越远．可以推理出，摩擦力无限小时，小球能沿着轨道一直运动下去，不停下来．

师追问：这个推理依据对比的思想，非常科学，但还有两个问题要解决．一是小球每次相同的初速度如何获得？二是10～20 m的直轨道够不够长？同时，这么大的轨道在教室里实验也很不方便．有解决方法吗？

生：相同的初速度可以通过弹射器，用相同的压缩距离来弹射获得，或者让小球从斜面的同一高度滚下来获得．(轨道的长度问题不一定想得到解决方案．)

师补充：大家的实验方案都充满了智慧，让我们来看看400多年前，伽利略用了什么方法来设计这个实验的．

教师拿出伽利略的双斜面实验仪器，一边演示一边讲解．

师：伽利略也采用了让小球从斜面的同一高度下滑的方法来获得相同的初速度．但在解决直轨道的问题上，伽利略巧妙地设计了一个对接的双斜面轨道结构，如图1和图2所示，当小球从左侧轨道的一端某一高度滚下时，通过对比实验，可以推理得到，在完全没有阻力的情况下，小球能到达右侧斜面的相同高度处．在此基础上，如果减小右侧斜面的倾角，小球还是能到达右侧斜面的相同高度处，但向前运动的距离比之前远了，依次类推，如果继续减小右侧斜面的倾角，小球会运动得更远，那么可以推理得，如果将右侧斜面倾角减为零(即水平)，小球会不断向右运动下去．

图1 伽利略双斜面实验示意图

图2 伽利略双斜面实验实物图

1.3 思辨形成结论

师：伽利略的实验你们怎么评价？是否合理？是否可信？

生：伽利略的实验有一部分是实际条件下能做出来的，还有一部分是推理的．从逻辑上来说，推理部分符合初中学的能量守恒的观点，也符合逻辑关系，虽然不能真正看到完全无阻力的情况下，小球一直滚下去的情景，但对结论的推理可信度很高．

师补充：伽利略的这种研究方法我们可以归纳为“实验研究+科学推理”，我们可以在以后的科学研究中应用这样的方法．

师：基于以上讨论，你现在的结论是什么？

生：物体的运动不需要力来维持．

1.4 案例小结

在现象、证据、思辨的实验教学设计中，教师的每一个问题都要基于学生的认知诉求，不能跳跃，要给学生认知链的生成创造空间和连接点，同时，还可以将物理学家的研究思路融入其中，让学生经历或重演大师们的实验研究过程．证据的寻找是整个实验教学设计的关键，在这个案例中，证据可分为理论经验证据和实验证据两类，都要让学生充分地去经历，不能省略．

2 惯性的应用系列实验——以“如何从羽毛球筒内取出羽毛球”为例

2.1 现象诱发问题

教师拿出一筒羽毛球，打开两端的盖子，筒里面只放了一个羽毛球，如图3所示．教师假装用手伸进筒里去拿羽毛球，但球在筒的中间，教师的手又太大，拿不到羽毛球．

图3 羽毛球筒

师：请问大家，有什么办法可以将羽毛球从球筒的中间拿出来，但不要损坏这个球筒？并简单说说你采用这个方法的理由.

学生提出很多方法：(1)用力甩一下球筒，理由是靠“甩力”、离心力．(2)竖直拿球筒，上下震动，或者水平拿球筒，左右震动，理由是羽毛球的惯性．(3)一手握住球筒，另一只手用力多次拍打球筒的其中一个盖口，理由是羽毛球的惯性或者打羽毛球时的经验．(4)沿筒的方向快速移动筒，突然停止，反复几次，理由是羽毛球的惯性．