物理實驗在創設問題情境中的作用

瑞士心理學家皮亞杰以內因與外因相互作用的觀點提出了兒童認知發展學說。皮亞杰認為：兒童在與周圍環境相互作用的過程中，逐漸建構起關于外部世界的知識，從而使自身認知結構得到發展。皮亞杰在此基礎上創立了建構主義理論，建構主義認為知識不能簡單地通過教師傳授得到，學習總是與一定的“情境”相聯系。在實際情境下進行學習，可以使學習者能利用自己原有認知結構中的有關經驗去“同化”當前所學的新知識，并賦予新知識以某種意義；如果原有經驗不能同化新知識，則要引起“順應”過程，即對原有認知結構進行改造與重組。通過“同化”與“順應”，最終達到對新知識的意義建構。

建構主義為和諧課堂的教學設計提供了一種導向性的理論框架。筆者認為，和諧課堂應該是富有生命力的，而課堂的生命力來自對問題的敏感、好奇，來自情不自禁的、豐富活躍的猜想和假設，來自不同觀點的碰撞、爭辯、啟迪和認同。這就要求教師努力創設情境，讓學生在真實或模擬真實的情境中經歷體驗與感受的過程，產生對所學內容的意義建構，獲得知識與技能的進步。

因此，情境創設是教師教學設計中最重要的內容之一。在物理教學中，由于物理學科所特有的、非常鮮明的“以物明理和物理滲透”的特點，生動活潑、內涵豐富的物理實驗更是創設問題情境、激發學生智慧的最佳選擇。

美國著名教師哈里德·顏森有句被經常引用的格言：“講給我聽，我將忘記……演示給我看，我將記得；與我有關，我將要學……”

這是對學生學習心理狀態的非常精辟的描述。盡管物理學與日常生活密切相關，但許多學生在學習物理時，仍感到枯燥無味，其根本原因就在于教師在授課中往往偏重于演繹推理，而輕視直觀教學。教學實踐表明，學科本身并不能激發起學生學習的興趣，為了充分調動學生學習的熱情，讓學生積極地參與到學習的全過程中來，教師的想象力以及所教授的內容和方法必須生動活潑、富有情趣。

筆者在多年的物理教學實踐中體會到，努力開發物理實驗的功能，有機、有意并適時地引入形象生動、富有情趣而又能催人深思的物理演示實驗或隨堂實驗，可以有效地創設問題情境，形成自主、探究和合作學習的氛圍，真正打造出團結、緊張、嚴肅、活潑的和諧課堂。

一、努力激發學生思維的熱情

問題情境是物理教學的出發點，一個實際的問題可以超越模式識別，引發思維。因此，以“情境”為中心設計物理實驗，展開物理過程，是物理教學中最常用的方法。

比如，學習“平拋運動”時，學生已具備“運動的合成與分解”的基本知識，但對曲線運動還沒有足夠的認識。如何給學生創造一個適宜的問題情境，激發其積極發現問題、提出問題進而探究與解決問題的熱情，是教師面臨的首要問題。為此，筆者設計了如下教學片段。

1.播放“請你來當飛行員”的flash動畫（飛行員在沿水平方向勻速飛行的飛機上投彈，轟炸地面上沿與飛機同方向做勻速直線運動的汽車，如圖1所示）。

2.讓學生甲在該動畫上按按鈕扔炸彈炸汽車。

3.為什么甲同學的命中率會這么低？

4.有什么規律可尋嗎？

5.將畫面“定格”在飛機下方有3枚炸彈的情境。想一想：有什么發現？

6.你認為怎樣投彈才能提高命中率?

7.組織學生進行認真分析與討論后，提出問題：（1）飛機做什么運動?（2）飛機上投下的炸彈做什么運動?（3）炸彈的運動軌跡是怎樣的?（4）炸彈在地面上的彈坑是怎么分布的?

8.引導學生尋找解決問題的途徑。

9.利用平拋運動實驗儀進行分組實驗并得出：平拋運動可以分解為水平方向的勻速直線運動與豎直方向的勻變速直線運動。

10.要求學生寫出描述炸彈運動規律的數學表達式。

11.給視頻中的有關物理量賦值，要求學生運用剛才得出的物理規律進行計算。

這樣的教學，充分激發了學生的好奇心，學生們積極參與的熱情像火山一樣迸發出來了，為教學過程的有效展開創設了良好的情境。

二、竭力提升學生思維的水平

在課堂教學中，如果教師能設法使學生理解所學內容的認知要求、社會要求和情感要求，其學習效果就會大大提高。教師要善于引導學生在完成學習任務的過程中不斷地提出與學習任務間存在某種必然聯系的假設，讓學生進行選擇、利用和強調，使學生在解決問題的過程中，在思維方式上漸入佳境、走向成熟。

例如，在“光電效應”的教學中，做好光電效應演示實驗是關鍵。用紫外線照射鋅板，鋅板由于飛出電子帶正電，在其附近形成的電場將把電子吸附回去，鋅板電子逸出和返回這對矛盾著的運動很快達到動態平衡，從而很難使驗電器指針明顯地張開。為了使學生親眼看到光電效應現象，使其思維活動隨著教學內容的深入而拉開，筆者設計了如下的教學片段。

1.將一塊用細砂紙擦亮的約12cm×15cm大小的鋅板直接扣在指針驗電器的金屬小球上，如圖2所示。

2.使鋅板帶上負電荷（驗電器指針張開）。

3.用“220V 8W”的紫外燈照射鋅板，結果驗電器指針逐漸閉合后又張開。

4.為什么會發生這種現象？

5.提出光電效應的概念。

6.光電效應現象的產生是否需要滿足一定的條件？

7.用功率很大的紅外燈照射鋅板，結果沒有產生光電效應現象。

8.是不是只要用紫外線燈照射金屬時就會產生光電效應現象？

9.將鋅板換成銅板，用紫外燈照射時未發生光電效應現象。

10.引導學生對上述信息進行綜合分析，得出相應的結論。

在這個教學方案的設計中，抓住物理過程發生、發展和變化的過程設置教學環節，整個教學過程環環相連、絲絲入扣、一氣呵成，學生的注意力高度集中，在緊張的思考過程中，科學思維方法得到了有效地訓練。

三、積極引導學生思維的方向

物理實驗離不開理性思維的引導與支持。在物理教學中，要堅持物理實驗與思維同步進行并使之交互感應的原則，使實驗觀察活動真正為思維活動提供豐富的感性素材，也使理性思維為實驗研究提供良好地導向作用，從而使課堂活動內容豐富、氣氛和諧，也更有情趣，并將學生的思維水平推向更高的層次。

例如，在“自感現象”一節，從電磁感應內容的知識結構來看，既是前面所學主干內容的擴展，也是楞次定律的一個具體的應用。如果單從知識方面看，不存在什么障礙，但對學生來說，由于缺乏生活經驗的支撐，往往感到難以把握。因此，為了有效地幫助學生進行知識建構，降低學習的難度，筆者設計了如下教學方案。

1.引入課題：（先出示如圖3所示的實驗裝置，其中A1、A2是兩個相同規格的小燈泡）將s閉合后，調節滑線變阻器R，使兩燈亮度相同。問：斷開電鍵s，當再次合上電鍵s時，會出現什么現象？

2.學生思考：要求學生先獨立思考，而后以四人小組為單位展開討論。

3.實驗展示：（在學生經過認真地思考與討論，并得出初步結論的基礎上進行實驗）小燈泡A2立即正常發光，而小燈泡A1卻慢慢地亮起來，直至正常發光。

4.現象描述：要求學生陳述實驗現象。

5.建立概念：引導學生建立自感現象的概念，分析產生自感現象的原因。

6.實驗變式：（先讓學生思考）把電路中的線圈換成匝數少得多的線圈后，重復上述操作過程，會出現什么現象？多數學生還是認為：小燈泡A2將立即正常發光，小燈泡A1慢慢達到正常發光。少數學生考慮到老師提出這樣的問題肯定事出有因，但又不知其所以然，因而選擇沉默。那么，到底會出現什么現象呢？進行實驗后，發現根本沒有出現延遲發光的現象。

7.深入研究：這是怎么回事呢？是否根本就沒有產生自感現象呢？引導學生進行分析討論后，學生們統一了認識：這種情況下，也會產生自感現象。只是由于線圈的自感系數L太小，回路內產生的自感電動勢太小，對通過小燈泡A1的電流的阻礙作用不明顯，因而也就不能看到明顯的實驗現象。真是這樣的嗎？

8.實驗揭密：將小燈泡A1、A2分別換上電流傳感器后進行演示。結果物理本質一覽無遺。

9.知識遷移：（組織學生通過自主、探究與合作學習）用類似的方式分析斷電自感現象。

10.拓展應用：通過分析日光燈電路、精密電阻可采用雙線并繞清除自感現象的事實，達到拓寬與鞏固知識信息的目的。

在這個教學方案的設計中，注重了知識的建構，并通過有意識地設置物理情境引發學生的認知沖突，讓學生在不斷地矛盾與斗爭中，增強問題意識，提高分析問題與解決問題的能力。

四、刻意營造互動的氛圍

新課程倡導自主、探究和合作學習的教學理念。自主學習強調培養學生主動、獨立地獲取知識的能力，為學生自主發展和適應社會奠定基礎;探究學習強調培養學生探究未知世界的能力，為學生能夠創造出更多的新的思維產品積蓄力量；合作學習則強調協作與分享的精神，為學生在社會性群體中的適應和發展作準備。

自主學習、合作學習和探究學習反映了三種不同的價值取向，教學中，要充分利用這三種學習方法的優勢。可以首先鼓勵學生對學習內容進行自主學習；如果自主學習過程中產生疑問，就鼓勵個體開展探究性學習；如果個體研究還不足以解決問題，再引導學生開展小組或集體合作的探究學習，直至問題的解決，從而更好地促進學生的發展。

我們要根據教學內容和學生的實際情況設計教學方案，有效地調控學生的學習行為。在合作學習中，可以通過先讓學習小組內各成員間相互質疑，并通過采取或小組、或個人、或競賽、或強化、或辯論、或演示、或操作等豐富多彩的釋疑方式，達到合作達標的目的。

例如，“電磁振蕩”一節，既是“電磁波”一章的核心內容，又是教學的重點和難點。學生對振蕩電流的產生普遍感到難以想象，加之振蕩電路內與電流相關的磁場、磁場能及與電荷相關的電容器兩板間的電壓、電場和電場能等物理量在不斷地變化與轉換中，許多學生都有一種如墜霧里的感覺。因此，教師在授課中，既要適時地通過實驗、動畫等手段給學生提供表象，也要對這些物理量進行歸類，并抓住能量轉化這條主線，幫助學生把所學的新知識與已有的知識聯系起來，為學生順利突破難點、把握問題的關鍵環節奠定基礎。為此，筆者設計了如下的教學方案。

1.引入課題：我們從麥克斯韋電磁理論知道，非均勻變化的電場或非均勻變化的磁場會產生電磁波。那么，非均勻變化的電場與非均勻變化的磁場又是怎樣產生的呢？

2.學生思考一：（先用投影展示人教版新課標選修3-4教材P78頁的圖14.3-1，但將電路圖中的線圈L換成電阻R）先把電鍵s扳向1，稍后，再扳向2后，會發生什么現象？

3.學生思考二：把電路中的電阻R換成自感系數L較大的線圈后，重復上述操作，又會產生什么現象？

4.學生實驗：（在學生充分思考與討論的基礎上）組織學生進行分組實驗，教師巡回指導。

5.現象描述：（讓學生描述實驗現象）電流計指針來回擺動，但擺動幅度不斷減小，且只擺動幾下就停止了。

6.現象解釋：請你解釋產生這種現象的原因。

7.學生思考三：你能用圖像來描述電路中電流的變化規律嗎？

8.學生思考四：你能設法使電流計指針等幅地擺動起來嗎？

9.集體討論：你認為電路中的電流隨時間變化的關系是怎樣的？如何進行驗證？（讓學生畫出圖像，提出檢驗的方案）

10.實驗驗證：（在學生充分思考與討論，提出實際檢驗方案的基礎上）用傳感器或示波器進行實驗，如圖4所示。

這樣的教學活動，探究任務明確，課堂活動安排合理，使反映教材內容的“知識序”、反映教學要求的“教學序”和反映學生思維特點的“認知序”三序合一，從而有效地完善了學生的認知過程，促進了“三維教學目標”的達成。

五、精心打造合作學習的環境

問題解決是認知的核心，教師教學水平的高低主要表現在引導學生解決問題過程中提取蘊含知識的能力上。著名心理學家和教育家皮亞杰認為知識既不是來自主體，也并非來自客體，而是在主體與客體之間相互作用的過程中構建起來的。一方面，新經驗要獲得意義需要以原來的經驗為基礎；另一方面，新經驗的進入又會使原有的經驗發生一定的改變，使它得到豐富、調整或改造，這是雙向建構的過程。這就要求教師針對具體的教學內容設計出具有思考價值和實際意義的問題，引導學生個體與群體去思考、去嘗試解決問題，在這一過程中，促進學生對問題的解決。

例如，“變壓器”的內容，既是電磁感應內容的延伸也是交變電流的重點。對理想變壓器工作原理及電壓公式、電流公式的適用條件，學生往往難以把握。為此，在“變壓器”的教學中，既要通過有效的實驗設計幫助學生建立表象，又要引導學生建構通過聯系的觀點有序地運用電路、電磁感應及能的轉化與守恒等知識解決問題的思路。為此，筆者通過如圖5所示的教學結構展開教學過程。顯然，要突破教學難點，順利完成教學任務的關鍵是要把握好探究的環節：1.原、副線圈中的磁通量間有何關系（見圖6）；2.原、副線圈兩端的電壓間存在什么關系。

為此，在積極創設問題情境的原則下，在突破關鍵環節的教學中，筆者設計了如下教學方案。

1.引入課題：原線圈接交流電源，副線圈中放上拾電圈，小燈亮。

2.試電筆接觸鐵芯，不亮。用手觸摸鐵芯，安全。

3.鋁環放入原線圈，鋁環騰空而起。

4.閉合鐵芯，放于副線圈中的拾電圈上的燈更亮。

5.現象描述：讓學生描述實驗現象。

6.現象解釋：請你解釋產生這種現象的原因。

7.提出問題：變壓器原、副線圈中的電壓間存在著什么關系呢？（讓學生思考，可進行適當的引導。）

8.演示實驗：原線圈接交流電源，把線圈A、B、C中的導線圈依次分別一圈圈地放入鐵芯中，分別記下放入鐵芯的線圈的匝數n，讀出電壓表中相應的示數U（讓學生設計表格進行記錄）。

9.原理分析：分析實驗數據，得出有關結論。

10.學生思考：鐵芯有什么作用？（組織學生進行思考并分組討論后，進行實驗展示。）

……

這樣的教學，增強了教學直觀性和互動性，平滑了思維的坡度，也提高了學生分析問題和解決問題的能力。這也是新課程所倡導的重視過程與方法教學的具體體現，對學生問題意識的形成也會產生深遠的影響。

知識不是線性的，學生的學習過程也不是線性的。學習沒有統一的標準，也沒有盡頭，在知識不斷增長的過程中，每個觀點、每個結果都只能是一個暫態函數。在課堂教學中，不管采用什么方法，教學質量和教學效益總是第一位的。如果教學改革是以犧牲學生的升學為代價，那這樣的教學改革是注定要失敗的。只有把握好教學規律，使課堂教學的內容、深度和節奏符合課標的要求，也適合學生的實際情況時，才能產生教學的效益。

教學就是要讓每個學生成為他自己，變成他自己。教學的根本目的，不僅在于幫助學生獲得知識，更是為了培養學生的創新意識、創新精神和實踐能力。這才是每個教師應該擔當的責任。我們要以主人翁的姿態投身到教學工作中去，通過我們創造性的工作，去帶動、感染和培養學生的創新意識、創新精神和創新能力。

（責任編輯 郭振玲）