基于體驗的物理實驗教學情境設計策略
——以“用干冰做升華和凝華實驗”研究為例

申 潔

(蘇州市振華中學 江蘇 蘇州 215006)

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基于體驗的物理實驗教學情境設計策略
——以“用干冰做升華和凝華實驗”研究為例

申 潔

(蘇州市振華中學 江蘇 蘇州 215006)

基于體驗的物理實驗教學情境設計是運用科學思維方法對物理實驗進行創新開發與優化設計，以體現實驗教學對提高學生科學素養的意義，某種程度上是教師將自身教學思想和理念通過情境設計進行顯性化的表達.

體驗 實驗教學 情境設計 干冰 升華凝華

體驗是現代教學的重要特征，基于體驗的物理實驗教學情境設計，是將視覺形象與特定意義結合，有效引起學生的視覺關注，從而激活思維，深化理解，當學生被實驗情境所感染，其思維進入特定狀態時，實驗教學能取得預期效果，達到預期目標.如何創設基于體驗的物理實驗教學情境，本文以“用干冰做升華和凝華實驗”研究為例，闡述設計的基本策略.

1 情境可視化策略

基于體驗的物理實驗教學情境，其主要特征在于實驗情境的可視性，可視性的意圖是讓學生通過視覺體驗，從物理現象的情境狀態進入物理問題的思維狀態，進而在物理思維基礎上產生物理思想.

初中物理教材中的“升華和凝華”實驗通常用“碘錘”來做，演示實驗的可視性效果不太理想，實驗的趣味性與生成性較缺乏.考慮到初中學生的學習特點，筆者嘗試對該實驗進行情境開發與設計，“用干冰做升華和凝華實驗”的設計正是基于此，具體體現如下.

1.1 微情境——建構微而精的實驗模型

“用干冰做升華和凝華實驗”利用深色小玻璃瓶、氣球、少量干冰等簡易器材進行設計.干冰放入小瓶內，氣球套在瓶口，組合成一個微實驗裝置模型,

如圖1所示，這個模型簡單、直觀、可視.當觀察者觀察到瓶口氣球慢慢變大時，會聯想到這是“固態干冰變成氣態二氧化碳”所致，而瓶子表面生成的一層“白霜”，能引發學生思考“白霜是怎么形成的”.最后將瓶內剩下的干冰倒出，又會發現瓶內干凈無液體，誘導學生聚焦問題的關鍵——“物質可以由固態直接變成氣態，或由氣態直接變成固態”.實驗裝置雖簡易，但微小精巧，不僅能有效呈現物理現象，利于學生獲得相應的物理結論，形成物理觀點，更重要的是突出了實驗教學直觀可視的特點.

圖1 微實驗裝置

1.2 深體驗——豐富學生的過程性學習體驗

豐富并深化學生的學習體驗，目的在于為學生提供特定的問題思維空間，使學生順利進入真實物理現象表達和物理思維交流的情境之中.

“用干冰做升華和凝華實驗”，利用的器材是學生身邊比較熟悉的物品，所設計的實驗情境容易引起學生關注，學生的課堂參與度高(圖2)，興趣濃，印象深，對“升華和凝華”相關知識原理的接受和理解比較透徹.學生在觀察現象的過程中能夠積極表達自己的觀察感受并進行探討，發表各自不同的見解，提出實驗改進的方法，包括如何安全取拿和存放干冰等實驗步驟的完善等.由于學生課后能自行獲得實驗器材，因此激發了他們課外進一步探究的動機，小組合作探究的空間得到拓展，學習的自主性體驗更為寬泛.

圖2 學生積極參與實驗

2 科學思維方法應用策略

基于體驗的物理實驗教學情境設計合理運用了科學思維方法，能夠有效促進教師將自身教學思想和理念通過情境設計進行顯性化表達，并轉化為可行的教學行為.這里主要闡述思維的發散性與逆向性對實驗情境設計的影響.

2.1 發散性——突破實驗設計的思維定勢局限

從心理學層面界定，發散思維是創造性思維的主要特征，表現為思維的視野廣闊多維，發散遷移.“用干冰做升華和凝華實驗”，就是“思維發散”與“同中求異”方式的有意識應用.

干冰制造舞臺“煙霧”效應以及用于“人工降雨”是大家耳熟能詳的生活現象，利用網絡資源可搜索查詢到許多干冰趣味實驗的視頻素材，但作為實驗教學情境設計的研究資料并不多.鑒于此，筆者及所在教研組的教師充分發揮集體發散思維的智慧優勢，對“用干冰做升華和凝華實驗”進行了專題研討.前期先從實驗器材選用切入，瓶子及氣球的大小、形狀及顏色，干冰放置的多少等，都經過了反復的效果比較，為了更清晰地顯示“干冰升華的同時瓶子周圍出現水蒸氣凝華與液化現象”，大家進行了深入細致地觀察，發現“深色藥瓶、氣球、干冰”這些非常規實驗器材的選用保證了較為理想的實驗效果，更重要的是突破了傳統實驗器材選擇的思維定勢局限，而由實驗研發的預設效果及其實驗生成現象萌發的意外欣喜，也讓教師獲得了思維創新帶來的快樂體驗.

從原先實驗研發“瓶口的氣球變大可說明干冰升華”，到“能否使瓶子外壁的白霜和周圍的白霧更明顯”，再到“用特殊燈光照射是否能使實驗現象更清晰”，情境設計的思路不斷發散和深入，且層層落實，凝華和液化現象的可視化呈現成為該實驗設計的重點，設計方案也有所變化和遷移.

2.2 逆向性——從常規實驗現象呈現的相反方向思考

從相反方向思考問題的方法稱為逆向思維，也稱做反向思維，客觀世界的許多事物之間都具有這樣的特征.

研究“用干冰做升華和凝華實驗”過程中，最初的情境設計是為了說明干冰升華后的二氧化碳氣體能將氣球撐大，考慮到二氧化碳氣體直接凝華的溫度必須非常低，所以實驗設計沒有考慮如何呈現干冰氣體的凝華現象.但由于干冰升華迅速吸熱的緣故，筆者在實驗研究過程中發現瓶子的底部和外側出現了“白霜”，受逆向思維指引，筆者認為不妨就用這套微型實驗裝置，在完成“升華”現象實驗的同時完成“凝華”現象實驗，經過反復研究與改進，使得瓶子周圍的水蒸氣凝華成“白霜”附著在瓶底及瓶壁上的現象非常明顯(圖3)，為學生觀察現象，產生認知沖突創設了情境條件，相關問題及思考自然形成，“白霜是從哪里來的？”“白霜是干冰嗎？”“白霜究竟是什么？”由于實驗情境的生成性強，無形中提高了對學生思維靈活性與綜合性的要求，因此課堂教學場景更為精彩生動.

圖3 附著在瓶壁與瓶底的白霜

上述實驗情境設計并沒有現成的路徑可循，但依據思維的發散性與逆向性進行實驗設計，或許是設計者進行實驗創新的有益途徑，也是科學思維方法應用于實驗教學的實踐例證.

3 資源選擇的多樣與整合策略

基于體驗的實驗教學情境設計沒有現成的實驗室器材可套用，立足的是非常規實驗器材的開發與選擇，需要合理利用并有機整合生活資源進行實驗設計，體現“從生活走向物理，從物理走向社會”的課標理念，彰顯物理教育大師朱正元先生倡導的“瓶瓶罐罐當儀器，拼拼湊湊做實驗”特色.下面主要闡述如何從開放性與系統性角度考慮實驗情境設計.

3.1 開放性——從實驗器材資源選擇的多樣性出發

開放性是指可以在相當多的空間范圍去進行思考和拓展，以達到對事物更深入的闡釋和理解.

在“用干冰做升華和凝華實驗”研究過程中，教研組的一位教師先是將干冰直接放在氣球內進行實驗，以觀察干冰升華后使氣球變大的現象，同時觀察“白霜”在氣球壁上附著的情況，隨著氣球變大，“白霜”形成的效果并不明顯.筆者此時想到了能否將干冰裝在瓶子里，“白霜”在瓶壁上附著的效果可能會好一些，于是用了化學實驗室的試劑瓶進行實驗，但試劑瓶是白色透明的，當“白霜”在瓶壁上形成薄薄一層時，演示實驗的觀察效果仍然不理想，又從對比的角度考慮，筆者聯想到了深色玻璃藥瓶，將干冰裝在深色藥瓶里后，瓶壁的“白霜”得到襯托，現象明顯了，凝華現象的可視性意圖得到了實現.

雖然實驗現象本身不復雜，但研究過程中對于器材的選擇與改進，折射出的是設計思想的不斷完善與升華，從資源選擇的多樣性出發，選擇實驗器材如果只局限于傳統的實驗室器材，或者拘泥于現成的實驗資源，沒有開放性選擇意識，很難獲得實驗情境設計的創新效果.

3.2 系統性——從實驗效果的整體優化角度考慮

在“用干冰做升華和凝華實驗”研究過程中，筆者發現在瓶子底部出現“白霜”的同時，伴隨有“白霧”和瓶底“白霜”飄落形成的“下雪”現象，為了使“下雪”的景象更靈動，筆者想到了“燈光效應”，于是用強光手電筒配置綠色玻璃紙，在瓶子底部打出綠色燈光，以增強“下雪”現象的可視性，造就出“紅氣球+綠光+白霜+白霧”的景致，若從審美角度看這個實驗情境設計，達到了可欣賞的境界.

實驗教學情境設計的整體優化是系統性工程，不僅要考慮實驗設計應達到的教學目標，完成實驗教學的基本任務，更應追求超越實驗設計的教育效應，如創新、審美意識的滲透與培養等.

4 目標達成策略

基于體驗的實驗教學情境設計始終以“三維教學目標”為導向，尊重學生的學習現狀與認知水平，將“知識與技能”、“過程與方法”、“情感態度與價值觀”三維目標有機結合，融為一體.從“知、情、意、行”諸方面落實教學目標的有效達成，具體表述如下.

4.1 知與情——傳授知識與培養情感態度目標的統一

筆者認為，“三維教學目標”中“知識與技能”、“過程與方法”、“情感態度與價值觀”是相輔相成的，就培養學生核心素養而言，缺乏“情感態度與價值觀”的教學情境設計是沒有生命活力的.

雖然“用干冰做升華和凝華實驗”設計的教學定位是研究“升華和凝華”現象，在保證實驗效果理想的前提下，學生通過觀察現象能比較順利地達成知識層面的學習目標，在此基礎上，筆者認為還需要關注情境設計對于學生情感態度與價值觀層面的深層次影響，即如何從“物境”進入到“心境”，真正激發學生的學習興趣與內在學習動力，提升學生的科學思維能力.“用干冰做升華和凝華實驗”，不僅讓學生認識了“升華和凝華”現象，明白了其中的物理原理，更重要的是讓學生獲得了不一般的學習體驗，如“氣球可以用干冰吹大”，“霜是這樣形成的”，“雪花原來是這樣飄落的”，沉浸于生動形象的情境中學習，學生興味盎然，樂在其中，意猶未盡.“干冰還能做其他實驗嗎？”“去冰琪琳店買些干冰，自己再試試下雪現象形成……”，興趣激發后，學生的問題意識及課后自主探究意識明顯增強，思維的深度與廣度也隨之得到提升.

4.2 意與行——促進學生認知及學習行為變化

實驗教學的目的是讓學生在認識物理現象，明確實驗原理的基礎上，領悟實驗過程中蘊涵的科學思想方法，形成科學態度.實驗教學情境設計的意義在于通過情境性的實驗教學促進學生認知及學習行為的變化.

“用干冰做升華和凝華實驗”，對學生既是一種認知水平提升的情境體驗，也是促進學習行為變化的“催化劑”應用.許多學生聽說過干冰，但多數沒見過干冰，更沒有用干冰做過實驗，其認識水平局限于書本中的干冰介紹及前概念中“冰”的概念干擾.因此，引導學生近距離認識干冰并了解它的作用已經超越了實驗本身的意義，即實驗不是單純為了讓學生看到利用干冰可顯示“升華和凝華”現象，好的教學情境設計應著眼于學生認知水平的提升與完善.筆者通過這個實驗情境，讓學生完整經歷了“可以在‘哈根達斯’買到干冰，可以用藥瓶和氣球做實驗顯示器，可以看到手電筒綠光照射下凝華形成的‘下雪’現象，還可以看到液化形成的‘白霧’……”，學生在此過程中獲得的非常態學習體驗和認識水平提高是不言而喻的.令人可喜的是，學生學習行為伴隨實驗興趣的激發而發生著變化，有學生課后自己設計實驗和父母一起體驗，加深了對實驗創新的理解，獲得了直接經驗的積累，還有學生遇到疑難習題會自覺想到利用身邊的生活物品做實驗來突破難點，解決問題等，實驗探究的意識有所增強.

5 反思與評價策略

基于體驗的實驗教學情境設計是在實驗教學過程中不斷探索，反思，改進，優化的.筆者經歷教學實踐研究多年，切身感受到教學設計是“反思+評價”，“優化+交流”的教學成長過程.

5.1 反思+評價——教學設計完善的必然過程

基于體驗的實驗教學情境設計不是純粹的實驗設計，“體驗性”是情境設計的重要特征，如何突出情境的“體驗性”是一種創造性的智慧顯現.

“用干冰做升華和凝華實驗”，為了讓學生觀察到“凝華”現象發生后的“下雪”現象，筆者起初基于經驗思考，嘗試讓“白霜”積得厚些掉下來，但事實上，積得厚厚的“白霜”只是隨機下落，“雪花”很小，室內自然光照下幾乎觀察不到“下雪”現象，筆者設想飄落的“小雪花”是否在特殊燈光照射下就容易看到了，于是嘗試用強光手電配綠色透明紙打出綠光照射，發現確實能較好地襯托出凝華形成的“下雪”現象，同時還試了紅光和藍光，對比后覺得綠光效果最佳.燈光在這個實驗中的選擇應用就是在實驗效果評價基礎上通過反思，對實驗條件不斷改進與完善的結果.

5.2 優化+交流——教學設計應有的姿態

基于體驗的實驗教學情境設計是筆者在教學實踐基礎上持續研究的創新性實驗教學課題，“用干冰做升華和凝華實驗”情境設計是研究成果之一，該研究成果在全國創新教具交流及評比中展示并獲獎，得到同行的好評，在與同行交流與分享的過程中，研究成果得到了進一步的優化與提升，同時課題研究的內涵也在不斷地升華.

6 結束語

筆者認為，基于體驗的實驗教學情境設計，是充滿教育智慧的科學性與人文性相融合的創造性活動，折射出的是自身教學信念的一種堅守，對實驗教學的一種創新性探索，也是對教學藝術的一種執著追求.

1 王小燕.科學思維與科學方法論.廣州：華南理工大學出版社，2003

2 鄭金洲．教學方法應用指導.上海：華東師范大學出版社，2006

3 汪明.基于“情境體驗”物理教學實踐研究.中學物理：高中版，2012(03)

*中國教育學會物理專業委員會2013—2016年全國物理教育科研重點課題“體驗性物理實驗教學情境創設研究”研究成果之一.

申潔(1962- )，女，中教高級，主要從事中學物理教學及研究.

2016-10-19)