優(yōu)化設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)教學(xué)提升學(xué)科核心素養(yǎng)

黃火根

摘? ?要：進(jìn)階優(yōu)化設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)教學(xué)，能讓學(xué)生經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程，體會(huì)設(shè)計(jì)思想與方法，形成創(chuàng)新意識(shí)，提高學(xué)科思維能力，進(jìn)而提升學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn);進(jìn)階設(shè)計(jì);學(xué)科核心素養(yǎng)

引言

設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)[ 1 ]即指給定實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒁蠛蜅l件，由學(xué)生自行進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。如果能優(yōu)化此類(lèi)課堂的教學(xué)過(guò)程，進(jìn)行有意識(shí)的進(jìn)階設(shè)計(jì)[ 2 ]，充分挖掘其中的教育功能，則能很好地培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)思維能力，形成創(chuàng)新意識(shí)，進(jìn)而提升學(xué)科的核心素養(yǎng)。

下面就以?xún)?yōu)化四種類(lèi)型的設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例，淺談教學(xué)的進(jìn)階優(yōu)化設(shè)計(jì)，旨在改進(jìn)傳統(tǒng)教學(xué)的一些不足，以促進(jìn)課堂的有效生成，提升實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

1? 經(jīng)典設(shè)計(jì)型

卡文迪許扭秤實(shí)驗(yàn)，是物理學(xué)十大最美實(shí)驗(yàn)之一，其中蘊(yùn)含豐富的物理學(xué)思想與方法，對(duì)實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)的形成是一次很好的契機(jī)。但傳統(tǒng)的教學(xué)則是直接給出此實(shí)驗(yàn)裝置，教師點(diǎn)出其中的方法，學(xué)生則被動(dòng)接受，不能達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果。教學(xué)實(shí)踐中，筆者進(jìn)行以下的進(jìn)階優(yōu)化設(shè)計(jì)，起到了很好的效果。

問(wèn)題1：引力常量G為什么很難測(cè)量？如何解決這一問(wèn)題，提出你的設(shè)計(jì)？設(shè)計(jì)意圖：讓學(xué)生明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c設(shè)計(jì)方向，體會(huì)并思考測(cè)量的困難在哪里，為后面體驗(yàn)經(jīng)典的設(shè)計(jì)埋下伏筆。

問(wèn)題2：同學(xué)們共同討論與欣賞卡文迪許扭秤實(shí)驗(yàn)裝置，并提出你們的疑問(wèn)。設(shè)計(jì)意圖：提出問(wèn)題并為后面解決問(wèn)題做好準(zhǔn)備。

同學(xué)一：為什么要四球而不是兩球？同學(xué)二：為什么要用長(zhǎng)長(zhǎng)的T型架？同學(xué)三：石英纖維的作用是什么？平面鏡的作用又是什么？同學(xué)四：為什么要在密室里……

小組討論：共同討論并解決大家提出的問(wèn)題，提煉出實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法與思想。設(shè)計(jì)意圖：充分發(fā)揮學(xué)生主體地位，讓學(xué)生的實(shí)驗(yàn)思想與方法實(shí)現(xiàn)正向的遷移與應(yīng)用。

小組展示，教師總結(jié)：本實(shí)驗(yàn)用了二次放大法、轉(zhuǎn)化法等實(shí)驗(yàn)方法。

如此設(shè)計(jì)能最大限度地讓學(xué)生經(jīng)歷設(shè)計(jì)過(guò)程，體會(huì)到方法思想的形成過(guò)程，享受經(jīng)典實(shí)驗(yàn)之美，同時(shí)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)思維，提升實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)。

2? 改進(jìn)設(shè)計(jì)型

滑動(dòng)摩擦力的測(cè)量，初中的教學(xué)是用水平彈簧稱(chēng)勻速拉水平桌面上的木塊，根據(jù)二力平衡的知識(shí)，得出摩擦力大小即為彈簧稱(chēng)示數(shù)。高中本環(huán)節(jié)的教學(xué)則應(yīng)注重初高中的銜接，通過(guò)教學(xué)的進(jìn)階設(shè)計(jì)，引導(dǎo)學(xué)生逐步完善書(shū)本的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

教師：回顧并展示初中實(shí)驗(yàn)裝置與方法，同學(xué)們討論實(shí)驗(yàn)誤差來(lái)源及提出改進(jìn)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)意圖：注重學(xué)生知識(shí)的最近發(fā)展區(qū)，調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性，進(jìn)行有效思維。

學(xué)生一：很難控制勻速運(yùn)動(dòng)。學(xué)生二：不方便讀數(shù)。學(xué)生三：彈簧稱(chēng)下垂，導(dǎo)致示數(shù)指針與外殼有較大的摩擦，增大了實(shí)驗(yàn)誤差……

教師：針對(duì)以上誤差來(lái)源，同學(xué)們進(jìn)行討論并提出改進(jìn)措施及設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)意圖：發(fā)揮小組集體的智慧，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維。

小組改進(jìn)一：木塊不動(dòng)而讓下板移動(dòng)。設(shè)計(jì)理由是下板只要運(yùn)動(dòng)，兩者間就會(huì)產(chǎn)生不變的滑動(dòng)摩擦力同時(shí)也方便讀數(shù)。

小組改進(jìn)二：讓彈簧豎直固定，下端通過(guò)定滑輪與木塊相連接。設(shè)計(jì)目的是解決了小組一的彈簧稱(chēng)下垂導(dǎo)致的摩擦。

小組改進(jìn)三：用轉(zhuǎn)動(dòng)的皮帶代替下板，理由是下板長(zhǎng)度有限，讀數(shù)時(shí)間很短。

小組改進(jìn)四：用力的傳感器代替彈簧測(cè)力計(jì)。理由是用力傳感器測(cè)量更精確……

這樣的課堂優(yōu)化充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的思維，并在思維的碰撞中產(chǎn)生耀眼的創(chuàng)新火花，整個(gè)課堂給學(xué)生以全新的感受與體驗(yàn)。

3? 探究設(shè)計(jì)型

教材中楞次定律的得出，大部分教師則是先說(shuō)明實(shí)驗(yàn)?zāi)康模俳o出準(zhǔn)備好的器材，介紹器材，展示已設(shè)計(jì)好的表格，根據(jù)書(shū)本實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。如此探究則失去了教學(xué)應(yīng)有的效益，學(xué)生思維被動(dòng)，其中蘊(yùn)含的設(shè)計(jì)思想更沒(méi)有凸顯。

環(huán)節(jié)一：教師演示條形磁鐵先以N極向下插入螺線管，再以S極向下插入螺線管.目的讓學(xué)生感受到感應(yīng)電流方向會(huì)產(chǎn)變化。

環(huán)節(jié)二：引導(dǎo)學(xué)生猜想影響感應(yīng)電流方向的有關(guān)因素。經(jīng)討論歸納為與磁通量變化有關(guān)。

環(huán)節(jié)三：共同明確探究的目的即探究磁通量變化與感應(yīng)電流方向的關(guān)系。

環(huán)節(jié)四：小組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，包括原理的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)器材的選擇與設(shè)計(jì)、表格的設(shè)計(jì)。

環(huán)節(jié)五：討論交流設(shè)計(jì)的方案。討論焦點(diǎn)（1）：感應(yīng)電流方向的研究應(yīng)轉(zhuǎn)換為其產(chǎn)生磁場(chǎng)方向的研究，這樣探究方向轉(zhuǎn)換為探究感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向與磁通量變化的關(guān)系。討論焦點(diǎn)（2）：感應(yīng)電流方向與電流表指針偏轉(zhuǎn)方向的關(guān)系應(yīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行判斷，所以要明確螺線管的繞向。

環(huán)節(jié)六：小組自主實(shí)驗(yàn)。最后從實(shí)驗(yàn)得出的表格數(shù)據(jù)中共同討論得出感應(yīng)電流方向的規(guī)律。

這種進(jìn)階設(shè)計(jì)讓學(xué)生經(jīng)歷了猜想、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證猜想、得出結(jié)論的完整探究過(guò)程，注入了自己的思考與創(chuàng)新，教學(xué)效果顯著。

4? 開(kāi)放設(shè)計(jì)型

測(cè)重力加速度[ 3 ]的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，高三的復(fù)習(xí)課中很多此類(lèi)開(kāi)放型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，如能重視此類(lèi)設(shè)計(jì)的教學(xué)，將對(duì)學(xué)生形成知識(shí)的系統(tǒng)性及提升實(shí)驗(yàn)綜合能力有很大的促進(jìn)作用。

教師：請(qǐng)同學(xué)根據(jù)已學(xué)知識(shí)，討論并設(shè)計(jì)測(cè)量教室處重力加速度大小的方案。闡述原理及簡(jiǎn)單步驟。

設(shè)計(jì)一：紙帶法。原理：Δs=aT2。步驟：讓連著紙帶的重錘自由下落，測(cè)出相鄰兩計(jì)數(shù)點(diǎn)間的距離差，代入公式即可。

設(shè)計(jì)二：測(cè)重力法。原理：G=mg。步驟：用彈簧稱(chēng)測(cè)出已知質(zhì)量的鉤碼的重力。代入公式便可。

設(shè)計(jì)三：?jiǎn)螖[測(cè)量法。原理：T=2π。步驟：用螺旋測(cè)微器測(cè)出擺球的直徑，半徑加上繩長(zhǎng)即為擺長(zhǎng)。用累積法求出單擺30次全振動(dòng)時(shí)間Δt，根據(jù)T=，代入即求出g。

設(shè)計(jì)四：平拋法。原理：s=v0t，h=。步驟：用光電門(mén)測(cè)出水平拋出的速度，再測(cè)出小球下落高度與水平位移，代入公式g=即可。

設(shè)計(jì)五：滴水法。原理：h=gt2?g=。步驟：調(diào)節(jié)水龍頭閥門(mén)的大小，使得水滴與管口分離時(shí)，正好為前一滴掉落在瓷盤(pán)底部發(fā)出響聲的時(shí)刻，測(cè)量出連續(xù)N=30滴水落到盤(pán)里的總時(shí)間t總，算出T=及測(cè)出下落高度h，代入即可。

學(xué)生在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，綜合應(yīng)用了所學(xué)的知識(shí)，發(fā)散思維，形成設(shè)計(jì)，養(yǎng)成了獨(dú)立思考和正確判斷的良好學(xué)習(xí)習(xí)慣，提升了學(xué)科素養(yǎng)。

設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)在于設(shè)計(jì)，在于突出實(shí)驗(yàn)的思想和精髓，而不是具體的實(shí)驗(yàn)操作與步驟。教師應(yīng)提供一個(gè)自由、民主、和諧的課堂，通過(guò)優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)，讓學(xué)生各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰﹂L(zhǎng)時(shí)間得以訓(xùn)練，形成學(xué)科的思維方法，達(dá)到預(yù)期的教學(xué)目標(biāo)，進(jìn)而提高學(xué)科的核心素養(yǎng)[ 3 ]。

參考文獻(xiàn)：

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[2]柯曉露.基于“學(xué)習(xí)進(jìn)階”的物理概念教學(xué)[J].中學(xué)理科園地，2018.（6）：6-7.

[3]劉杰.重力加速度測(cè)定方法的分析與比較[D]貴陽(yáng)：貴州民族學(xué)院，2010.