基于科學(xué)探究的高中物理創(chuàng)客實(shí)驗(yàn)教學(xué)

諶基興 彭明河

摘 ? 要：創(chuàng)客實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式是以構(gòu)建學(xué)習(xí)者為中心，學(xué)生實(shí)踐、自主探究為基礎(chǔ)的開放教學(xué)過程，是以學(xué)習(xí)者自主思考、自主探究、自主實(shí)踐、自主創(chuàng)造為特點(diǎn)，是以培養(yǎng)探究能力和創(chuàng)新意識為目標(biāo)的一種新型教學(xué)模式。本文以驗(yàn)證力的平行四邊形定則為例，通過“情景問題導(dǎo)入”“簡單任務(wù)模仿”“創(chuàng)新激發(fā)引導(dǎo)”“合作完成任務(wù)”和“成功作品分享”五個(gè)環(huán)節(jié)層層遞進(jìn)培養(yǎng)學(xué)生探究能力和創(chuàng)新意識。

關(guān)鍵詞：創(chuàng)客;實(shí)驗(yàn)教學(xué);科學(xué)探究;創(chuàng)新意識

物理作為一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的過程中起著舉足輕重的作用[ 1 ]。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)是以教師、教材、教案為中心的教學(xué)過程，側(cè)重于所學(xué)理論知識的驗(yàn)證，學(xué)生的探究能力和創(chuàng)新意識不能得到充分發(fā)展，學(xué)生的思維被局限，不利于學(xué)生個(gè)性化發(fā)展，使學(xué)生成為了被動的知識儲存容器，違背了“以學(xué)生為中心”的教學(xué)觀。創(chuàng)客實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠解放學(xué)生天性，為他們提供動手操作、自由探索的空間與條件，在科學(xué)探究的過程中實(shí)現(xiàn)自己的創(chuàng)意，不斷激發(fā)他們對探究和操作的興趣，使學(xué)生從知識的消費(fèi)者變?yōu)橹R的創(chuàng)造者[ 2 ]。以實(shí)踐為載體的創(chuàng)客實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程，通過多維度的動態(tài)實(shí)踐方式，揭示知識形成和學(xué)生思維發(fā)展的過程，能夠最大限度調(diào)動學(xué)生的主動性、參與度和創(chuàng)新性，使學(xué)生的探究能力和創(chuàng)造力在發(fā)現(xiàn)和解決問題的經(jīng)歷中得到培養(yǎng)。本文以“驗(yàn)證力的平行四邊形定則”實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例，旨在論述通過創(chuàng)客實(shí)驗(yàn)教學(xué)的五個(gè)環(huán)節(jié)層層遞進(jìn)培養(yǎng)學(xué)生探究能力和創(chuàng)新意識。

1 ?情境問題導(dǎo)入，激發(fā)學(xué)生探究的興趣

不同于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，創(chuàng)客實(shí)驗(yàn)教學(xué)首要的任務(wù)是通過創(chuàng)設(shè)真實(shí)的、具體的問題情境，根據(jù)問題情境導(dǎo)入項(xiàng)目問題，在任務(wù)驅(qū)動下通過自主學(xué)習(xí)獲取知識和技能，并運(yùn)用所獲取的知識和技能解決問題。情境問題導(dǎo)入不僅激發(fā)了學(xué)生探究的興趣和創(chuàng)新的意識，而且培養(yǎng)了學(xué)生探究的科學(xué)思維和科學(xué)態(tài)度。

用如圖1所示的生活實(shí)例引入，可以使學(xué)生從熟悉的生活場景快速進(jìn)入“合力與分力”的項(xiàng)目主題中。學(xué)生在學(xué)習(xí)了“力的合成”后已經(jīng)知道了圖中兩個(gè)分力的作用效果等效于一個(gè)合力，并從理論上初步了解了力的平行四邊形定則。據(jù)此，教師可以引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行下一個(gè)項(xiàng)目研究：通過實(shí)驗(yàn)的方法定量地驗(yàn)證力的平行四邊形定則。

2 ?簡單任務(wù)模仿，提升科學(xué)探究技能

模仿是為了消化和遷移，簡單的任務(wù)既激發(fā)了學(xué)生動手操作的熱情，又提升了科學(xué)探究所需的基本技能。簡單任務(wù)模仿采用任務(wù)驅(qū)動的教學(xué)方法，使學(xué)生主動地投入任務(wù)中，主動思考、自主實(shí)踐，以完成既定任務(wù)。這種任務(wù)驅(qū)動的教學(xué)方法與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的講授法不同，學(xué)生能通過簡單模仿，激活思維，使學(xué)生在學(xué)習(xí)中變被動為主動。

通過布置課前預(yù)習(xí)任務(wù)的方式讓學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)報(bào)告冊中“驗(yàn)證力的平行四邊形定則”的實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟。在此基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)報(bào)告冊所提示的步驟逐步模仿完成簡單的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，實(shí)驗(yàn)過程與實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2、3所示。

3 ?創(chuàng)新激發(fā)引導(dǎo)，建構(gòu)探究知識結(jié)構(gòu)

創(chuàng)新激發(fā)引導(dǎo)的目的是激發(fā)學(xué)習(xí)者的探究欲望和創(chuàng)新意識，使學(xué)習(xí)者將現(xiàn)有的知識遷移到新知識的獲取中來，使創(chuàng)客實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠順利進(jìn)行。在該環(huán)節(jié)中，教師要對實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新作必要的知識鋪墊和引導(dǎo)，啟發(fā)學(xué)習(xí)者探索的方向，確保“創(chuàng)客們”能順利完成實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新。教師的引導(dǎo)要把握好“度”，應(yīng)做方向性的引導(dǎo)，不能過于具體化，否則將喪失激發(fā)學(xué)習(xí)者探究欲望和創(chuàng)新意識的作用。

依據(jù)環(huán)節(jié)二所得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以看出理論值F和真實(shí)值F′還存在著較大的誤差，并不能完美地驗(yàn)證力的平行四邊形的可靠性。適時(shí)地引導(dǎo)學(xué)生分析誤差的來源。學(xué)生在思考和討論之后，發(fā)現(xiàn)了幾個(gè)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的主要因素：（1）讀數(shù)時(shí)存在誤差;（2）彈簧秤沒有完全平行于木板，力的方向不是水平的;（3）彈簧秤的指針和示數(shù)面板間有摩擦力;（4）橡皮筋在兩次實(shí)驗(yàn)中，發(fā)生相同的形變時(shí)，作用力并不一致;（5）選取的標(biāo)度和所測幾個(gè)力的大小不能同時(shí)滿足整數(shù)倍關(guān)系，使作圖存在偏差。教師可以通過學(xué)生對實(shí)驗(yàn)誤差來源的分析，引導(dǎo)學(xué)生沿以下方向改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案：改變力的測量方式，使力的大小明確，力的方向清晰，并做到一步到位地完成實(shí)驗(yàn)。

4 ?合作完成實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)科學(xué)探究能力

經(jīng)過創(chuàng)新激發(fā)引導(dǎo)環(huán)節(jié)后，學(xué)習(xí)者可以通過合作探討出一個(gè)具有創(chuàng)新性又能有效完成的方案。在創(chuàng)客活動中，學(xué)習(xí)者參與度越高，科學(xué)探究能力得到的培養(yǎng)就越強(qiáng)。因此，教師要對小組的活動過程進(jìn)行誘導(dǎo)，確保每一位學(xué)習(xí)者都參與進(jìn)創(chuàng)客實(shí)驗(yàn)中。

教師可以深入小組中，參與學(xué)生的討論過程，鼓勵(lì)小組成員提出疑問和想法。在這一教學(xué)環(huán)節(jié)中，教師作為協(xié)調(diào)者和輔助者的角色將會得以印證。在該創(chuàng)客實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生更多地會要求教師提供所需的實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備，如：力傳感器、鉤碼、滑輪、鐵架臺等實(shí)驗(yàn)器材，教師應(yīng)盡可能地滿足學(xué)生的要求，因此，做好充足的前期準(zhǔn)備工作也十分必要。教師還可以給有困難的小組提供必要的技術(shù)指導(dǎo)，使學(xué)生享受創(chuàng)客實(shí)驗(yàn)中的樂趣。

5 ?成功作品分享，提升探究信念和探究熱情

創(chuàng)客實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程需要學(xué)習(xí)者具有堅(jiān)定的信念和飽滿的熱情作為支撐。成功作品分享這一環(huán)節(jié)的主要目標(biāo)就是為了提升學(xué)習(xí)者的探究信念和探究熱情，使學(xué)習(xí)者享受成功的樂趣。

學(xué)生在教師指引、小組討論的基礎(chǔ)上提出了多種可行的方案，教師對各方案做展示與點(diǎn)評，筆者將其中三例最具代表性的作品做詳細(xì)解說。

創(chuàng)客實(shí)驗(yàn)方案1：如圖4所示，三根細(xì)線OA、OB、OC結(jié)于O，另一端分別連接力傳感器，通過力傳感器同時(shí)拉動細(xì)線，控制力的大小和方向，并保持三段細(xì)線在同一水平面內(nèi)，待穩(wěn)定后記下結(jié)點(diǎn)O和細(xì)線的位置，并讀取傳感器示數(shù)，即得到細(xì)線上作用力FOA、FOB、FOC的大小和方向。選定適當(dāng)?shù)臉?biāo)度，從FOA、FOB、FOC中任選兩個(gè)力作為分力，依據(jù)實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)在白紙上作出平行四邊形，平行四邊形的對角線即為這兩個(gè)力的合力，將所得合力與第三個(gè)力比較即可驗(yàn)證力的平行四邊形定則。該實(shí)驗(yàn)極大地減小了系統(tǒng)誤差，并簡化了實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)裝置。

創(chuàng)客實(shí)驗(yàn)方案2：如圖5所示，利用力傳感器將物體提起懸于空中，待穩(wěn)定后讀取傳感器示數(shù)，記為F。將物體和兩個(gè)力傳感器分別系于三段細(xì)線的一端，提起力傳感器并用鐵架臺固定，等待系統(tǒng)穩(wěn)定，此時(shí)三根細(xì)線一定處于同一豎直面內(nèi)。將帶有白紙的豎直板移近細(xì)線處，記錄細(xì)線的位置和兩個(gè)力傳感器示數(shù)，即得到兩分力的方向和大小。選定適當(dāng)?shù)臉?biāo)度，在白紙上作出兩分力的合力，將所得合力與F比較即可驗(yàn)證力的平行四邊形定則。該實(shí)驗(yàn)提高了測量精度，無須人為調(diào)整就能保證兩分力在同一豎直面內(nèi)，提高了實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)定性。

創(chuàng)客實(shí)驗(yàn)方案3：如圖6所示，將兩個(gè)力傳感器固定在力的合成分解實(shí)驗(yàn)器的掛臂上，力傳感器和鉤碼分別系于三段細(xì)線的一端，細(xì)線另一端在力矩盤的圓心處打結(jié)。調(diào)節(jié)力矩盤，使得掛鉤碼的細(xì)線與力矩盤的豎直基準(zhǔn)線重合。讀取兩傳感器的示數(shù)及其細(xì)線與水平基準(zhǔn)線所成的夾角，即得到兩個(gè)分力的大小和方向。在白紙上先畫兩條相互垂直的線作為水平基準(zhǔn)線和豎直基準(zhǔn)線，再利用所得數(shù)據(jù)做出平行四邊形，得到合力的大小和方向，將所得合力與鉤碼重力比較即可驗(yàn)證力的平行四邊形定則。該實(shí)驗(yàn)具有操作簡單、穩(wěn)定性強(qiáng)、測量精度高等優(yōu)點(diǎn)。若條件允許，教師還可以將該實(shí)驗(yàn)方案做進(jìn)一步改進(jìn)，將測得的數(shù)據(jù)輸入DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[ 3 ]，利用現(xiàn)代信息化技術(shù)與物理實(shí)驗(yàn)深度融合進(jìn)行數(shù)據(jù)處理自動計(jì)算出合力的理論值，進(jìn)而對比理論值和實(shí)驗(yàn)值，驗(yàn)證力的平行四邊形定則，這種具有現(xiàn)代化技術(shù)手段的物理實(shí)驗(yàn)?zāi)軌騿l(fā)學(xué)生思考，有助于激發(fā)學(xué)生的探究熱情和創(chuàng)新意識。

6 ?結(jié)語

科學(xué)探究是物理學(xué)科素養(yǎng)的主要內(nèi)容之一，因此，正確引導(dǎo)學(xué)生形成探究意識、訓(xùn)練學(xué)生的探究思維以及提升學(xué)生的探究技能是我們每個(gè)教師應(yīng)盡的責(zé)任。將創(chuàng)客教育理念引入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)領(lǐng)域，是一種全新的教育模式。創(chuàng)客教育所搭建的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，能夠使學(xué)生充分發(fā)揮自己的才華，真正做到“從生活走向物理，從物理走向社會”。筆者以“驗(yàn)證力的平行四邊形定則”為例，打破了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，設(shè)計(jì)了一節(jié)融“主體性、實(shí)踐性、探究性、創(chuàng)造性”于一體的創(chuàng)客實(shí)驗(yàn)教學(xué)，不僅完成了知識的傳授，更重要的是對學(xué)生科學(xué)探究素養(yǎng)和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)，同時(shí)使教師的教學(xué)功底和教學(xué)素養(yǎng)能夠得以提升。

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