基于實驗培養學生物理觀念的探究

摘 要：物理觀念在學生認識和理解物理知識的過程中起著重要的作用，所有基礎物理理論知識都源于對物理實驗現象的觀察和認知。物理實驗教學具有生動性、直觀性，能夠充分調動學生的各種感官，是物理教學的基礎。教師采用實驗教學能促使學生形成物理觀念。文章就基于實驗培養學生物理觀念進行了探究，以期為相關教育工作者提供參考。

關鍵詞：實驗;物理觀念;內涵;作用;策略

中圖分類號：G633.7? ??文獻標識碼：A? ? ?文章編號：2095-624X（2021）41-0073-03

作者簡介：邱婷（1983.5—），女，廣東省廣州市禺山高級中學，中學一級教師，本科，研究方向：物理教學。

一、物理觀念的內涵

所謂物理觀念，即從物理學角度思考問題，形成的對物質、運動與相互作用、能量之間關系的認識。人的大腦通過不斷思考與總結，可以將物理概念與規律等知識運用到實踐中，如用物理知識來解釋下雪、結冰、蒸發、霧霾等現象，就都是將物理觀念運用于生活中各個方面的體現。本文提到的物理觀念是物理學科核心素養的重要組成部分，主要指學生對物質、運動與相互作用以及能量等知識的一種基本認知，是物理概念和物理規律在學生腦海中的升華，更是學生從物理學的角度對自然現象進行解釋以及解決實際問題的依據。實驗是物理教學中一個非常重要的環節，所有基礎物理理論知識都源于對物理實驗現象的觀察和認知。學生通過學習，能夠形成物質、能量、相互作用等物理意識，然后將之運用到實踐中，可以解決生活化的物理問題，形成理論與實踐的融合。

二、培養學生物理觀念對物理教學實踐的作用

學生物理觀念的形成與其認知水平相適應，屬于認知成果的范疇。隨著物理學習的不斷深入，學生物理觀念的培養和形成也會具有一定的層次性，主要表現為學生在不同時期會逐漸形成不同的物理觀念。因此，教師在教學中幫助學生形成物理觀念，能夠使學生在面對一些新問題時不被其表象迷惑，而是主動地運用相關物理觀念來解決問題，并對此能給出一個科學的解釋。此外，學生在學習物理的過程中，記憶與遺忘往往是交織的，隨著時間的推移，遺忘速度及遺忘知識點的數量會呈現先多后少的趨勢，最后仍然留在學生腦海中的知識才是教育價值的真正體現。著名物理學家愛因斯坦認為，物理觀念在物理學一系列理論建立的過程中發揮著不可替代的作用。因此，在物理教學過程中，教師一定要注重培養學生的物理觀念。

三、基于實驗培養學生物理觀念的策略

（一）通過實驗調動學生的多種感官，構建物理觀念

實驗教學能夠充分調動學生的多種感官，為學生呈現具體的物理現象，在強化學生感知的同時又能糾正學生已形成的錯覺，豐富學生頭腦中的感性材料，達到發展學生智力、培養學生能力的目的。開展實驗教學是培養學生物理觀念的重要方式之一，在物理教學中發揮著十分重要的作用。

根據力的作用效果分解力與實際生活之間的聯系不夠直觀，學生缺乏這方面的感性認識，很難判斷被分解的力產生了哪些作用效果，理解起來會比較困難。教師可以讓學生上臺做演示實驗：準備一條細繩，一端系上鉤碼，另一端系在學生手指上，然后用筆的末端頂住細繩的某個點，把筆尖正對掌心。實驗中，學生能感覺到手掌有些痛，這證明筆尖對掌心產生了壓力，學生能看到手指上的勒痕，說明細繩對手指產生了拉力。在此實驗的基礎上，學生就可以將鉤碼向下拉細繩時產生的兩個力的方向在紙上畫出來，并求出這兩個力的大小。學生通過這個實驗可以更深入地理解力的分解規律，構建“力的作用是相互的”觀念。

（二）通過實驗在學生原有觀念的基礎上發展其物理觀念

學生在初中就已經積累了許多生活經驗和科學概念，教師將新的物理觀念的培養置于真實的物理問題情境中可有效地調動學生原有的經驗。此時，教師通過實驗解決實際問題，能幫助學生建立新的物理觀念與原有經驗之間的聯系， 再應用類比等方法，就可以進一步發展學生的物理觀念，這對一些抽象概念的建立尤為重要。

學生可以從生活經驗中得知，用手提起裝滿水的桶，桶會受到人施加的力向上運動，手必定也會受到桶施加的力，而感到疼痛，教師可以告訴學生這是因為力的作用是相互的。那么一對相互作用力有什么特點呢？教師可以設計如下兩個實驗。學生演示實驗：教師邀請兩位體重相差很大的學生用彈簧秤進行對拉演示，讓學生先猜想可能的現象，然后觀察彈簧秤的讀數。學生在實驗過程會發現，只有在靜止或緩慢勻速拉動彈簧秤時才能清楚地讀數，而且盡管學生一胖一瘦，兩個彈力大小總是相等。這時有學生提出：“非平衡狀態的讀數也相同嗎？”此時教師可以采用傳感器演示，讓學生進一步探究，發現相互作用力與物體運動狀態無關。最后學生歸納總結：一對相互作用的力總是大小相等、方向相反作用在同一直線上，與物體的運動狀態無關。教師演示實驗：將一塊條形磁鐵放在桌面上，在其周圍放置小鐵釘，它會把周圍的小鐵釘吸過來，接著引導學生用所學知識解釋實驗現象。根據所學知識，學生都知道磁鐵和小鐵釘之間有大小相等的相互作用力，但是為什么鐵釘動了，磁鐵沒有動，很多學生解釋不了。此時，教師需要引導學生：“判斷物體的運動需要對其進行完整的受力分析。”如果學生仍然無法判斷，教師則可以進一步提示：“桌面是粗糙的。”學生便可將實驗現象與摩擦力知識相結合，作出正確的分析。

這種以物理核心素養培養為導向的實驗教學，可以培養學生的科學探究意識，學生能在真實情境中提出有價值的問題，接著利用科學方法獲取和處理信息，習得知識，最后用于解決生活中的實際問題，形成物理觀念。

（三）通過實驗激發學生的認知沖突，強化正確的物理觀念

作為學生學習的引導人，教師應當首先樹立物理正確的觀念，只有這樣，才能深入了解學生的認知沖突，準確解決學生在物理學習過程中存在的認知錯誤等問題。在學習物理時，學生可能會出現認知沖突，就是當舊觀念和新經驗兩者出現對立時，學生會覺得疑惑和緊張，可能還會有些不舒服，這是正常現象。皮亞杰的認知論指出：認知沖突是指認知發展過程中原有概念或認知結構與現實情境不相符時，在心理上所產生的沖突或矛盾。認知沖突是在認知活動中產生的，學生在面對真實場景時回想起舊的知識經驗，并試圖對新、舊經驗進行對比、融合，尋找新平衡點，這就是認知沖突的解決過程。因此，在激發學生認知沖突時，教師直接幫助學生改錯，往往效果不佳。在這種情況下，教師不妨讓學生在錯誤的思路上“撞一撞南墻”，切身感受陷入困境的滋味，然后再給予引導，學生便會“吃一塹長一智”，從山窮水盡走向柳暗花明，享受成功的喜悅。

教師可以利用多媒體投影蹦極視頻，要求學生觀察運動員的速度和彈性繩伸長量的關系，判斷運動員在什么位置動能最大。由于過程短，速度快，學生未必能觀察清楚，絕大部分學生都是憑借自己的慣性思維認為繩子一拉直就受到向上的彈力，此處彈力是阻力，物體開始減速。此觀點有嚴重錯誤，但教師不必急于糾正學生，而要繼續引入以下題目。

地面上豎直放置一輕質彈簧，小球從其正上方某一高度自由下落到彈簧上，針對小球從剛接觸彈簧到彈簧被壓縮至最短的過程（彈性限度內）提出以下問題。

問題一：力與運動

A.小球速度變大，合力變大

B.小球速度先變大后變小，合力先變小后變大

C.小球速度變大，合力變小

D.小球速度先變小后變大，合力先變大后變小

部分學生會沿用之前的錯誤經驗，認為小球一碰到彈簧就開始減速。此時，教師可以鼓勵學生進行小組討論，讓學生講解自己的觀點，得出結論。若學生無法討論出正確結論，教師則可以進一步引導學生回顧物體做加速運動和減速運動的條件：合力與速度同向或為銳角時，物體做加速運動，反之則做減速運動。學生只有用知識指導實踐進行受力分析才能得出正確答案，而不能僅憑感覺去猜想。

問題二：功能關系和能量守恒

從功能關系角度解釋小球的動能、重力勢能、彈簧的彈性勢能、怎么變化。

從能量守恒角度回答：第一，小球重力勢能和彈簧彈性勢能的總和如何變化;第二，小球動能和彈簧彈性勢能的總和如何變化;第三，小球動能和重力勢能的總和如何變化。

教師通過以上分析可以幫助學生建立知識間的聯系，使學生形成物理觀念——物體相互作用的過程總是伴隨著能量轉移或轉化，功是能量轉化的量度，做了多少功就有多少能量發生轉化，在任何轉移或轉化的過程中，系統的總能量保持不變。最后再回到蹦極現象，學生便可以用所學知識分析受力情況，用正確的物理觀念解釋生活，徹底轉變“受到阻力馬上減速”的錯誤思想。

（四）通過實驗引導學生體驗評價、反思概括，實現物理觀念遷移應用

在傳統的教學過程中，一般是教師進行知識小結。在新課改背景下，教師要以觀念構建為導向為學生提供交流的平臺，指出概括反思的方向，同時對學生學習過程的表現進行評價，不斷優化教學策略。教師還要以此為依據幫助學生進一步構建、完善物理觀念體系，實現物理觀念的遷移應用。

在“探究滑動摩擦力大小”實驗中，教師可讓學生猜想滑動摩擦力與哪些因素有關，并自行討論，自主設計實驗方案，用控制變量法進行探究。此處，學生要明確的知識是二力平衡，用彈簧秤測的是拉力，要使拉力和摩擦力大小相等才可以進行實驗。接下來，教師讓學生思考：若按照教材設計的實驗方案（見圖1），要怎么操作？學生通過理論分析可以得出：必須滿足拉力呈水平方向，手勻速拉動彈簧秤才能保證物體做勻速直線運動。學生在自己動手操作時，會覺得很難判斷木塊是否在做勻速直線運動，便會對實驗得出的結論產生懷疑。此時，教師不應直接給出新的實驗方案，而應讓學生在不斷嘗試中去體驗、歸納，最后逐步完善為圖2的實驗方案。教師要讓學生分析，按照圖2的方案要如何拉木板，此時教師不妨邀請基礎較弱的學生回答相關問題，若他能回答正確則說明班級大部分學生都懂了，便可以開始實驗操作。每一位學生都真正參與的課堂才是有效、深刻的課堂，才能促使學生獲得全面的發展。

（五）運用新型教學方式，激活學生認知

階梯式教學模式是一種基于學生認知發展水平的教學模式，要求教師從學生身心發展規律和實際學習情況出發，與物理學科進行融合，以分層和階梯學習計劃不斷引導學生循序漸進地把握對應的知識，從學生的經驗水平出發引導學生掌握相關的概念，然后再從概念出發引導學生思考、探究，促進學生思想水平的提升。

例如，在教學“合力與分力”相關的內容時，教師要先從學生已有的經驗出發，引導學生思考一個大人推動一個物體和兩個小朋友共同推動這個物體的力的作用是否完全相同，激活學生的物理經驗，接著，教師要從學生的知識水平出發引入相關的概念，給出“分力”“合力”“力的分解”“力的合成”等基礎概念，為學生“等效代替”思想的形成做鋪墊。最后，當學生深入領會物理思想和方法之后，教師就可以引導學生利用這種思想來學習新的物理知識。經歷了這樣一個過程，學生就能很好地培養自身的物理觀念。

結 語

物理是以實驗為基礎、富有理性思考的一門學科，物理學習既離不開觀察與實驗，也離不開理性思考。實驗是物理學的基礎，通過實驗研究物理是學習和發展物理學的重要手段。實驗教學能夠充分調動學生的多種感官，給學生呈現物理現象，在增強學生感知的同時又能夠糾正學生的錯覺，幫助學生學習物理知識。因此，培養學生的物理觀念離不開實驗教學。在教科書編寫方面，研發人員要針對物理教學的發展，創新設計相關內容，培養學生的物理核心素養。為了物理教學更加高效，教師要改變以往傳統的授課模式，在教學物理觀念時不能僅傳授相關知識，還應重視每位學生對問題的不同理解，設計個性化的教學模式，開展多樣化的物理教學活動，合理安排課程學習，這樣才能幫助學生樹立正確的物理觀念。

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