重實驗創新 促思維發展
——以“廣播電視與通信”為例

郭培東

(東莞市濟川中學 廣東 東莞 521730)

科學思維是物理學科核心素養的重要組成部分，它貫穿在整個學習過程中，是核心素養的核心內容．物理學科是以實驗為基礎的學科，但教材中還是有部分實驗受到實驗裝置短缺或實驗類型等因素影響導致教學效果不理想．要在平時的教學中落實科學思維的培養，教師應該深挖教材素材，通過實驗創新提高實驗教學效果，讓學生經歷模型建構、科學推理、科學論證和質疑的思維過程，促進學生科學思維的發展．下面以粵滬版“廣播電視與通信”為例，談談如何通過實驗創新促進科學思維的發展．

“廣播電視與通信” 是電磁波應用的具體事例，體現“從生活走進物理，從物理走向社會”．但是教材對這部分內容只是簡單的文字介紹，忽略實驗體驗的過程，缺少科學論證，不利于學生學科思維的培養．筆者通過實驗創新，從光纖通訊出發，先讓學生了解激光能加載傳播信息，激光在光纖中傳播的原理、激光通訊的原理等，然后再將激光通訊的原理遷移到廣播電視中來，由可見的激光到不可見的電磁波的思維遷移過程．

1 實驗裝置創新 促科學論證

在平時的教學中應重視培養學生使用科學證據的意識和能力，引導學生運用證據對研究的問題進行描述、解釋，讓學生經歷科學論證的過程，促進學生科學思維的發展．

光纖通信在生活中已經廣泛應用，學生對光纖通訊既熟悉又感到陌生，熟悉是他們在生活中聽說過、使用過光纖通信，陌生在于他們對光纖通訊原理的不了解，對“激光可以加載并傳播信息”帶有疑問，而市場上現有的光纖通信裝置價格昂貴也不方便學生觀察，因此，筆者嘗試進行實驗裝置的創新，制作簡易的激光通信裝置，如圖1所示，以論證激光可以加載和傳播信息．

接通接收端和發射端的電源，如圖1(a)所示，將發射端帶有音頻信息的激光對準接收端光敏二極管就能聽到接收端揚聲器的音樂響聲；斷開發射端電源，如圖1(b)所示，用普通激光對準接收端光敏二極管，沒有聽到音樂響聲．引導學生根據觀察到的實驗證據進行歸納、比較的思維過程，如圖1(c)所示，發現接收端揚聲器是否有音樂響起的主要原因不在于激光，而在于激光是否加載了音樂信息，得到發射端發出來的激光是經過調制加載了信息的激光，提出激光是可以加載和傳播信息的觀點．

圖1 自制的簡易激光通信裝置

2 實驗效果顯示器創新 促模型建構

模型建構的過程也是思維發展的過程，實驗效果顯示器是否直觀形象，是否能從主要方面反映研究客體等都會影響學生的模型思維過程，是學生建構能反映研究課題本質特征的模型的關鍵．

光纖通信中，由于學生無法觀察激光在真實光纖中傳播的過程，導致對激光在光纖中傳播缺少認識或者是錯誤的認識，誤認為激光在光纖中傳播過程像水在水管中流動一樣．因此，筆者對實驗效果顯示器進行創新，以幫助學生正確建構激光在光纖中傳播的模型．

先從激光傳播過程中遇到障礙物被阻擋引入光纖，如圖2(a)和圖2(b)所示，從而提出“激光在光纖中怎樣傳播？”的問題．

實驗1：讓學生觀察激光從光纖的一端入射，從另一端射出的現象，如圖2(c)所示；撕掉光纖的外皮，看到光纖是很細的導光纖維，不便觀察激光的傳播過程.

實驗2：給學生提供直徑1 cm的導光玻璃，觀察激光從導光玻璃的一端入射，從另一端射出，中間沒有發生折射現象，如圖2(d)所示.

實驗3：在直徑10 cm有機玻璃管中裝滿水來代替光纖，在水中加入少量的純牛奶，激光信號在玻璃管中傳播產生丁達爾效應，能夠清晰呈現光全反射時的立體光路，如圖2(e)所示．

圖2 激光在光纖中的傳播

通過這3個實驗操作，讓學生在眾多的具體表象(光纖外皮的約束、折射、反射等)中抓住最具有本質特征的圖像，再通過直觀明顯的實驗效果顯示器來展示出來，自然而然就在頭腦中建構了激光在光纖中全反射的模型．

3 實驗方案創新 促科學推理

科學推理是根據一個判斷得出另一個判斷的思維形式．包括邏輯上的歸納推理、演繹推理和類比推理，還包括分析與綜合、抽象與概括、比較與分類等思維方式．在教學過程中需要在實驗方案上進行優化或創新，以引導學生根據已有認識或已掌握的科學證據進行分析、歸納、抽象、概括、演繹、類比等推理過程獲取新的認識．

在對光纖通信有充分認識的基礎上，引導學生思考，“廣播電視是靠什么傳播信息的呢？”激光是電磁波，是一種可見的電磁波，而廣播電視可能是利用看不見的電磁波加載傳播信息的．啟發學生經歷比較、類比的推理過程，得出科學的猜想．進一步引導學生思考“怎么證明廣播電視是利用電磁波傳播信息的呢？”為學生提供如何屏蔽電磁波的閱讀材料，設計如何屏蔽廣播電視信號的實驗方案．將一個正在工作的收音機放在一個不銹鋼碗里，然后用另一個鐵碗蓋住，發現收音機的信號被屏蔽了．這個過程學生利用生活用品，進行一個簡單的實驗方案創新，獲取廣播電視信號是可以被金屬導體屏蔽的證據，結合學生對“電磁波可以利用導體屏蔽”的已有認識，從而得出廣播電視就是利用電磁波加載和傳播信息；這也是在已有認識和已有證據的基礎上，經過分析、比較、演繹、類比和歸納后獲取新認識的思維過程．

4 實驗材料創新 促質疑與創新思維發展

質疑創新是基于事實證據和科學推理對不同觀點和結論提出質疑和批判，進行檢驗和修正，進而提出創造性見解的思維．為學生提供豐富的實驗材料以激發學生對已有結論提出有依據的質疑，并采用不同方式分析解決問題，促進學生質疑創新思維的發展，提高學生的創造力．

如在學生進行收音機信號屏蔽的實驗之后，提出質疑“屏蔽的不一定是電磁波，可能是因為你隔開空氣導致信號中斷的”，針對問題為學生提供塑料碗和帶有孔的不銹鋼菜籃代替鐵碗進行實驗，讓學生自行發現開孔的不銹鋼菜籃也能屏蔽收音機信號，而密封的塑料碗不能，進而得到“收音機的信號屏蔽不是因為碗隔開空氣導致的”的觀點．又如在介紹衛星通信的中繼站時，有學生提出疑問“電磁波可以傳播無限遠，為什么需要中繼站”，這時教師利用上課用的無線揚聲器給學生實驗，逐漸增加無線麥克風與揚聲器的距離，讓學生獲取“隨著距離的增加揚聲器接收到的電磁波變弱”的感性材料，從而認識中繼站在通信中的必要性及其作用．

5 結束語

總之，物理是以實驗為基礎的學科，針對實驗裝置短缺、實驗效果不明顯、實驗類型不合理等實驗內容時，教師可以嘗試優化實驗教學方案、創新制作實驗裝置、放大實驗效果顯示器等實驗創新的方法來提升實驗效果，有利于學生獲取直觀形象的證據進行科學推理、論證和模型的建構，在獲取新知識的同時也促進了科學思維的發展．