重實驗創(chuàng)新 促思維發(fā)展
——以“廣播電視與通信”為例

郭培東

(東莞市濟(jì)川中學(xué) 廣東 東莞 521730)

科學(xué)思維是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成部分，它貫穿在整個學(xué)習(xí)過程中，是核心素養(yǎng)的核心內(nèi)容．物理學(xué)科是以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，但教材中還是有部分實驗受到實驗裝置短缺或?qū)嶒烆愋偷纫蛩赜绊憣?dǎo)致教學(xué)效果不理想．要在平時的教學(xué)中落實科學(xué)思維的培養(yǎng)，教師應(yīng)該深挖教材素材，通過實驗創(chuàng)新提高實驗教學(xué)效果，讓學(xué)生經(jīng)歷模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證和質(zhì)疑的思維過程，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展．下面以粵滬版“廣播電視與通信”為例，談?wù)勅绾瓮ㄟ^實驗創(chuàng)新促進(jìn)科學(xué)思維的發(fā)展．

“廣播電視與通信” 是電磁波應(yīng)用的具體事例，體現(xiàn)“從生活走進(jìn)物理，從物理走向社會”．但是教材對這部分內(nèi)容只是簡單的文字介紹，忽略實驗體驗的過程，缺少科學(xué)論證，不利于學(xué)生學(xué)科思維的培養(yǎng)．筆者通過實驗創(chuàng)新，從光纖通訊出發(fā)，先讓學(xué)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(chuàng)新 促科學(xué)論證

在平時的教學(xué)中應(yīng)重視培養(yǎng)學(xué)生使用科學(xué)證據(jù)的意識和能力，引導(dǎo)學(xué)生運用證據(jù)對研究的問題進(jìn)行描述、解釋，讓學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)論證的過程，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展．

光纖通信在生活中已經(jīng)廣泛應(yīng)用，學(xué)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(xiàn)有的光纖通信裝置價格昂貴也不方便學(xué)生觀察，因此，筆者嘗試進(jìn)行實驗裝置的創(chuàng)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(fā)射端的電源，如圖1(a)所示，將發(fā)射端帶有音頻信息的激光對準(zhǔn)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(fā)射端電源，如圖1(b)所示，用普通激光對準(zhǔn)接收端光敏二極管，沒有聽到音樂響聲．引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)觀察到的實驗證據(jù)進(jìn)行歸納、比較的思維過程，如圖1(c)所示，發(fā)現(xiàn)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(fā)射端發(fā)出來的激光是經(jīng)過調(diào)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(chuàng)新 促模型建構(gòu)

模型建構(gòu)的過程也是思維發(fā)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(xué)生的模型思維過程，是學(xué)生建構(gòu)能反映研究課題本質(zhì)特征的模型的關(guān)鍵．

光纖通信中，由于學(xué)生無法觀察激光在真實光纖中傳播的過程，導(dǎo)致對激光在光纖中傳播缺少認(rèn)識或者是錯誤的認(rèn)識，誤認(rèn)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(jìn)行創(chuàng)新，以幫助學(xué)生正確建構(gòu)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(xué)生觀察激光從光纖的一端入射，從另一端射出的現(xiàn)象，如圖2(c)所示；撕掉光纖的外皮，看到光纖是很細(xì)的導(dǎo)光纖維，不便觀察激光的傳播過程.

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

實驗3：在直徑10 cm有機(jī)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(chǎn)生丁達(dá)爾效應(yīng)，能夠清晰呈現(xiàn)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(xué)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(zhì)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(gòu)了激光在光纖中全反射的模型．

3 實驗方案創(chuàng)新 促科學(xué)推理

科學(xué)推理是根據(jù)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(xué)過程中需要在實驗方案上進(jìn)行優(yōu)化或創(chuàng)新，以引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)已有認(rèn)識或已掌握的科學(xué)證據(jù)進(jìn)行分析、歸納、抽象、概括、演繹、類比等推理過程獲取新的認(rèn)識．

在對光纖通信有充分認(rèn)識的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)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(fā)學(xué)生經(jīng)歷比較、類比的推理過程，得出科學(xué)的猜想．進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)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(xué)生提供如何屏蔽電磁波的閱讀材料，設(shè)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(jī)放在一個不銹鋼碗里，然后用另一個鐵碗蓋住，發(fā)現(xiàn)收音機(jī)的信號被屏蔽了．這個過程學(xué)生利用生活用品，進(jìn)行一個簡單的實驗方案創(chuàng)新，獲取廣播電視信號是可以被金屬導(dǎo)體屏蔽的證據(jù)，結(jié)合學(xué)生對“電磁波可以利用導(dǎo)體屏蔽”的已有認(rèn)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(rèn)識和已有證據(jù)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過分析、比較、演繹、類比和歸納后獲取新認(rèn)識的思維過程．

4 實驗材料創(chuàng)新 促質(zhì)疑與創(chuàng)新思維發(fā)展

質(zhì)疑創(chuàng)新是基于事實證據(jù)和科學(xué)推理對不同觀點和結(jié)論提出質(zhì)疑和批判，進(jìn)行檢驗和修正，進(jìn)而提出創(chuàng)造性見解的思維．為學(xué)生提供豐富的實驗材料以激發(fā)學(xué)生對已有結(jié)論提出有依據(jù)的質(zhì)疑，并采用不同方式分析解決問題，促進(jìn)學(xué)生質(zhì)疑創(chuàng)新思維的發(fā)展，提高學(xué)生的創(chuàng)造力．

如在學(xué)生進(jìn)行收音機(jī)信號屏蔽的實驗之后，提出質(zhì)疑“屏蔽的不一定是電磁波，可能是因為你隔開空氣導(dǎo)致信號中斷的”，針對問題為學(xué)生提供塑料碗和帶有孔的不銹鋼菜籃代替鐵碗進(jìn)行實驗，讓學(xué)生自行發(fā)現(xiàn)開孔的不銹鋼菜籃也能屏蔽收音機(jī)信號，而密封的塑料碗不能，進(jìn)而得到“收音機(jī)的信號屏蔽不是因為碗隔開空氣導(dǎo)致的”的觀點．又如在介紹衛(wèi)星通信的中繼站時，有學(xué)生提出疑問“電磁波可以傳播無限遠(yuǎn)，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(xué)生實驗，逐漸增加無線麥克風(fēng)與揚聲器的距離，讓學(xué)生獲取“隨著距離的增加揚聲器接收到的電磁波變?nèi)酢钡母行圆牧希瑥亩J(rèn)識中繼站在通信中的必要性及其作用．

5 結(jié)束語

總之，物理是以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)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(nèi)容時，教師可以嘗試優(yōu)化實驗教學(xué)方案、創(chuàng)新制作實驗裝置、放大實驗效果顯示器等實驗創(chuàng)新的方法來提升實驗效果，有利于學(xué)生獲取直觀形象的證據(jù)進(jìn)行科學(xué)推理、論證和模型的建構(gòu)，在獲取新知識的同時也促進(jìn)了科學(xué)思維的發(fā)展．