PBL模式在物理實驗教學(xué)中的應(yīng)用

邱清芽 劉堅輝 張曉璇 鄭衛(wèi)峰

摘? ?要：將PBL教學(xué)模式應(yīng)用于物理實驗教學(xué)，以探究安培力方向教學(xué)為例，針對傳統(tǒng)教材中實驗教學(xué)存在的不足，選用自制教具“旋轉(zhuǎn)的液體”進行基于PBL教學(xué)模式的物理實驗教學(xué)設(shè)計，以此更好地實現(xiàn)學(xué)生的探究式學(xué)習(xí)。

關(guān)鍵詞：PBL教學(xué)模式;自制教具;物理實驗;安培力

引言

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中提到在物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)過程中，建議一線教師開展生動活潑的實驗課堂以及通過問題解決促進物理學(xué)科核心素養(yǎng)的達成[ 1 ]。因此以問題為導(dǎo)向進行實驗教學(xué)，有利于促進學(xué)生能力的培養(yǎng)和提升，實現(xiàn)實驗教學(xué)的有效進行，落實物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。PBL教學(xué)模式（Problem Based Learning，基于問題的學(xué)習(xí)）是以學(xué)生為主體，讓學(xué)習(xí)過程處于復(fù)雜的、有意義的問題情境中，以小組的形式進行互相討論、交流，以此解決相關(guān)問題，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)、問題解決能力的教學(xué)策略[ 2 ]。因此，本文以旋轉(zhuǎn)的液體探究安培力方向教學(xué)為例，將PBL教學(xué)模式應(yīng)用到物理實驗教學(xué)中，更好地達到核心素養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo)。

1? 基于PBL教學(xué)模式的物理實驗教學(xué)基本環(huán)節(jié)

應(yīng)用PBL教學(xué)模式將物理實驗教學(xué)分為創(chuàng)設(shè)情境、問題驅(qū)動、制定方案、合作探究和評價總結(jié)五個環(huán)節(jié)。構(gòu)建基于PBL模式的物理實驗教學(xué)基本環(huán)節(jié)（如表1所示），分別指出各環(huán)節(jié)中教師與學(xué)生活動主線內(nèi)容。

2? 實驗改進

現(xiàn)魯科版高中物理選擇性必修第二冊教材中第1章第1節(jié)的內(nèi)容為“安培力及其應(yīng)用”，安培力的方向是該部分中的一個主要內(nèi)容。關(guān)于“安培力方向”的教學(xué)，教材中呈現(xiàn)的是以鋁箔“天橋”實驗來進行探究。但是，該部分是讓學(xué)生按部就班進行實驗操作，這樣的教學(xué)模式顯然不能實現(xiàn)學(xué)生個性化和創(chuàng)造力的發(fā)展。并且，在實際教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，教材中鋁箔紙高度不夠，很難同時觀察到拱起和下凹現(xiàn)象，且實驗過程中如要改變電流方向，操作繁瑣，不易實現(xiàn)[ 3 ]。針對以上的問題，本文應(yīng)用PBL模式，選用自制改進的教具“旋轉(zhuǎn)的液體”來進行實驗教學(xué)，以此更好促進學(xué)生的科學(xué)思維發(fā)展，提高科學(xué)探究能力。

3? 學(xué)生學(xué)情分析

學(xué)生學(xué)習(xí)本節(jié)內(nèi)容前，已經(jīng)學(xué)習(xí)并了解了電流周圍存在磁場，知道磁場對通電導(dǎo)體會產(chǎn)生作用力。并且在之前學(xué)習(xí)牛頓第二定律時已經(jīng)進行過實驗探究，因此掌握了一些物理實驗研究方法，具備了實驗探究的能力。

4? 教學(xué)流程

以PBL教學(xué)模式為理論框架，以根據(jù)“旋轉(zhuǎn)的液體探究安培力方向”的實驗為教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計了本節(jié)課的教學(xué)流程（如圖1）。

5? 教學(xué)過程

5.1? 創(chuàng)設(shè)情境，激發(fā)探究欲望

首先，教師播放視頻《旋轉(zhuǎn)的液體》（如圖2）。學(xué)生通過觀看視頻，發(fā)現(xiàn)液體在通電之后發(fā)生旋轉(zhuǎn)，提出疑問：為什么沒有看到有外力的借助下，藍(lán)色溶液會旋轉(zhuǎn)？

設(shè)計意圖：通過液體旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象設(shè)置問題情境，使學(xué)生發(fā)生認(rèn)知沖突，必定會吸引學(xué)生的注意，引起學(xué)生進行思考，提出猜想。

5.2? 問題驅(qū)動，促進深入探究

（1）深入剖析，建構(gòu)概念

在學(xué)生進行猜想的基礎(chǔ)上，教師給學(xué)生展示“旋轉(zhuǎn)的液體”教具實物，帶領(lǐng)學(xué)生一起來探索液體旋轉(zhuǎn)的奧秘。讓學(xué)生觀察討論并思考該教具到底有什么神奇的力量讓溶液旋轉(zhuǎn)起來。在學(xué)生的思維集中之時，教師引導(dǎo)學(xué)生分析：教具由哪些材料構(gòu)成，每個部分都有什么用途。在學(xué)生進行交流討論的基礎(chǔ)上，教師與學(xué)生一起進行分析并歸納到表格當(dāng)中（如表2）。

學(xué)生了解制作原理之后，教師再告知學(xué)生教具是通過改進教材上某個實驗裝置得來的，給學(xué)生展示實驗裝置的相關(guān)資料（如圖3），以及給學(xué)生講解改進思路（如表3）。

通過學(xué)生對教具的由來和原理有了充分的認(rèn)知之后，教師再次引導(dǎo)學(xué)生對“旋轉(zhuǎn)的液體”進行物理建模，試著分析其轉(zhuǎn)動的原因，將表2中的信息通過圖呈現(xiàn)出來（如圖4）。

學(xué)生在圖表中的事實證據(jù)基礎(chǔ)上進行分析就可以解釋藍(lán)色溶液為什么在通電之后會旋轉(zhuǎn)，歸納得出：磁場對硫酸銅溶液中產(chǎn)生的電流有力的作用。旋轉(zhuǎn)的方向就是力的方向。

教師順勢給出安培力的概念：磁場對通電導(dǎo)線產(chǎn)生的力稱為安培力。

設(shè)計意圖：引導(dǎo)學(xué)生剖析教具的構(gòu)造，將獲取的證據(jù)整合到表格當(dāng)中，并對情境現(xiàn)象進行模型建構(gòu)，實現(xiàn)思維可視化，以此促進學(xué)生基于圖表中的事實證據(jù)分析、歸納得出總結(jié)。使學(xué)生經(jīng)歷“觀察—分析論證—總結(jié)歸納”的思維活動，為本節(jié)課合作探究環(huán)節(jié)打下基礎(chǔ)。讓學(xué)生了解教師改進教具的思路，能夠培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，解決問題的能力，并且在溶液改進部分，不僅做到跨學(xué)科教學(xué)，而且提高學(xué)生環(huán)保意識。

（2）明確探究問題

學(xué)生建構(gòu)安培力概念之后，教師更加深入地提問：液體旋轉(zhuǎn)的方向能否改變？怎么改變？

設(shè)計意圖：學(xué)生了解了教具的原理后能對影響因素進行合理猜想。再以問題為驅(qū)動，激發(fā)學(xué)生進行探究驗證猜想的欲望。

5.3? 點評反思，完善方案

將班級成員分為若干個小組，每個小組分配好如圖5所示的實驗器材。

由于該教具進行實驗時，可能因為各種原因使得實驗現(xiàn)象不明顯或者沒有現(xiàn)象，因此教師需要引導(dǎo)學(xué)生預(yù)設(shè)相關(guān)問題的解決方案。這也是設(shè)計實驗方案的重要一個環(huán)節(jié)。

因為磁場在本次實驗中也是其中一個重要因素，而在之前的實驗中學(xué)生沒有涉及到對磁場問題的解決方法，因此教師給學(xué)生提出解決建議，提供相關(guān)資料：可用phyphox軟件測試磁場，使用方法為打開手機phyphox軟件，選定列表當(dāng)中的“磁力計”，將手機放在需要測量磁場的地方，再按開始鍵便可以測量磁場，如圖6所示。

小組成員進行溝通交流，根據(jù)具備的知識和能力，再借助提供的相關(guān)資料，自主選擇制定方案時所需解決的問題，并列表格當(dāng)中。以表4為例。

每個小組根據(jù)問題解決方案制定初步的實驗方案，并對選擇的實驗器材進行組裝。完成實驗方案設(shè)計之后，每個小組派個代表對本組的實驗方案進行展示。這時教師作為參與者，與其他小組成員進行互相點評，對實驗方案存在的問題做出修改，完善方案。

設(shè)計意圖：學(xué)生已經(jīng)掌握教具的制作原理并且制作過程易于操作，因此在組裝實驗器材的環(huán)節(jié)中也加上制作教具的內(nèi)容，以此幫助學(xué)生回憶起教具中所蘊含的物理知識。由于學(xué)生的知識有限，對于一些目前還無法進行解決的問題，教師提出應(yīng)用軟件phyphox的解決建議和解決思路，學(xué)生不僅可以獲得解決磁場問題的方法，還能夠?qū)W到解決問題的思維方式，并且感受到信息技術(shù)的進步。

5.4? 合作探究，得出結(jié)論

學(xué)生根據(jù)完善的實驗方案進行實驗，每個小組合理分工，進行實驗操作，觀察假設(shè)的影響因素與安培力方向的改變情況，將結(jié)果記錄于表格當(dāng)中（如表5），再根據(jù)表中的實驗證據(jù)進行分析，最后得出實驗結(jié)論：安培力方向與磁場方向、電流方向有關(guān)。

5.5? 經(jīng)驗總結(jié)，促進遷移

小組間進行成果展示，討論交流實驗總結(jié)，并提出在實驗過程中發(fā)現(xiàn)的問題，例如：實驗過程中進行通電，石墨和鋁質(zhì)易拉罐薄片處在硫酸銅溶液中的部分會有黑斑生成。通過與教師和學(xué)生探討分析，最終得以解決問題，知道黑斑是硫酸銅溶液通電進行電解反應(yīng)生成的銅。

教師根據(jù)學(xué)生的實驗報告以及實驗過程中的表現(xiàn)進行評價，并進行教學(xué)反思。

設(shè)計意圖：通過讓學(xué)生交流實驗總結(jié)以此幫助學(xué)生將本堂課的經(jīng)驗總結(jié)遷移到其他的實驗探究中，提高進行第二課堂活動的可實現(xiàn)性。

結(jié)語

本文以PBL教學(xué)模式為指導(dǎo)，選用自制教具來進行“探究安培力方向”的教學(xué)，將傳統(tǒng)實驗教學(xué)中的驗證性實驗改成探究式實驗，激起學(xué)生進行科學(xué)探究的內(nèi)驅(qū)力，幫助學(xué)生深刻理解掌握物理概念和物理規(guī)律。

參考文獻：

[1] 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（實驗）[S].北京：人民教育出版社，2004.

[2] 劉儒德.用“基于問題學(xué)習(xí)”模式改革本科生教學(xué)的一項行動研究[J].高等師范教育研究， 2002（3）： 49-54.

[3] 顏少芬，付麗萍.基于科學(xué)思維能力培養(yǎng)的高中物理教學(xué)設(shè)計——以“安培力的方向”教學(xué)片斷為例[J].物理教師，2019，40（5）：6-9.

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