物理學科教室支撐學生自主創新實驗的策略

鄭智偉??朱超穎

物理學科教室是培養學生物理學科核心素養的助推器、催化劑。筆者在物理學科教室環境下以“歐姆定律”實驗教學為載體，借助學生之前的實驗錄像進一步規范操作;通過小游戲“找不同”激發學生學習的興趣，引發猜想;提供簡單易得的器材支持學生自主設計實驗;匯聚全班實驗數據，引導學生共同分析函數圖像，通過課堂精準教學和課后分層作業，實現教學提質增效，支撐學生自主創新，助力學生物理學科核心素養發展。

一、堅持素養導向基于物理學科教室設計教學流程

在全球化和信息化背景下，為充分發揮物理課程育人價值，助力學生核心素養的培育，學校和學科教師積極整合技術資源，學科教室應運而生。基于學科教室的教學更加多元化，更加注重目的性、主體性[1]。

以筆者所在初中的物理教學為例，學科教室集常規教室、實驗室、學科圖書館、微機室為一體，是綜合型教室。課堂上師生不僅可以在教室中部自由組合桌凳開展常規教學活動，使用教室兩側的實驗臺進行實驗，而且可通過計算機上網查閱資料，查看教師下發的學習資源，參與互動[2]。學生課后更可根據興趣、需求借閱物理資源角的圖書、期刊。基于此，筆者以蘇科版《物理》九年級上冊“歐姆定律”一課為抓手，借助物理學科教室轉變物理實驗教學方式，設計新的教學流程（如圖1），提高教學實效。

二、物理學科教室助力學生自主創新實驗

（一）借助實驗評價，規范實驗操作

學生在物理學科教室做實驗時，可以通過每臺實驗桌上的俯視及側視攝像頭對自己的操作實時錄像。實驗后，教師可登錄實驗平臺對學生的實驗操作打分。課后學生也可以登錄平臺查看自己的實驗過程、實驗記錄及教師評價。

上課伊始，筆者選取已做電學實驗中由于操作問題造成失分的視頻（如圖2），讓學生一起找一找實驗操作中存在的問題。

現象（學生觀察）：當學生連接好最后一根導線，小燈泡立即發光（如圖3）。

原因（學生回答）：在連接電路的過程中開關沒有斷開。

現象（學生觀察）：學生閉合開關后，小燈泡發出較強的光。

原因（學生回答）：閉合開關前，滑片沒有移到最大阻值處。

設計意圖：教師截取學生之前在物理學科教室中做電學實驗時錯誤操作的視頻，讓學生相互評價，指出實驗操作錯誤之處并加以改正。這種針對性回顧對于學生加深理解電路連接中基本要點有潛移默化的作用。這不僅對學生操作能力的提升有助力，而且為學生在本節課順利進行電學實驗作好了技能上的鋪墊。

（二）小游戲“找不同”，提興趣引猜想

在學生回顧連接實物電路的基本操作后，結合他們目前的認知（通過相同規格小燈泡的電流越大，小燈泡越亮），筆者選取了學生之前用相同規格器材做電學實驗的照片，發起“找不同”的小游戲（如圖4），讓學生猜想電路中的電流與什么物理量有關。

不同之處（學生觀察） ：左圖中小燈泡較暗（如圖4）;左圖中雖然有兩節干電池，但只有一節干電池接入電路。

猜想（學生回答）：小燈泡相同時，小燈泡兩端電壓越高，小燈泡越亮，通過小燈泡的電流越大，說明電路中的電流可能與導體兩端電壓有關。

不同之處（學生觀察） ：右圖中小燈泡較暗（如圖5）;右圖中雖然也是兩節干電池，但多了一個滑動變阻器，且移動滑片時，隨著滑動變阻器接入電路中的阻值變小，小燈泡變亮。

猜想（學生回答）：電源電壓相同時，電路中電阻越大，小燈泡越暗，通過小燈泡的電流越小，說明電路中的電流可能與導體的電阻有關。

設計意圖：九年級學生學習壓力較大，且電學相較于八年級學習的物理知識而言較為抽象，他們缺少相應的切身體驗也無法直接觀察很多生動的現象，以致部分學生逐漸地失去興趣、喪失信心。教師借助“找不同”這種小游戲，激發學生的學習興趣，并且結合此前學生做的實驗，引導學生將通過導體的電流與電壓、電阻聯系起來，從而順理成章地引出本節課的主題（猜想）。

（三）器材觸手可及，支撐自主設計

物理學科教室中每張實驗桌下方放有系列化實驗箱，幾乎涵蓋初中物理實驗所需器材，并且所有器材學生觸手可及。物理學科教室具有強大的支持能力，可有效支撐學生的自主設計與探究，不會出現傳統教室或實驗室環境下學生設計了實驗卻發現所需器材沒有準備的尷尬情況。

例如，在“探究通過導體的電流與導體兩端電壓的關系”實驗中，筆者讓學生自主選擇實驗器材，部分小組選用干電池作為電源，通過改變電池數量的方式改變并判斷定值電阻兩端的電壓;部分小組將小燈泡選為研究對象;部分小組通過電阻箱調節定值電阻的電壓值。學生經過實驗與討論后發現：第一種方案中使用過的干電池電壓并不是1.5 V;第二種方案中小燈泡的阻值會發生變化并導致實驗出現較大誤差;第三種方案中改變定值電阻兩端電壓到某個值時，電壓一會偏大、一會偏小，需要來回多次旋轉旋鈕進行調控，與滑動變阻器相比其操作較為麻煩。

設計意圖：教師利用物理學科教室中觸手可及的實驗器材，讓學生無后顧之憂地自主設計實驗，有利于培養學生的探究能力。學生在一次次自主探究中，親歷發現問題、分析問題、解決問題的過程，進而不斷優化實驗設計，促進其科學思維的培育。

（四）匯聚實驗數據，共析函數圖像

在完善實驗設計之后，筆者再次開展“探究通過導體的電流與導體兩端電壓的關系”實驗教學。很多教師開展該探究實驗的做法是，讓學生分組實驗并做數據的處理與分析。課堂時間有限，通常教師讓學生做出3組實驗就進行分析。由于實驗數據較少，學生難以直觀地分析、比較、歸納，得出實驗結論。

筆者利用物理學科教室中每臺實驗桌上放置的計算機，將學生分為三大組分別用5 Ω、10 Ω和15 Ω的定值電阻進行實驗，讓學生在做實驗的同時將實驗數據填到對應的在線表格中。接著，筆者選取“電壓”列數據進行升序排列，進而讓學生縱向、橫向分析實驗數據。

設計意圖：教師借助全班學生的力量及信息化手段，匯聚實驗數據，有效解決實驗時間不夠及實驗數據較少的問題。除此之外，教師借助信息化手段快速地對實驗數據排序，可以更加清晰地對數據進行對比，引導學生對大量數據進行深挖，從而更加準確地分析得出結論：縱向來看，隨著電壓增高，電流成倍地增大;橫向來看，電流與電壓比值是一個定值。

在對全班三大組實驗數據分別進行排序后，筆者借助全班學生的力量分別繪制I—U圖像（圖6為選取5 Ω定值電阻的I—U圖像），讓學生通過函數圖像直觀地判斷I與U的關系。在此基礎上，筆者對比函數圖像，引導學生探究函數圖像斜率的物理意義。

學生做第二個實驗“探究通過導體的電流與導體電阻的關系”，與第一個實驗類似，對實驗數據表格進行縱向與橫向分析，得出結論：縱向來看，電阻越大，電流越小;橫向來看，電流與電阻的乘積是定值。將實驗數據轉化為函數圖像后，學生觀察I—R圖像能大體看出兩個物理量之間的關系。但是由于實驗器材有限，學生獲取的數據不多，并不能輕易地看出它是一個呈反比關系的圖像。筆者借助信息化手段，巧妙地將I—R圖像轉化為I—1/R圖像（如圖7），引導學生分析出電流與電阻成反比的關系。I—1/R圖像中靠近原點的一小段并非直線，筆者借助這個生成的問題引導學生分析，并找到原因：電流表的分度值較大，當電阻較大時，導致讀數不準確，發生上述現象。

設計意圖：教師利用信息化手段對實驗數據進行處理，化數字為函數圖像，便于學生更加清晰地判斷物理量之間的關系。函數類圖像在初中階段較為重要，筆者在學生明確橫縱坐標物理意義的基礎上，引導他們對該圖像進行深挖。在第一個實驗中，筆者讓學生觀察電阻不同的三組函數圖像斜率不同，引導他們探究斜率的物理意義——電阻的倒數，并通過斜率逆向地去判斷電阻數值，提高學生的科學思維能力。在第二個實驗中，學生得出電流與電阻成反比的結論較為困難，筆者用圖像法破解這一難題，讓學生了解運用圖像解決物理問題的優勢，進而在日后學習過程中有意識地用物理圖像解決物理問題[3]。

（五）課上精準教學，課后分層作業

教師統計學生在平臺上提交的實驗設計、數據記錄、答題情況，可以快速把握學生對剛剛所講知識的掌握程度，有利于在后續提問中對相關學生有所側重，更加精準地展開教學，盡可能地讓更多的學生掌握所學內容。

除此之外，筆者結合平臺統計情況及對學生實驗錄像的分析，進行分層作業的設計。例如：對于知識掌握不理想的學生，筆者設置一些基礎性的概念題與實驗題，并且增加其按照要求動手連接電路的機會;對于部分基礎掌握較好的學生，在常規題的基礎上增加一些創新題，并且讓其借助器材設計調光燈這類有一定難度的電路，“跳一跳，夠得到”，引導這部分學生在“做中學”的過程中發散思維，提升創新能力。

設計意圖：教師在物理學科教室環境下，記錄學生學習情況，有效掌握學情，打破了在傳統教室中無法準確、高效地掌握所有學生學習情況的困境，有助于教師在課堂上對學業欠佳的學生的精準跟進，在課后盡可能地讓所有學生“吃好、吃飽”。

在初中物理實驗教學中，教師可充分發揮物理學科教室的優勢，營造良好的物理學科探究氛圍，創設物理情境，調動學生學習的積極性、主動性和創造性。為促進信息技術與教學深度融合，教師應將適宜的軟硬件和教學手段融入學科教室，有效突破教學中的難點問題，幫助學生將知識“化繁為簡”。在學科教室環境下，教師借助先進的設備可以有效化解后排學生對教學內容可視性差的問題，盡可能地顧及每位學生。實驗器材齊全，觸手可及，有利于學生大膽、自由地設計實驗，自主探究，也有利于學生在體驗中學習，在探究中學習，在實踐中學習。筆者認為，發揮學科教室的優勢，有效支撐學生自主創新實驗，可以促進初中物理實驗教學方式的轉變，更加有效地培養學生質疑的習慣，使其提高解決問題的能力，學以致用，更好地服務社會。

注：本文系江蘇省教育科學“十四五”規劃專項課題“基于質性分析的中學物理學科教室課堂教學行為研究”（編號：C-c/2021/02/187）、江蘇省教育科學“十四五”規劃課題“指向創新能力培養的初中物理5E教學模式應用研究”（編號：D/2021/02/155）的課題成果。

參考文獻

[1] 林春輝，周世平.構建“物理學科”教室，培育學科核心素養[J].物理教學，2017（6）：5-7.

[2] 羅成.基于具身認知的高中物理學科教室建設[J].物理教師，2019（4）：30-33.

[3] 楊小春，朱超穎.初中物理圖像類問題的教學難點與策略分析[J].教學與管理，2021（16）：71-73.

（作者鄭智偉系江蘇省常州市第二十四中學天寧分校教師;朱超穎系江蘇省常州市第二十四中學教師）