實驗教學在學生形象思維能力培養(yǎng)中的應用*

蔣淑芳 王金文

（北京市第五中學分校 北京 100009）

形象這一概念，總是和感受、體驗關(guān)聯(lián)在一起.形象思維是指用直觀形象和表象解決問題的思維.形象思維的過程是思維主體感知客觀事物的形象，并經(jīng)過由表及里的概括加工之后建構(gòu)意向系統(tǒng)的過程.它的形象性、直覺性、非邏輯性、整體性等特征要求我們通過真實的情境、圖形、圖像、聲音等去感知事物的運動變化［1］.物理形象思維是指基于物理表象基礎(chǔ)上的思維，物理表象就是物理形象在人腦里概括性與間接性的反映［2］.

物理學是研究物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)、基本運動形式以及相互作用規(guī)律的科學.物理學研究的對象具有形象性，小到微觀粒子，大到天體，以及我們所熟悉的聲、光、熱、電、力等形形色色的物理現(xiàn)象，它們都有自己的大小、形狀、狀態(tài)、運動規(guī)律等表現(xiàn)形式；物理學研究的過程具有形象性，物理學中物質(zhì)的變化、運動、相互作用都有形象的、生動的過程與之對應，如物態(tài)變化、光的傳播、機械運動、壓強、浮力等都有具體的動態(tài)形象；物理概念、規(guī)律具有形象性，如凸透鏡的成像規(guī)律、牛頓第一定律、阿基米德原理等都是形象思維到抽象思維的產(chǎn)物.所以，物理學習始終伴有形象性這一特征，物理形象是物理學研究的主要支撐，沒有物理形象，就不會有物理形象思維，物理學習就沒有意義［1］.因此，在物理教學中要重視創(chuàng)設(shè)情境讓學生充分感知物理形象，培養(yǎng)學生的形象思維能力，發(fā)展學生的科學思維，提升學生的核心素養(yǎng).

物理學是以觀察、實驗為基礎(chǔ)的一門學科.通過實驗創(chuàng)設(shè)情境是學生感知物理形象的有效途徑.而且，在實驗觀察和體驗的過程中，學生可以透過現(xiàn)象把握物理規(guī)律，建立對所學知識的深刻理解.在此筆者就以初中物理一些教學設(shè)計環(huán)節(jié)為例，談談實驗教學在學生形象思維能力培養(yǎng)中的教學策略.

1 演示實驗引入新課 提供形象思維素材 激發(fā)學習動機

形象思維是以表象進行思維的，一個表象貧乏的學生是不可能進行有效的、正確的形象思維的.在新課的引入環(huán)節(jié)，通過學生感興趣的演示實驗創(chuàng)設(shè)問題情境引入新課，激發(fā)學生的學習動機，并為學生提供形象思維素材，使學生充分感知物理現(xiàn)象，形成正確、鮮明的物理表象.

比如在“光的直線傳播”教學中，老師用手電筒做光源、在屏幕上演示了小兔子、狗、鳥等幾個手影引入新課，如圖1所示.同學們看到屏幕上生動的手影倍感親切，并且很自然地由形象生動的手影聯(lián)想到光的傳播路徑，積極主動地進入光的直線傳播的學習.

圖1 手影

在“大氣壓強”的教學中，教師給大家展示了一個套在礦泉水瓶口上的氣球，然后選班里的一名同學吹套在瓶口的氣球，當氣球被吹鼓后，教師接過瓶子的同時，悄悄將瓶底的小孔堵住，這時套在瓶口的氣球沒有封口仍然能保持膨脹，如圖2所示.然后教師發(fā)給每位同學一個礦泉水瓶和一個氣球，讓同學們也來試一試.因為同學們的礦泉水瓶上沒有孔，同學們憋足了勁，也不能把套在瓶口的氣球吹鼓.“為什么老師的氣球可以吹鼓，且可以不封口保持膨脹？為什么學生的氣球吹不起來呢？老師的瓶子或氣球有什么特殊之處嗎？”同學們由生動的“吹氣球”實驗引出了一連串的問題.此時老師說“是大氣壓幫了我的忙！”這時同學們提出了問題“什么是大氣壓？為什么大氣壓不能幫我們把氣球吹鼓呢？”同學們帶著困惑、好奇、興奮進入了大氣壓強一節(jié)課的學習.

圖2 不封口的氣球保持膨脹

2 學生實驗貫穿課堂 豐富學生的物理表象庫

科學研究證明，動手操作有利于學生物理形象思維的塑造，如果學生能親自動手實驗并進行有目的地觀察、分析、歸納、總結(jié)，不僅使學生因各種感官的刺激而激發(fā)學生的興趣和培養(yǎng)他們的能動性，而且通過學生親身經(jīng)歷整個物理過程，有利于在學生頭腦中形成正確的、清晰的、生動的物理表象，進而促進學生對物理知識形象的建構(gòu)和加深他們對知識的理解及長久地掌握［3］.

在“光的直線傳播”教學中，手影實驗提供形象思維素材引入新課之后，教師給同學們準備了激光筆、噴水壺、水、玻璃磚、平面鏡、可燃香、打火機、收集煙霧的塑料盒等器材，同學們自主設(shè)計實驗，觀察光在空氣中的傳播路徑，光在同種介質(zhì)和不同介質(zhì)中的傳播路徑.同學們通過向空氣中噴水霧、制造煙霧觀察到了光在空氣中的傳播路徑，如圖3所示.

圖3 光在空氣中的傳播

同學們通過親自動手實驗將枯燥的知識點“光在空氣中沿直線傳播”變成了一個有生命力的物理形象，激發(fā)學生的好奇心和學習興趣，引領(lǐng)學生初步認識光的傳播，并且為學生自主探究光在其他介質(zhì)中的傳播提供方法指導.接下來同學們將水、平面鏡、玻璃磚放在煙霧室中進行實驗，他們除了觀察到了光在空氣中的傳播路徑，還觀察到了光在水、玻璃中的直線傳播路徑，觀察到了光從空氣射向平面鏡后的反射，觀察到了光從空氣射入水中、從空氣射入玻璃中傳播路徑發(fā)生了偏折，如圖4所示.同學們通過親自設(shè)計實驗、觀察、比較、交流，積累了大量的物理表象.

圖4 光在水中和玻璃中的傳播

在“大氣壓強”教學中，在“不封口的氣球能保持膨脹”實驗后，老師給同學們提供塑料吸盤、玻璃板、水槽、注射器、塑料片、玻璃杯等器材，讓同學們通過實驗證明大氣壓的存在.同學們將小吸盤按壓在玻璃板上；將注射器在空氣中推拉，放到水中推拉；將玻璃杯內(nèi)灌滿水，倒扣在水槽中，用紙片蓋住盛滿水的玻璃杯倒扣在空氣中；將兩個大吸盤壓在一起，使勁地拉開……他們通過親身體驗，建立豐富的物理表象，充分感知了大氣壓的存在，感受了大氣壓的力量.

3 對實驗中的物理表象展開分析、類比、聯(lián)想等思維活動 構(gòu)建物理模型 培養(yǎng)形象思維能力

物理模型是形象思維和抽象思維的產(chǎn)物，建立在觀察和實驗基礎(chǔ)之上，是人們在積累了大量的物理表象后，通過對頭腦中的物理表象進行分析、類比、總結(jié)、抽象等，總結(jié)出研究對象的特點及規(guī)律，從而對研究對象做出一種簡化的特殊模型.物理模型的形成過程及其模型本身都具有形象性，有助于學生在頭腦中建立起清晰的物理情景，使復雜問題形象化、清晰化［1］.

在“光的直線傳播”教學中，在學生經(jīng)歷了空中噴水霧、自制管道中充滿煙霧的情景下觀察到光沿直線傳播的路徑，經(jīng)歷了在玻璃罩煙霧室中，觀察到了光在不同介質(zhì)中的傳播路徑等大量的物理表象后，教師引導學生將看到的光的傳播路徑畫出來，光線模型的建立水到渠成.另外，由此引出光線后，在本節(jié)課接下來的學習過程中教師以畫光線為主線，在學生每完成一個實驗后，鼓勵學生將所觀察到的實驗現(xiàn)象用光線描述出來，在影子、小孔成像等應用中引導學生用光線去描述現(xiàn)象，解釋現(xiàn)象.將實驗現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為物理模型，加深了學生對光現(xiàn)象的理解，培養(yǎng)了學生的形象思維能力.

在“大氣壓強”教學中，學生通過親自設(shè)計實驗充分感知了大氣壓的存在，感受了大氣壓的力量后，教師提出問題“大氣壓這么大，我們?nèi)梭w為什么沒有感覺呢？”此問題引起了同學們的思考.同學們對親身經(jīng)歷的證明大氣壓存在的實驗進行類比、分析、抽象、總結(jié)出“要想證明或感受大氣壓的存在，需要想辦法打破常態(tài)的平衡，形成壓強差.”比如向玻璃上壓吸盤，要用力按壓使吸盤內(nèi)的空氣變得稀薄甚至成為真空，從而使得吸盤內(nèi)外產(chǎn)生氣壓差，這樣大氣壓的作用才能顯現(xiàn)出來；覆杯實驗中，將杯子裝滿水再倒過來是為了排出里面的空氣，使大氣壓和液體壓強之間有壓強差，實驗容易成功，當然即使杯子沒有裝滿水，只要形成壓強差，這樣大氣壓的作用也能顯現(xiàn)出來.同學們在通過對實驗進行類比、分析、抽象、總結(jié)出大氣壓得以顯現(xiàn)的原理后想起了套在瓶口吹不起來的氣球，迫不及待地拿起氣球研究起來，一股吹不起來不罷休的勁頭.此部分教學實錄如下.

師：我們再來嘗試吹一吹套在瓶口的氣球，注意觀察氣球體積的變化.

生：還是吹不起來.

生：不是一點也吹不起來，只能吹鼓一點點.

師：為什么只能吹鼓一點點，是誰阻礙了氣球體積變大呢？

學生展開討論.

生：氣球鼓起一點后，瓶內(nèi)氣體被壓縮，體積變小，氣壓變大，阻礙氣球鼓起來.

師：想什么辦法使在氣球鼓起的過程中瓶內(nèi)的氣壓不變大呢？

生：在瓶子上打個孔，讓瓶內(nèi)氣體和大氣相通.

學生恍然大悟，想到老師剛才實驗的礦泉水瓶上應該有孔.

師：（發(fā)給大家工字釘）大家在瓶子上打孔后再吹氣球試試.

生：吹起來了，氣球吹起來了.

生：可是停止吹氣氣球就變癟啊，怎么封口呢？

師：停止吹氣球，氣球變癟了，如何做到氣球不變癟呢？

生：再把瓶身上扎的小孔堵住？

師：可以嗎？先試一試吧，吹鼓氣球后將瓶上的小孔堵住，仔細觀察現(xiàn)象.

生：不癟了，氣球不癟了.

生：不，好像先變小一點，才不再變癟了.

師：大家再多吹幾次試試，仔細觀察現(xiàn)象.

生：是這樣，先變小一點，后來就不變小了.

師：為什么氣球縮小一點后不封口也能保持膨脹呢？

學生再次展開討論.

生：氣球縮小一點后，瓶子里面氣體體積增大，氣壓減小，小于大氣壓，氣球內(nèi)的氣壓和大氣相通等于大氣壓，氣球內(nèi)外有壓強差，大氣壓壓著氣球使其不變癟.

生：原來是這樣，太神奇了.

當同學們將套在瓶口的氣球吹起并做到不封口也能保持膨脹時，他們的欣喜之情溢于言表，如圖5所示.他們感受到了大氣壓的力量，感受到了科學的神奇魅力.

圖5 不封口的氣球保持膨脹

4 實踐探索性實驗延伸到課外 培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和實踐能力

物理來源于生活，又應用于生活，物理的進步推進了科技的進步，科技的進步也給我們的生活帶來了方便.老師的教和學生的學都不能緊扣課本，應該密切聯(lián)系生活，鼓勵學生，給學生提供機會把所學的知識應用于生活.比如課下給學生留一些家庭小實驗、小制作等實踐探索性任務，這些實踐探索性實驗不僅能讓學生體會到物理的樂趣與魅力，還能培養(yǎng)學生動手操作能力、應用能力、幻想能力，而這正是他們形象思維能力的體現(xiàn).

例如，學完“光現(xiàn)象”之后，讓同學們尋找身邊神奇美麗的光現(xiàn)象.很多同學都學會了手影，在班里展示，如圖6所示.

圖6 學生的手影作品

有的同學用光盤、水盆和鏡子去尋找身邊的彩虹，如圖7所示；還有的同學發(fā)現(xiàn)了身邊的透鏡，如圖8所示.學習了密度后，孩子們調(diào)制了漂亮的雞尾酒，還傳授給大家調(diào)制雞尾酒的秘方，如圖9所示；學完“壓強”一章后，同學們在壓強復習課上展示“神奇氣球”系列，像“踩不破的氣球”“水吹氣球”等特技，如圖10所示；學完“浮力”后，他們用口服液瓶、曲別針和吸管、筆帽等身邊的物品制作了各式各樣的浮沉子……實踐探索性實驗使得學生聰明的腦瓜里冒出了一朵朵美麗神奇的浪花.

圖7 身邊的彩虹

圖8 身邊的透鏡

圖9 雞尾酒

圖10 神奇氣球

實踐表明，實驗教學在學生形象思維能力培養(yǎng)中的教學策略的實施，大大激發(fā)了學生對物理學習的興趣，營造了一個充滿生命活力的物理課堂.學生通過親身的感受、體驗，在頭腦中建立豐富的物理表象，經(jīng)過對物理表象由表及里地概括加工，把真實的情境和物理學的概念、規(guī)律等聯(lián)系起來，提升了學生把情境與知識相關(guān)聯(lián)的意識和能力，發(fā)展了學生的科學思維，提升了學生的核心素養(yǎng).