育人視域下初中生實驗思維能力培養(yǎng)探索*

孫留橋

(南京市江北新區(qū)浦口外國語學(xué)校 江蘇 南京 210031)

隨著新時代教育的發(fā)展,“學(xué)科育人”成為重要的價值追求,“核心素養(yǎng)”是實現(xiàn)教育價值的基礎(chǔ)與核心;科學(xué)思維是“核心素養(yǎng)”的關(guān)鍵要素,在教育教學(xué)中起著舉足輕重的作用.物理是以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科,實驗思維能力的培養(yǎng)成為物理實驗教學(xué)中重要的目標和任務(wù).

1 物理實驗思維定義及特點

物理實驗思維,就是人對客觀事物(實驗儀器、實驗對象、實驗現(xiàn)象、實驗數(shù)據(jù)等)的本質(zhì)屬性、內(nèi)部規(guī)律及相互作用概括性的能動的反映.具有以下的特點.

1.1 以知識、操作及技能等為載體

物理實驗是概念、規(guī)律與實際操作有機結(jié)合的過程,思維活動的過程貫穿于物理實驗的各個環(huán)節(jié)之中,實驗思維的對象,一方面是物理概念、規(guī)律緊密相關(guān)的實驗原理,另一方面還包括實驗方案、器材、操作、數(shù)據(jù)以及結(jié)果處理等.學(xué)生在不斷實踐中,學(xué)習(xí)和積累知識、掌握實驗儀器使用方法和技能,不斷總結(jié)實驗中的經(jīng)驗和教訓(xùn)等,從而促進了實驗思維能力的發(fā)展.

1.2 在動態(tài)變化發(fā)展中獲得提升

一方面,為實現(xiàn)實驗?zāi)康?學(xué)生通過逐步主動積極地解決物理實驗過程中面對的各種問題,在解決問題的過程中完善物理實驗思維能力的結(jié)構(gòu).另外一方面,在物理實驗教學(xué)活動中,當他們掌握某種思維技能且獲得一定發(fā)展的時候,他們的實驗思維能力結(jié)構(gòu)也就自然逐步完善和發(fā)展起來.

1.3 存在較為明顯的心理個體差異

物理實驗的實質(zhì)就在于認識和活動的統(tǒng)一,因此,物理實驗思維能力是學(xué)生在物理實驗教學(xué)中所表現(xiàn)出的一種穩(wěn)定心理特征的綜合,物理實驗思維能力的建構(gòu),伴隨著實驗個體差異存在著明顯的思維或認知的差異性,即存在不同的思維品質(zhì),物理實驗思維的品質(zhì)主要包括敏捷性、靈活性、深刻性、獨特性、批判性5個方面.

2 物理實驗思維培養(yǎng)的探索途徑

2.1 因勢利導(dǎo) 培養(yǎng)實驗思維的敏捷性

實驗思維的敏捷性,一般指思維過程中體現(xiàn)出來的迅速程度.好的思維敏捷性特征:處理問題和解決問題時,能夠適應(yīng)迫切的情況積極進行思維,周密思考,正確地判斷和迅速地找到方法或結(jié)論,需注意的是它與思維的輕率性具有本質(zhì)的區(qū)別.實驗思維的敏捷性在實驗過程中的具體體現(xiàn)如下.

(1)實驗設(shè)計能根據(jù)研究的問題,及時抓住大腦中的各種有效關(guān)鍵知識,較短時間內(nèi)制定出實驗方案;

(2)實驗過程中,善于捕獲各種信息,對各種現(xiàn)象及時做出反應(yīng),迅速解決和排除實驗中的各種問題或干擾,快速處理實驗數(shù)據(jù),得出實驗結(jié)論.

實驗1：電流的熱效應(yīng)

在探究“電流的熱效應(yīng)”實驗教學(xué)過程中,教材中安排用溫度計測量被測液體的溫度.實際操作時,需要使用溫度計進行溫度測量,一方面學(xué)生不易觀察和讀數(shù),另外,兩個燒瓶中液體的溫度相差不大時不便于比較兩次示數(shù).針對這個問題,筆者將這個問題拋給學(xué)生,能否找到一個行之有效的方法呢?有學(xué)生立即提出用溫度傳感器來測量溫度的建議,如圖1所示.

圖1 用溫度傳感器來測量溫度

評析：該改進實驗通過問題導(dǎo)向,除了解決實驗數(shù)據(jù)的精度問題外,另外,與傳統(tǒng)的方案比較,還節(jié)約了實驗的時間;讓學(xué)生體會到科技的重要性,體驗到物理與生活的息息相關(guān),實驗效果更好.平常教學(xué)中,教師要善于捕捉契機,引導(dǎo)學(xué)生進行思考,提高他們思維的敏捷性.

2.2 順勢而為 培養(yǎng)實驗思維的靈活性

實驗思維的靈活性指物理實驗過程中思維活動的智力靈活程度,它往往具有以下特點:

(1)視角靈活,從不同方向和角度找到問題解決的方案;

(2)過程靈活,能運用分析和綜合的方法巧妙進行分析和思考;

(3)手段多元,具有較強的概括遷移能力,并且善于組合,伸縮范圍大;

(4)結(jié)果往往開放,不拘泥于一種形式或結(jié)果,豐富多彩,具有多種可能性.

具體物理實驗過程中的體現(xiàn)如下:

(1)靈活地運用所學(xué)的科學(xué)概念和規(guī)律,針對某一問題,提出多個實驗原理,設(shè)計出多種方案.

(2)巧妙運用分析、綜合、抽象、概括、判斷、推理等方法解決實驗中的問題;

(3)靈活處理實驗結(jié)果,善于從不同角度分析實驗誤差.

實驗2：驗證大氣壓的存在

在學(xué)習(xí)大氣壓時,常見的演示實驗是向一次性紙杯里倒?jié)M水,如圖2(a)所示,將硬紙板蓋在紙杯上用手按住,將紙杯轉(zhuǎn)動180°,讓紙杯口豎直朝下,觀察松手后的現(xiàn)象.紙片和水都沒有掉落,此現(xiàn)象說明了大氣壓的存在,但實際教學(xué)中,我們發(fā)現(xiàn)部分學(xué)生會認為紙片和水不掉落的原因是水與紙片之間有水,是水將紙片“粘”住了,這部分學(xué)生對大氣壓起了決定作用不是很信服,因此心里一直表示懷疑.

(a)驗證大氣壓實驗示意圖 (b)驗證大氣壓存在改進實驗圖2 驗證大氣壓存在實驗

師:為了消除此疑惑,能否設(shè)計實驗來證明呢?你設(shè)計的思路是什么?

生甲:將紙杯和紙片整個演示裝置放到一個大的容器中進行抽氣,觀察紙片是否掉落.

師:思路是正確的,但運用抽氣機進行實驗比較麻煩,實驗成本比較高.能否按照此思路設(shè)計一個器材和操作均很簡單的方案呢?

生乙:將此實驗進行改進,改用小瓶子和兵乓球進行實驗,將整個實驗裝置再放入一個密閉的大玻璃瓶中,如圖2(b)所示,通過吸管吸氣,我們也會發(fā)現(xiàn)兵乓球掉落了,從而驗證了大氣壓的存在.

評析：此實驗的改進充分體現(xiàn)了學(xué)生的實驗思維的靈活性,針對實驗存在的問題和疑問,結(jié)合有效的思路,積極思考策略,巧妙地設(shè)計方案解決了問題.實際教學(xué)中,教師要善于利用探究時空,撥開思維的“迷霧”,順勢而為,跨過一個又一個思維的制高點,久而久之,學(xué)生思維靈活性的培養(yǎng)水到渠成.

2.3 盤根究底 培養(yǎng)實驗思維的深刻性

實驗思維的深刻性是指思維活動的抽象程度和邏輯水平,涉及到思維活動的廣度、深度和難度3個方面.它是以感性材料為基礎(chǔ),通過思維進行去粗取精,去偽存真,由此及彼,由表及里,抓住事物的本質(zhì)與內(nèi)在聯(lián)系,進而認識到事物的特征和規(guī)律.主要特征是善于概括歸類,具有較強的邏輯抽象性,對認識活動具有系統(tǒng)性,能預(yù)見事物的發(fā)展進程.具體表現(xiàn)如下:

(1)實驗設(shè)計能運用所學(xué)的科學(xué)概念和科學(xué)規(guī)律,針對研究的問題,提出和闡述實驗原理,設(shè)計出合理的實驗方案;

(2)實驗過程中,能夠?qū)嶒炛兴^察的現(xiàn)象和所測的數(shù)據(jù)進行正確的分折、抽象、概括、判斷、推理等;

(3)對實驗現(xiàn)象、數(shù)據(jù)和結(jié)論養(yǎng)成用科學(xué)概念和規(guī)律邏輯性的歸納、聯(lián)想、解釋,以及善于運用數(shù)學(xué)輔助推理的習(xí)慣,正確處理實驗結(jié)果,能進行初步的誤差分析.

實驗3：探究液體壓強大小的影響因素

學(xué)習(xí)液體壓強時,許多學(xué)生對“液體壓強大小與液體重力無關(guān)”無法理解或理解比較困難,有部分教師提供液體壓強公式讓學(xué)生進行機械記憶學(xué)習(xí),液體壓強公式中沒有出現(xiàn)液體重力,因此,液體壓強大小與液體重力大小無關(guān),事實上學(xué)生并沒有真正理解其本質(zhì).教材中也未提供相關(guān)實驗進行分析,導(dǎo)致變成教學(xué)中的一個難點.

師:實驗是物理學(xué)習(xí)的基本方法和手段,我們能否通過實驗來進行驗證呢?我提供的器材有1個漏斗、1個橡皮管、1個氣球、適量的水.請你們思考,設(shè)計實驗方案.

生:可以設(shè)計下列實驗進行突破,如圖3所示,將橡膠管的一端與漏斗的下口相連,橡皮管的另一端與氣球連接起來,往漏斗中倒入水,我們會發(fā)現(xiàn)氣球充入水后由于水的壓強氣球會慢慢鼓起．此時,不再加水,僅將漏斗位置提高(氣球位置不動),我們又會發(fā)現(xiàn)氣球的體積逐漸變大,漏斗上升到一定高度時,氣球會被水壓破.

圖3 探究液體壓強實驗示意圖

評析：該實驗不僅演示了液體壓強與深度有關(guān)的規(guī)律,深度越深,壓強越大,同時由于實驗中保持了水量不變,水的壓強大小照樣能發(fā)生改變,解決了學(xué)生將液體所受的重力誤認為是液體壓強的影響因素的疑問,學(xué)生對液體壓強的影響因素的理解更加深刻,思維的深刻性也得到了提升.

2.4 創(chuàng)新設(shè)計 培養(yǎng)實驗思維的獨特性

實驗思維的獨特性即思維活動的創(chuàng)造性.獨特性注重于源于主體對知識經(jīng)驗或思維材料高度概括后集中而系統(tǒng)的遷移,進行新穎的組合分析,找出新異的層次和交結(jié)點.具體表現(xiàn)為:能夠根據(jù)問題需要,獨立設(shè)計方案、選擇器材、獲取數(shù)據(jù)、分析實驗結(jié)果并得出結(jié)論;善于提出獨特、新穎的實驗方案和方法,對實驗結(jié)果有獨到的見解;能獨立完成一定難度的探索性實驗,并根據(jù)現(xiàn)有器材和設(shè)備改進原有的實驗;在科技活動中,能夠設(shè)計出具有一定特色的科技作品.

實驗4：電磁感應(yīng)

在學(xué)習(xí)電磁感應(yīng)時,教材提供的器材比較多,由于電磁感應(yīng)的方向與多個因素有關(guān),實驗過程中必須控制變量,操作較為繁瑣.學(xué)生運用發(fā)光二極管和線圈,制作出如圖4所示的演示裝置.不用電流計來判斷電路中是否產(chǎn)生感應(yīng)電流,選取兩個發(fā)光顏色不同的發(fā)光二極管來代替電流計,為電路連接簡潔、操作方便,將兩個二極管反向并聯(lián)后接到線路中,再在干路中連入線圈,整個電路構(gòu)成閉合通路;當在線圈的上方插入磁棒,由于相對運動,線圈就會向上或向下切割磁感線運動,此時總會有一個二極管發(fā)光、一個二極管不發(fā)光的現(xiàn)象產(chǎn)生,這就表明在通路中有電流通過,同時說明,切割磁感線方向不同時,產(chǎn)生的感應(yīng)電流方向也不同.

圖4 電磁感應(yīng)實驗示意圖

評析：這是電磁感應(yīng)實驗的創(chuàng)新設(shè)計,將觀察電流計指針的偏轉(zhuǎn)改進為觀察發(fā)光二極管的亮滅來判斷感應(yīng)電流的產(chǎn)生,現(xiàn)象更明顯,直觀性更強,操作更簡單,學(xué)生也易于理解和掌握電磁感應(yīng).另外一方面,將發(fā)光二極管應(yīng)用到實驗中,學(xué)以致用,將科技元素與物理實驗巧妙融合,充分體現(xiàn)了學(xué)生實驗思維的獨特性.

2.5 大膽質(zhì)疑 培養(yǎng)實驗思維的批判性

實驗思維的批判性,也叫做批判性思維,是指物理實驗的思維活動中善于嚴格地估計思維材料和精密地檢查思維過程的智力品質(zhì).思維的批判性品質(zhì)有以下5個特點:

(1)分析性.在思維過程中不斷地分析問題所依據(jù)的條件和反復(fù)驗證已經(jīng)擬定的假設(shè)、計劃和方案.

(2)策略性.針對思維主題,根據(jù)自己原有的思維水平和知識經(jīng)驗尋找相應(yīng)策略或問題解決的手段.

(3)全面性.善于客觀分析考慮正反兩方面論據(jù),關(guān)注思維主題的進展,根據(jù)正確計劃進行錯誤方案的修改和完善.

(4)獨立性.不為情景性的暗示所左右,不人云亦云,盲從附和.

(5)正確性.思維過程嚴密,條理清楚,思維結(jié)果正確.

具體表現(xiàn)如下:

(1)善于對實驗的可靠性作出正確評估,從不同的實驗方案中選擇一種恰當?shù)目尚械姆桨?

(2)及時解決實驗中的問題,及時檢查、評價、調(diào)節(jié)實驗過程,從而修改實驗方案,使實驗順利進行;

(3)理解實驗的相對性,注意在實驗的全過程中保持質(zhì)疑心理,重視實驗各階段的反思和總結(jié).

思維的批判性品質(zhì)是思維過程中自我意識作用的結(jié)果.

實驗5：平面鏡成像

該實驗中,運用實驗器材多,操作的步驟也比較復(fù)雜,不僅要觀察實驗現(xiàn)象,而且必須記錄相關(guān)數(shù)據(jù),并對數(shù)據(jù)進行分析比較后得出平面鏡成像的規(guī)律.可以從以下幾個方面改進:

(1)用方格紙或棋盤鋪在桌面上,再將平面鏡立放于棋盤中軸線上;

(2)將一張白紙對折再展開鋪平,在折痕處立放玻璃板,實驗時在對應(yīng)的位置分別給物和像標上記號,實驗結(jié)束后將白紙沿鏡子所在直線對折,觀察對應(yīng)的記號是否重合;

(3)用茶色玻璃板代替無色透明玻璃板,或者在透明玻璃板一側(cè)粘貼透明薄膜,減少透光;

(4)用兩個相同的透明小藥瓶,其中一只內(nèi)裝上一個LED小燈珠代替蠟燭.

評析：首先通過運用棋盤可以直接地觀察到物和像到鏡子距離相等,并且連線與鏡面垂直的特點;運用白紙做記號的方法將用數(shù)學(xué)知識解決物理問題,提高學(xué)生的學(xué)科綜合能力,激發(fā)學(xué)生思維.其次,實驗記錄用的白紙學(xué)生在課后還可以重復(fù)進行觀察分析,有利于實驗結(jié)論的反復(fù)論證;茶色玻璃減少透光性,成像更清晰;最后,用LED燈珠代替蠟燭,排除燭焰易受氣流影響不穩(wěn)定的缺點,還增加了安全性.

3 結(jié)束語

思維的培養(yǎng)是新時代下學(xué)科育人的關(guān)鍵目標,物理實驗思維能力的品質(zhì)(深刻性、靈活性、批判性、敏捷性和獨特性)是學(xué)生在物理實驗思維活動中智力特征的表現(xiàn),它們之間是相互聯(lián)系、密不可分的;在實驗教學(xué)中,我們只要從培養(yǎng)學(xué)生實驗思維能力品質(zhì)的角度去組織教學(xué),努力探索,相信學(xué)生核心素養(yǎng)的提升一定會指日可待,學(xué)科育人的目標真正會落地生根.