呂德明

（浙江省溫嶺市第三中學(xué)，浙江 溫嶺 317500）

縱覽近幾年的浙江科學(xué)中考試題，我們不難發(fā)現(xiàn)命題的核心理念是促進(jìn)學(xué)生的終身發(fā)展。因此，考查的重點(diǎn)是學(xué)生所具備的必備品格和關(guān)鍵能力。具體表現(xiàn)為考試的內(nèi)容和考試的功能都在發(fā)生悄悄的改變。考試內(nèi)容由單純地關(guān)注知識和結(jié)果轉(zhuǎn)向關(guān)注過程，關(guān)注方法、能力和認(rèn)知?？荚嚬δ苡蓡渭兊倪x拔轉(zhuǎn)向關(guān)注科學(xué)素養(yǎng)。對于科學(xué)素養(yǎng)這一概念的界定，不同國家和組織各不相同，本文采用OECD的觀點(diǎn)。PISA對科學(xué)素養(yǎng)的定義是：作為一個反思型公民所需要的致力于科學(xué)相關(guān)問題和科學(xué)概念的能力[1]。在這些轉(zhuǎn)變中，我們不難發(fā)現(xiàn)其與經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織（OECD）的PISA測試在理念上不謀而合?，F(xiàn)行的PISA類測試評估從內(nèi)容上主要分為三個領(lǐng)域：閱讀素養(yǎng)、數(shù)學(xué)素養(yǎng)及科學(xué)素養(yǎng)。從測試對象的年齡和考試內(nèi)容與形式與中考學(xué)生高度一致。PISA類測試側(cè)重于在應(yīng)用及情境化中，解決和科學(xué)素養(yǎng)相關(guān)的科學(xué)真實(shí)問題，因此，能測試學(xué)生是否能夠掌握社會所需的知識與技能，深入檢視學(xué)生的基礎(chǔ)素養(yǎng)和關(guān)鍵能力。面對著這些變革廣大師生都存在著很多的困惑，因此，我們有必要重新審視當(dāng)前的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

在當(dāng)下受到“唯分?jǐn)?shù)”“唯升學(xué)”思想的影響，一些學(xué)校為了片面的追求升學(xué)率，拼命壓縮物理新知識的教學(xué)時間，多出來的時間都用來進(jìn)行“題海戰(zhàn)術(shù)”。因此，很多物理實(shí)驗(yàn)就變成了教學(xué)中的“雞肋”，經(jīng)常出現(xiàn)分組實(shí)驗(yàn)變成演示實(shí)驗(yàn)；演示實(shí)驗(yàn)變成新技術(shù)下的模擬實(shí)驗(yàn)；做實(shí)驗(yàn)變成了講實(shí)驗(yàn)。這就使得物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)失去了探索自然界奧秘的作用；使學(xué)生失去了體驗(yàn)物理知識獲得的過程，失去了借助實(shí)驗(yàn)探究提升物理關(guān)鍵能力的可能。這就使得物理知識變成了“無源之水，無本之木”。這樣的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，違背了學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，違背了教育心理學(xué)的發(fā)展規(guī)律。結(jié)合以上現(xiàn)象以及國家提出的“雙減政策”，本文提出了如何使物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)更加科學(xué)有效地促進(jìn)學(xué)生形成能力、培養(yǎng)核心素養(yǎng)的具體方法。

一、借助體驗(yàn)型實(shí)驗(yàn)促進(jìn)知識理解

學(xué)生在學(xué)習(xí)知識的過程中，往往忽略理解而過分注重記憶。這就造成對知識缺乏加工和處理的內(nèi)化過程，所以在知識遷移應(yīng)用時往往無法提取。這也是大部分學(xué)生雖然努力學(xué)習(xí)，但是在中考中卻經(jīng)常發(fā)揮不出能力的重要原因。因此，為了促進(jìn)知識的理解，可以利用物理實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生在真實(shí)的情境中確定問題和作出有證據(jù)的結(jié)論，提升科學(xué)素養(yǎng)。

1.生活型體驗(yàn)

物理知識來源于生活，服務(wù)于社會。生活化的情境會使學(xué)生產(chǎn)生親切感，有利于激發(fā)學(xué)生的求知欲望，在知識的習(xí)得過程中他們的思維會更活躍，更能加深對物理知識的理解，也更容易養(yǎng)成從物理學(xué)視角解釋自然現(xiàn)象的習(xí)慣。

例如，重力的教學(xué)。學(xué)生在學(xué)習(xí)重力的概念時，我們可以借助大量生活中的真實(shí)情境，從而引發(fā)他們對重力概念進(jìn)行文字表征。引課時我們可以利用（圖1），人類總有一個飛翔的夢想，裝上翅膀的人最終還是會落回地面，這是為什么呢？這時的同學(xué)能說出重力這個詞語，但對重力的概念還知之甚少。接下來我們就可以通過更加豐富的情境讓學(xué)生理解重力。（圖2）背同學(xué)上樓和（圖3）舉重比賽，做這些事情時他們最直觀的感受就是一個字“累”，除此之外，還能潛移默化地體現(xiàn)同學(xué)間的互助和運(yùn)動員為國爭光的擔(dān)當(dāng)。如果繼續(xù)分析累的原因，必然是要克服地球表面物體自身向下的一種力，這樣物體重力概念的出現(xiàn)也就水到渠成。即物體由于地球的吸引而受到的力叫重力。任何概念都有它的適用范圍，修正重力的概念表述可以借助（圖4）宇航員太空行走視頻，這種近乎漂浮的狀態(tài)和地球表面的物體有顯著的差異。所以重力的概念必須限定在地表附近。為了檢驗(yàn)學(xué)生對概念的認(rèn)知程度，我們必須讓他們在新情境中解釋自然現(xiàn)象。（圖5）是蘋果落地的頻閃照片，蘋果為什么會出現(xiàn)這樣的運(yùn)動軌跡呢？理解水平的最低層次是知道蘋果受到重力；第二層次增加重力的方向是豎直向下；第三層次增加在重力的作用下，相同時間走過的路程越來越大。通過這樣的設(shè)計(jì)，可以激發(fā)學(xué)生原有的生活經(jīng)驗(yàn)，讓他們在情境中思考并尋找答案，并在此基礎(chǔ)上修正原有的概念。這樣學(xué)生在理解的前提下完成了認(rèn)知的同化，形成了新的、更牢固的概念，進(jìn)而提升了他們的科學(xué)素養(yǎng)。

圖2 背同學(xué)上樓

圖3 舉重

圖4 宇航員

圖5 蘋果落地

2.操作型體驗(yàn)

物理知識的學(xué)習(xí)既要動腦又要動手。這正如蒙臺梭利的名言：“我聽過了，我就忘了；我看見了，我就記得了；我做過了，我就理解了?！辈僮餍臀锢韺?shí)驗(yàn)賦予了學(xué)生體驗(yàn)的過程，在體驗(yàn)中培養(yǎng)了學(xué)生的自主性和操作能力，可以促進(jìn)學(xué)生觀察能力和思維能力的提升，把握客觀事物的本質(zhì)揭示事物的內(nèi)在邏輯。

例如，慣性的教學(xué)。在學(xué)習(xí)完牛頓第一定律之后，學(xué)生們都知道在不受外力作用的時候物體總是會保持勻速直線運(yùn)動狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)一個物體受到外力干擾時又會出現(xiàn)什么情況呢？為了讓學(xué)生們獲得更豐富的直觀感受，我們可以組織學(xué)生完成（如圖6、7、8）等一系列實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過程中他們會發(fā)現(xiàn)，紙條被快速抽出后粉筆依然保持靜止；移動水杯，水杯中的水面會發(fā)生傾斜；吐出的煙圈會不斷前進(jìn)。仔細(xì)分析這些現(xiàn)象我們會發(fā)現(xiàn)，粉筆在受到一個較小的力作用時，它會一直保持靜止?fàn)顟B(tài)。運(yùn)動著的水杯突然停止運(yùn)動，水面會繼續(xù)向前運(yùn)動。吐出的煙圈也會保持向前繼續(xù)運(yùn)動。三個事例說明，不論是固體、液體還是氣體，物體總有保持原來的運(yùn)動狀態(tài)的性質(zhì)，這個性質(zhì)就是慣性。當(dāng)我們增長紙帶、增大水杯運(yùn)動的速度、用電風(fēng)扇吹煙圈時，粉筆就會傾倒、水會溢出水杯、煙圈也被吹散。這就說明，物體雖然能靠慣性保持原來的運(yùn)動狀態(tài)，但是當(dāng)外力足夠大時就會打破這種狀態(tài)。通過這些操作型實(shí)驗(yàn)，學(xué)生獲得了大量生動而真實(shí)的感性材料，這時運(yùn)用分析和綜合等科學(xué)方法就能透過現(xiàn)象認(rèn)識慣性的本質(zhì)。在這個知識的習(xí)得過程中學(xué)生可以充分體會基于事實(shí)證據(jù)，進(jìn)行科學(xué)推理是他們創(chuàng)造性地提出物理觀點(diǎn)重要途徑。在這個過程中他們的科學(xué)思維得以發(fā)展，各種能力得以提升。

圖6 快速抽出粉筆下的紙條（左）

圖7 勻速運(yùn)動的水杯突然停止（右）

圖8 吐出的煙圈

再如，電生磁的教學(xué)。奧斯特實(shí)驗(yàn)證明了通電直導(dǎo)線周圍存在磁場，即電流具有磁效應(yīng)。通過這個開創(chuàng)性的實(shí)驗(yàn)使人們獲得了一種新的獲得磁體的方法，為電氣化時代的到來開創(chuàng)了道路。然而在教學(xué)中奧斯特實(shí)驗(yàn)往往不易成功，這其中隱藏著什么奧秘呢？為了使學(xué)生更好地掌握電能生磁，就必須讓學(xué)位通過實(shí)驗(yàn)來體會電流的磁效應(yīng)。通過學(xué)生的大量實(shí)驗(yàn)找出實(shí)驗(yàn)失敗的原因可以概括為以下兩點(diǎn)。第一，導(dǎo)線的方向東西放置。東西放置的導(dǎo)線所產(chǎn)生的磁場方向?yàn)槟媳?，這個磁場方向與地磁場相一致，所以小磁針還能保持原來的方向不動。如何才能解決這一問題呢？其實(shí)方法很簡單，只要調(diào)換電源的正負(fù)極再做一次，或者改變導(dǎo)線放置方向即可。第二，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)的過程中為了防止電源短路，往往在電路中接入小燈泡，這樣通電導(dǎo)線的電流就會很弱，所產(chǎn)生的磁場也就很弱，再加上小磁針的位置放置較遠(yuǎn)所以實(shí)驗(yàn)難以成功。解決方法是拆掉小燈泡，將導(dǎo)線靠近小磁針。這也為通電螺線管教學(xué)提出了引子，即如何增強(qiáng)通電導(dǎo)線的磁場。通過錯誤的歸因，可以為成功鋪平道路。通過學(xué)生的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)，讓學(xué)生經(jīng)歷犯錯→試錯→改錯的過程，在錯誤中學(xué)習(xí)更能激發(fā)學(xué)生的反思習(xí)慣。通過追溯原因，形成制定新計(jì)劃的能力。這也正如約翰·鄧普頓所說：“聰明人從自己的錯誤和失敗中獲得經(jīng)驗(yàn)，而更聰明的人則從他人的錯誤和失敗中獲得經(jīng)驗(yàn)。”

二、借助物理實(shí)驗(yàn)探究提升關(guān)鍵能力

物理知識的習(xí)得必須經(jīng)過一系列的過程，在過程中掌握認(rèn)識世界的方法，提升學(xué)習(xí)者的能力。科學(xué)探究是發(fā)展科學(xué)能力與科學(xué)素養(yǎng)的核心所在，因?yàn)榭茖W(xué)探究本身就是一個從提出問題→建立假設(shè)→基于獲取證據(jù)的實(shí)驗(yàn)探究方案的設(shè)計(jì)→基于證據(jù)運(yùn)用的分析歸納、結(jié)論描述→表達(dá)與交流的研究過程。這個過程借助批判和質(zhì)疑對問題進(jìn)行解釋和預(yù)測，因此，與物理知識的習(xí)得高度契合。

1.數(shù)據(jù)分析型科學(xué)探究

規(guī)律推理是物理知識的習(xí)得的重要環(huán)節(jié)，借助科學(xué)探究深入分析隱藏于證據(jù)中的規(guī)律得出科學(xué)結(jié)論是學(xué)習(xí)這種知識十分有效的一種載體。

例如，探究重力大小影響因素的教學(xué)。學(xué)生認(rèn)為重力的大小可能和物體的質(zhì)量、體積和形狀等多種因素有關(guān)。如何通過批判質(zhì)疑排除無關(guān)因素的干擾呢？物體形狀和重力的關(guān)系我們可以借助橡皮泥這個容易形變的物體，通過對同一塊橡皮泥捏成不同的形狀借助彈簧測力計(jì)進(jìn)行探究，最終我們發(fā)現(xiàn)同一塊橡皮泥在形狀改變的過程中質(zhì)量不變，重力大小也恒定。而對于體積這一因素，我們可以根據(jù)密度的變形公式m=ρv，利用公式我們可以發(fā)現(xiàn)同種物質(zhì)體積的變化也就代表了質(zhì)量的變化，因此，質(zhì)量和體積這兩個因素可以用物體的固有屬性質(zhì)量來代替。接下來探究的重點(diǎn)就變?yōu)槲矬w重力和質(zhì)量的關(guān)系。我們可以借助大量的鉤碼和彈簧測力計(jì)進(jìn)行探究，通過多次試驗(yàn)改變鉤碼的數(shù)量即質(zhì)量，得出對應(yīng)的重力。通過實(shí)驗(yàn)得出具體的數(shù)據(jù)（如表1）。如何利用實(shí)驗(yàn)獲得的證據(jù)分析歸納出重力和質(zhì)量的定量關(guān)系呢？這時我們可以通過引發(fā)新問題，促進(jìn)學(xué)生審視以獲得的證據(jù)。問題：如何利用現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)儀器和測得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)量一個1.2千克的鐵塊的重力呢？實(shí)驗(yàn)室的彈簧測力計(jì)量程為5牛，1.2千克的鐵塊超出了測力計(jì)的量程。因此，這個問題必然引發(fā)學(xué)生認(rèn)知上的沖突，從而重新深入思考實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)背后隱藏的重力和質(zhì)量的定量關(guān)系。學(xué)生深入分析數(shù)據(jù)可得，3次實(shí)驗(yàn)中重力和質(zhì)量的比值分別是9.8、9.75、9.83，為減小誤差取平均后比值約為9.8，這個比值的單位為重力和質(zhì)量的復(fù)合單位N/kg。利用這個比值就可以計(jì)算任何質(zhì)量的物體的重力，因此，我們可以推理出重力和質(zhì)量的具體關(guān)系G=mg。通過這些處理，可以使學(xué)生掌握使用科學(xué)知識得出基于充分論據(jù)的結(jié)論的能力。

表1 重力和質(zhì)量的關(guān)系

2.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)型科學(xué)探究

物理知識的建立過程需要證實(shí)或證偽，通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案獲得證據(jù)是逐步接近物理知識本質(zhì)的有效途徑。

例如，牛頓第一定律的教學(xué)。根據(jù)日常生活中所見到的現(xiàn)象，在學(xué)生們頭腦中形成了一個頑固的信念，力是維持物體運(yùn)動的原因。這種想法同2000多年前的亞里士多德如出一轍，造成這種想法出現(xiàn)的本質(zhì)原因是摩擦力的存在。因此，在本節(jié)課的教學(xué)中核心問題就是創(chuàng)造出一種摩擦力不斷減小的情境，通過實(shí)驗(yàn)觀察和推理分析得出物體不受力時的運(yùn)動規(guī)律。利用教師準(zhǔn)備的小車、斜面、毛巾、棉布和玻璃等器材，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究阻力對小車運(yùn)動的影響。學(xué)生在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的過程中會遇到如下幾個問題：如何使物體獲得相同的速度？如何改變摩擦力的大小？有的同學(xué)會提出用相同的力推小車，可以使小車獲得相同的初速度。這時就會引發(fā)其他同學(xué)的質(zhì)疑，我們無法保證每次用力相同。在同學(xué)們的頭腦風(fēng)暴下，最終會得出讓小車從斜面同一高度靜止釋放這一方法。同理也會得出改變摩擦力的方法，在斜面的水平部分分別鋪設(shè)毛巾、棉布和不鋪物體，觀察并記錄小車運(yùn)動的距離（如表2）。分析表格前3列，學(xué)生會得出水平面越光滑，小車受到的阻力越小，運(yùn)動的距離越遠(yuǎn)。為了順利發(fā)現(xiàn)物體不受力時的運(yùn)動規(guī)律，教師可以引導(dǎo)學(xué)生推理小車在玻璃、冰面上的運(yùn)動情況，最后分析如果物體不受阻力會如何運(yùn)動。學(xué)生一般會表述為，物體不受阻力時會一直運(yùn)動下去。學(xué)生得出的一直運(yùn)動下去，是一種定性的分析，科學(xué)規(guī)律的描述需要精確定量。此時，引出表格第4列。如果物體不受阻力作用時，速度將不再減小，即它將保持原來的速度，勻速運(yùn)動下去的推論。通過這樣的處理，可以使學(xué)生體會到獲取知識的過程就是利用證據(jù)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行思維加工過程。

表2 小車在水平面上運(yùn)動狀況與所受阻力的關(guān)系

總之，PISA的命題理念對我們的教育教學(xué)產(chǎn)生了良好的導(dǎo)向作用。通過對不同類型知識采用不同的教學(xué)策略，可以促進(jìn)學(xué)生深入地理解科學(xué)知識，改善學(xué)生的思維品質(zhì)，提升學(xué)生分析問題、歸納推理、解決問題、科學(xué)評判等關(guān)鍵能力，最終使學(xué)生獲得終身發(fā)展所必備的關(guān)鍵能力，提升科學(xué)核心素養(yǎng)。