曾 敏

(廣東省中山火炬高技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)第一中學(xué) 廣東 中山 528437)

2022年頒布的《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)》中明確指出,核心素養(yǎng)是課程育人價值的集中體現(xiàn),是學(xué)生通過課程學(xué)習(xí)逐步形成的適應(yīng)個人終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的正確價值觀、必備品格和關(guān)鍵能力[1].其中的“終身”“發(fā)展”等關(guān)鍵詞都說明核心素養(yǎng)是指向過程,指向未來的;是一個伴隨終身,與時俱進(jìn)的動態(tài)優(yōu)化的過程.在OECD(Organization for Economic Co-operation and Development,經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織)的2005年報告當(dāng)中,也曾提出核心素養(yǎng)是個體面對復(fù)雜的、不確定的現(xiàn)實(shí)生活情境的時候表現(xiàn)出來的.也就是說核心素養(yǎng)并不是個體在面對他相對熟悉的、確定的生活情景當(dāng)中表現(xiàn)出來的.

物理學(xué)科核心素養(yǎng)的形成要經(jīng)歷物理教育的過程.物理課程要培養(yǎng)的核心素養(yǎng),主要包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任[2].其中在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力的時候,我們要求學(xué)生:通過學(xué)習(xí),形成科學(xué)探究的意識,能在學(xué)習(xí)和日常生活當(dāng)中發(fā)現(xiàn)問題,并提出合理的猜想和假設(shè);具有設(shè)計探究方案,還有獲取證據(jù)的能力,能夠正確地實(shí)施探究方案,并且利用各種手段和方法收集信息;具有分析論證的能力,會處理一些信息,還要學(xué)會交流與合作.能夠正確地表述、評估和反思探究過程與結(jié)果.

1 被忽視的實(shí)驗(yàn)評估

在實(shí)際的科學(xué)探究過程中,最后階段的實(shí)驗(yàn)評估,往往會被教師和學(xué)生們忽視,很多教師和學(xué)生認(rèn)為物理實(shí)驗(yàn)操作完成后,實(shí)驗(yàn)就結(jié)束了.其實(shí)不然,物理實(shí)驗(yàn)還需要評估,沒有評估的物理實(shí)驗(yàn)是盲目的,是不完整的[3].對評估不重視的原因有以下幾個方面.

1.1 重結(jié)論輕過程

對科學(xué)探究的教育作用認(rèn)識不足,認(rèn)為探究的目的只是為了得到某個結(jié)論和規(guī)律,而且結(jié)論可以用在將來的考試解題中.既然結(jié)論都得到了,就不必花時間和精力評估了.

1.2 重繼承輕創(chuàng)新

思維狹窄,只探究教材中的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,只沿用舊的實(shí)驗(yàn)方案,認(rèn)為只要是教材給出的實(shí)驗(yàn)方案就是最好的,這些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和方案都是經(jīng)過教師多年的實(shí)踐一直沿用的,思維上形成了路徑依賴.

為了保證實(shí)驗(yàn)成功,即使有引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實(shí)驗(yàn)的環(huán)節(jié),教師也會努力把學(xué)生引導(dǎo)到舊的實(shí)驗(yàn)方案中來.既然實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和方案都被證明是最優(yōu)化的,所以評估也就不重要了.

1.3 重驗(yàn)證輕探究

很多教師把本應(yīng)是探究型的實(shí)驗(yàn)改成了驗(yàn)證型的實(shí)驗(yàn).結(jié)論先讓學(xué)生了解了,再做實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證一下,不同的結(jié)論就意味著錯誤,學(xué)生也沒有信心表達(dá)錯誤的觀點(diǎn),分析論證得到的結(jié)論都是一致的、正確的.沒有了評估的素材,評估也就變得空心化了.

2 實(shí)驗(yàn)評估案例

2.1 實(shí)驗(yàn)評估之選擇合適的實(shí)驗(yàn)器材

在筆者指導(dǎo)學(xué)生開展“測量校園內(nèi)的大氣壓”的課外探究活動中,學(xué)生準(zhǔn)備根據(jù)托里拆利實(shí)驗(yàn),利用水柱的高度測量校園內(nèi)的大氣壓.實(shí)驗(yàn)前,學(xué)生進(jìn)行了精心的準(zhǔn)備,花了很多時間搜集器材,并利用周六的時間返回校園進(jìn)行實(shí)驗(yàn),結(jié)果沒有測量出水柱高度.學(xué)生沮喪地向筆者求助,筆者召集參與實(shí)驗(yàn)的學(xué)生們對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行評估,結(jié)合學(xué)生拍攝的實(shí)驗(yàn)視頻,發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中使用的透明軟管變扁了(圖1),軟管上端并沒有形成期望的真空,實(shí)驗(yàn)最終失敗了.導(dǎo)致失敗的原因是學(xué)生們?yōu)檫@次實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備的一條11 m長的透明塑料軟管(圖2).

圖1 透明軟管變扁了

圖2 透明塑料軟管

筆者提示學(xué)生們思考:是什么力讓軟管變扁的?為了使塑料管內(nèi)水柱的上端形成真空,應(yīng)該選擇什么樣的軟管?學(xué)生很快意識到需要更堅(jiān)固的可以抵抗外界大氣壓的透明管道.經(jīng)過一個星期的尋找,學(xué)生們找到了一種內(nèi)嵌鋼絲的可以抵抗負(fù)壓的透明軟管(圖3).在接下來的另一個周六,學(xué)生們用新的軟管成功測量出水柱高度并計算出校園內(nèi)的大氣壓(圖4).從對第一次失敗實(shí)驗(yàn)的評估中,學(xué)生們懂得了真空容器是需要承受外界巨大的氣壓的,今后選擇與真空相關(guān)的實(shí)驗(yàn)儀器時,就需要考慮儀器承受負(fù)壓的能力.另外也明白了很多實(shí)驗(yàn)不是一次成功的,實(shí)驗(yàn)器材的選擇經(jīng)常都需要不斷嘗試.

圖3 抗負(fù)壓透明軟管

圖4 測量水柱高度

2.2 實(shí)驗(yàn)評估之完善實(shí)驗(yàn)方案

在學(xué)生們學(xué)習(xí)了聲音的特性后,有學(xué)生想探究“弦樂器的音調(diào)與什么因素有關(guān)”,學(xué)生自主設(shè)計實(shí)驗(yàn)并完成了探究,學(xué)生們向筆者介紹探究的結(jié)果,并給筆者看了他們的實(shí)驗(yàn)報告(圖5).

圖5 第一次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)表格

在對學(xué)生們的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行評估時,筆者提示學(xué)生:物理世界紛繁復(fù)雜,影響因素很多,我們有沒有可能漏掉什么影響因素呢?接下來給學(xué)生們看了一張吉他琴頭的圖片(圖6),請學(xué)生們思考.學(xué)生們很快想到,原來設(shè)計的實(shí)驗(yàn)步驟中缺少了對琴弦松緊與弦發(fā)聲音調(diào)關(guān)系的探究,所以學(xué)生們完善了實(shí)驗(yàn)方案后又補(bǔ)充進(jìn)行了一組探究(圖7).從這次的實(shí)驗(yàn)評估中,學(xué)生們知道了人們對自然的認(rèn)識是逐漸推進(jìn)逐漸深入的,我們今天認(rèn)識的規(guī)律可能并不是客觀現(xiàn)實(shí)的全貌,隨時都會有新發(fā)現(xiàn)新收獲.

圖6 吉他琴頭

2.3 實(shí)驗(yàn)評估之調(diào)整實(shí)驗(yàn)裝置

在筆者講授“比熱容”一節(jié)時,組織學(xué)生進(jìn)行了“比較不同物質(zhì)吸熱的情況”的課內(nèi)探究,我們按照教材上推薦的器材(圖8)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),測溫方式改進(jìn)為利用溫度傳感器測量,利用手機(jī)自動收集數(shù)據(jù)并自動繪制溫度與時間關(guān)系圖像.

圖8 教材推薦的器材

這個實(shí)驗(yàn)采用了兩個相同的電加熱器,我們能在市場買到的功率最小的電加熱器是500 W的,采用這樣的器材優(yōu)勢明顯,既保證了水和食用油在相同的時間內(nèi)吸收相同的熱量,也縮短了加熱時間.經(jīng)過實(shí)驗(yàn),學(xué)生們得出了水和食用油的溫度與時間關(guān)系圖像,圖像大致分兩類(圖9和圖10).

圖9 第一類圖像

圖10 第二類圖像

得到第一類圖像的學(xué)生很迷惑,觀察之后發(fā)現(xiàn)大約1.5 min之前,水升溫比食用油快,但后面又呈現(xiàn)出食用油升溫比水快的現(xiàn)象,難道是測量出錯了嗎?經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)都是一樣的結(jié)果,確認(rèn)溫度測量是沒問題的.筆者組織學(xué)生們對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了仔細(xì)評估,因?yàn)椴煌〗M的器材是完全相同的,區(qū)別只可能出現(xiàn)在器材的組裝上,仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn),得到第一類圖像的小組,溫度傳感器放置于液體內(nèi)接近底部的位置,且離電加熱器較遠(yuǎn)(圖11),而得到第二類圖像的小組,溫度傳感器則放置于液體內(nèi)接近電加熱器上部的位置(圖12).

圖11 溫度傳感器離電加熱器較遠(yuǎn)

圖12 溫度傳感器離電加熱器較近

我們知道液體傳導(dǎo)熱量的方式是熱傳遞和對流,特別是食用油這種導(dǎo)熱性不好的物質(zhì),傳遞熱量主要依靠對流,當(dāng)溫度傳感器離電加熱器較遠(yuǎn)時,測量的溫度會出現(xiàn)明顯滯后.然后引導(dǎo)得出第一類圖像的學(xué)生們調(diào)整傳感器位置后再進(jìn)行實(shí)驗(yàn),果然也得到了第二類圖像.

令人高興的是,有學(xué)生問了另一個問題:測量水的溫度時,傳感器放在不同的位置為什么影響不大呢?筆者思考了一會兒,拿來了玻璃棒讓學(xué)生們攪拌一下水和食用油,問大家感覺上有什么不同?關(guān)于這個問題的答案筆者讓學(xué)生們回家查資料后再告訴大家.后來的討論就引出了食用油的粘滯系數(shù)大于水的問題,學(xué)生們還查到了30 ℃時水的粘滯系數(shù)μ=0.8 mPa·s,30 ℃時食用花生油的粘滯系數(shù)約為μ = 35 mPa·s,水的粘滯系數(shù)小對流快,升溫更均勻.更進(jìn)一步讓學(xué)生們思考,為什么有些教材上是通過加熱水和煤油(30 ℃時煤油的粘滯系數(shù)μ=2 mPa·s)來做這個實(shí)驗(yàn)?使用煤油有缺點(diǎn)嗎?為什么有些還要配攪拌器?經(jīng)過這次對實(shí)驗(yàn)異常數(shù)據(jù)的評估,學(xué)生領(lǐng)略了物理世界的復(fù)雜,意識到今后在設(shè)計實(shí)驗(yàn)時,考慮問題需要更加全面.也懂得了實(shí)驗(yàn)設(shè)計在很多情況下沒有完美方案,只有相對較優(yōu)的方案.

2.4 實(shí)驗(yàn)評估之誤差分析

在學(xué)習(xí)了“長度和時間的測量”之后,筆者想起物理教材人教版八年級上冊第7頁的小故事“伽利略對擺動的研究”,于是指導(dǎo)學(xué)生們開展了一次“單擺擺動的快慢和什么因素有關(guān)?”的課外探究活動.一方面讓學(xué)生熟悉秒表的使用,另一方面也讓學(xué)生了解物理探究的方法和過程.當(dāng)探究到 “單擺擺動的快慢與擺球質(zhì)量大小有什么關(guān)系?”時,我們采用了在同一根繩子底端掛不同數(shù)量鉤碼的方法,然后記錄單擺擺動30次的時間.某小組測量的時間如圖13和圖14所示,計算出:同一條細(xì)繩,掛一個鉤碼時,單擺擺動一次的時間是2.75 s,掛3個鉤碼時,單擺擺動一次的時間是2.78 s.

圖13 掛1個鉤碼擺動30次的時間

圖14 掛3個鉤碼擺動30次時間

經(jīng)過多個小組多次的測量,計算出單擺擺動一次的時間差異都是微乎其微的,考慮到按秒表時手的動作有快有慢,所以大家都可以理解誤差的原因.實(shí)驗(yàn)的最后學(xué)生們得出了“單擺擺動的快慢和擺球質(zhì)量、擺動幅度無關(guān).與擺長有關(guān),擺長越長,擺動越慢”的結(jié)論.

在實(shí)驗(yàn)的評估階段,筆者把各小組記錄的,同一條細(xì)繩掛1個鉤碼和3個鉤碼擺動30次的時間羅列出來,讓學(xué)生們觀察.學(xué)生們發(fā)現(xiàn)10個小組中,掛3個鉤碼時擺動的時間略長的數(shù)據(jù)有8個.提問學(xué)生們:“手按秒表的動作有時快有時慢,偏快偏慢的可能性應(yīng)該是一樣的,為什么我們絕大多數(shù)小組測量的掛3個鉤碼時單擺擺動會慢一點(diǎn)呢?”筆者拿出一根橡皮筋,掛上1個鉤碼和3個鉤碼,讓學(xué)生們觀察有什么不同.此時有學(xué)生想到了,因?yàn)?個鉤碼更重,所以繩子長度可能變長了.接下來讓學(xué)生們通過實(shí)驗(yàn)證明,如圖15和圖16所示,同一條細(xì)繩掛3個鉤碼時長度確實(shí)略微變長了.這恰恰符合了擺長越長,擺動越慢的結(jié)論.通過這次的實(shí)驗(yàn)評估,學(xué)生們知道了無處不在的形變,也知道了誤差是不可避免的,而且不一定是由于讀數(shù)或操作等偶然因素造成的,器材也是誤差的來源之一.有時新發(fā)現(xiàn)就隱藏在這些不起眼的小小誤差中.

圖15 掛1個鉤碼時繩子的長度

圖16 掛3個鉤碼時繩子的長度

2.5 實(shí)驗(yàn)評估之拓展新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

在探究“影響電阻大小的因素”時,學(xué)生們依次研究了導(dǎo)體的材料、長度、橫截面積對電阻大小的影響.最后研究溫度對電阻的影響時,采用的方法是我們常見的,把日光燈燈絲和小燈泡串聯(lián),加熱燈絲的同時觀察小燈泡亮度的變化.當(dāng)看到燈絲被加熱后小燈泡亮度變暗了,學(xué)生們發(fā)出驚嘆并立刻得出了:“溫度越高,導(dǎo)體的電阻越大”的結(jié)論.這里筆者并沒有立刻作出糾正,因?yàn)榭斩吹恼f教是不能讓學(xué)生內(nèi)心里真正信服的,而且印象也不深刻.所以在實(shí)驗(yàn)評估時提問學(xué)生們,僅僅根據(jù)日光燈燈絲的電阻隨溫度升高而變大,就得出了“溫度越高,導(dǎo)體的電阻越大”的結(jié)論,可靠嗎?除了金屬,生活中還有什么常見的其他導(dǎo)體?最后筆者推薦學(xué)生們探究一下溫度對食鹽水的導(dǎo)電性的影響.在筆者提供了部分器材的幫助下,學(xué)生們比較順利地完成了這個實(shí)驗(yàn)(圖17).

圖17 溫度對食鹽水導(dǎo)電性的影響裝置圖

實(shí)驗(yàn)中使用的是學(xué)生穩(wěn)壓電源,通過調(diào)節(jié)電壓旋鈕,可以穩(wěn)定輸出6 V電壓.為了觀察更準(zhǔn)確,使用電流表測電流,同時對食鹽水進(jìn)行加熱.從30 ℃開始記錄電流(圖18)并繪制圖像(圖19).學(xué)生們發(fā)現(xiàn),電壓不變的情況下,食鹽水的溫度越高,通過的電流越大.即溫度越高,食鹽水的電阻越小.至此,學(xué)生們明白了溫度對導(dǎo)體電阻的影響不能片面地說溫度越高電阻越大或溫度越高電阻越小,有時物理規(guī)律是很復(fù)雜的,原來的結(jié)論只能表達(dá)為:“導(dǎo)體的電阻受溫度的影響”.通過對前面探究的結(jié)論的評估,學(xué)生們拓展出了下一個探究的新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,使知識面不斷拓寬,能力不斷增強(qiáng).

圖19 溫度對食鹽水導(dǎo)電性的影響電流與溫度關(guān)系圖像

3 實(shí)驗(yàn)評估的作用

在整個探究流程里,評估是排在最后的,從評估的角度引導(dǎo)設(shè)計實(shí)驗(yàn),看似矛盾實(shí)則統(tǒng)一,因?yàn)樵u估也是對前面探究過程的總結(jié)和反思.很多時候不是想清楚了再做,而是做了以后才能發(fā)現(xiàn)問題,才能想清楚.愛因斯坦曾說已知是一個圓的內(nèi)部,未知是圓的外部,知道越多,圓的周長越長,遇到的問題就越多.筆者認(rèn)為科學(xué)探究的目的并不是終結(jié)所有問題,探究不應(yīng)帶著句號結(jié)束,而應(yīng)帶著問號面向?qū)?實(shí)驗(yàn)評估是承前啟后,打開未來的鑰匙之一.評估本身就可能包含了提出問題和猜想,可以衍生出下一輪探究的設(shè)計實(shí)驗(yàn)……

獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)論無疑是很重要的,通過結(jié)論不僅讓我們認(rèn)識了新的自然規(guī)律,而且結(jié)論對于學(xué)生也是解題的工具.但是科學(xué)是發(fā)展的,我們認(rèn)識的物理規(guī)律隨著人類對自然探索的深入有可能是會變化的.相對來講,科學(xué)探究過程中培養(yǎng)學(xué)生的探究能力就顯得更為重要和珍貴了,它可以為學(xué)生終身發(fā)展和社會發(fā)展提供源源不斷的動力.

失敗是成功之母,真正的探究經(jīng)常會面對失敗,要讓學(xué)生勇于試錯,大膽創(chuàng)新,培養(yǎng)學(xué)生開放的思維.不僅在探究課內(nèi)實(shí)驗(yàn)中嘗試新方法新工具,也要善于觀察和提問,根據(jù)生活情境設(shè)計和開展新的課外探究.遇到失敗能正確對待,學(xué)會評估和反思,改進(jìn)后反復(fù)實(shí)驗(yàn).這才是學(xué)生將來進(jìn)行科學(xué)研究時面對的真實(shí)情境.

要讓學(xué)生經(jīng)歷真正的探究過程,允許表達(dá)不同的觀點(diǎn),深入探尋不同現(xiàn)象背后的原因,在評估的過程中發(fā)現(xiàn)問題,尋找答案,改進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計.讓不同的思想碰撞出創(chuàng)意的火花,形成物理觀念,培養(yǎng)科學(xué)思維.