重實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新 促思維發(fā)展
——以“廣播電視與通信”為例

郭培東

(東莞市濟(jì)川中學(xué) 廣東 東莞 521730)

科學(xué)思維是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成部分，它貫穿在整個(gè)學(xué)習(xí)過程中，是核心素養(yǎng)的核心內(nèi)容．物理學(xué)科是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，但教材中還是有部分實(shí)驗(yàn)受到實(shí)驗(yàn)裝置短缺或?qū)嶒?yàn)類型等因素影響導(dǎo)致教學(xué)效果不理想．要在平時(shí)的教學(xué)中落實(shí)科學(xué)思維的培養(yǎng)，教師應(yīng)該深挖教材素材，通過實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，讓學(xué)生經(jīng)歷模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證和質(zhì)疑的思維過程，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展．下面以粵滬版“廣播電視與通信”為例，談?wù)勅绾瓮ㄟ^實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新促進(jìn)科學(xué)思維的發(fā)展．

“廣播電視與通信” 是電磁波應(yīng)用的具體事例，體現(xiàn)“從生活走進(jìn)物理，從物理走向社會(huì)”．但是教材對(duì)這部分內(nèi)容只是簡單的文字介紹，忽略實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)的過程，缺少科學(xué)論證，不利于學(xué)生學(xué)科思維的培養(yǎng)．筆者通過實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新，從光纖通訊出發(fā)，先讓學(xué)生了解激光能加載傳播信息，激光在光纖中傳播的原理、激光通訊的原理等，然后再將激光通訊的原理遷移到廣播電視中來，由可見的激光到不可見的電磁波的思維遷移過程．

1 實(shí)驗(yàn)裝置創(chuàng)新 促科學(xué)論證

在平時(shí)的教學(xué)中應(yīng)重視培養(yǎng)學(xué)生使用科學(xué)證據(jù)的意識(shí)和能力，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用證據(jù)對(duì)研究的問題進(jìn)行描述、解釋，讓學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)論證的過程，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展．

光纖通信在生活中已經(jīng)廣泛應(yīng)用，學(xué)生對(duì)光纖通訊既熟悉又感到陌生，熟悉是他們?cè)谏钪新犝f過、使用過光纖通信，陌生在于他們對(duì)光纖通訊原理的不了解，對(duì)“激光可以加載并傳播信息”帶有疑問，而市場(chǎng)上現(xiàn)有的光纖通信裝置價(jià)格昂貴也不方便學(xué)生觀察，因此，筆者嘗試進(jìn)行實(shí)驗(yàn)裝置的創(chuàng)新，制作簡易的激光通信裝置，如圖1所示，以論證激光可以加載和傳播信息．

接通接收端和發(fā)射端的電源，如圖1(a)所示，將發(fā)射端帶有音頻信息的激光對(duì)準(zhǔn)接收端光敏二極管就能聽到接收端揚(yáng)聲器的音樂響聲；斷開發(fā)射端電源，如圖1(b)所示，用普通激光對(duì)準(zhǔn)接收端光敏二極管，沒有聽到音樂響聲．引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)觀察到的實(shí)驗(yàn)證據(jù)進(jìn)行歸納、比較的思維過程，如圖1(c)所示，發(fā)現(xiàn)接收端揚(yáng)聲器是否有音樂響起的主要原因不在于激光，而在于激光是否加載了音樂信息，得到發(fā)射端發(fā)出來的激光是經(jīng)過調(diào)制加載了信息的激光，提出激光是可以加載和傳播信息的觀點(diǎn)．

圖1 自制的簡易激光通信裝置

2 實(shí)驗(yàn)效果顯示器創(chuàng)新 促模型建構(gòu)

模型建構(gòu)的過程也是思維發(fā)展的過程，實(shí)驗(yàn)效果顯示器是否直觀形象，是否能從主要方面反映研究客體等都會(huì)影響學(xué)生的模型思維過程，是學(xué)生建構(gòu)能反映研究課題本質(zhì)特征的模型的關(guān)鍵．

光纖通信中，由于學(xué)生無法觀察激光在真實(shí)光纖中傳播的過程，導(dǎo)致對(duì)激光在光纖中傳播缺少認(rèn)識(shí)或者是錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí)，誤認(rèn)為激光在光纖中傳播過程像水在水管中流動(dòng)一樣．因此，筆者對(duì)實(shí)驗(yàn)效果顯示器進(jìn)行創(chuàng)新，以幫助學(xué)生正確建構(gòu)激光在光纖中傳播的模型．

先從激光傳播過程中遇到障礙物被阻擋引入光纖，如圖2(a)和圖2(b)所示，從而提出“激光在光纖中怎樣傳播？”的問題．

實(shí)驗(yàn)1：讓學(xué)生觀察激光從光纖的一端入射，從另一端射出的現(xiàn)象，如圖2(c)所示；撕掉光纖的外皮，看到光纖是很細(xì)的導(dǎo)光纖維，不便觀察激光的傳播過程.

實(shí)驗(yàn)2：給學(xué)生提供直徑1 cm的導(dǎo)光玻璃，觀察激光從導(dǎo)光玻璃的一端入射，從另一端射出，中間沒有發(fā)生折射現(xiàn)象，如圖2(d)所示.

實(shí)驗(yàn)3：在直徑10 cm有機(jī)玻璃管中裝滿水來代替光纖，在水中加入少量的純牛奶，激光信號(hào)在玻璃管中傳播產(chǎn)生丁達(dá)爾效應(yīng)，能夠清晰呈現(xiàn)光全反射時(shí)的立體光路，如圖2(e)所示．

圖2 激光在光纖中的傳播

通過這3個(gè)實(shí)驗(yàn)操作，讓學(xué)生在眾多的具體表象(光纖外皮的約束、折射、反射等)中抓住最具有本質(zhì)特征的圖像，再通過直觀明顯的實(shí)驗(yàn)效果顯示器來展示出來，自然而然就在頭腦中建構(gòu)了激光在光纖中全反射的模型．

3 實(shí)驗(yàn)方案創(chuàng)新 促科學(xué)推理

科學(xué)推理是根據(jù)一個(gè)判斷得出另一個(gè)判斷的思維形式．包括邏輯上的歸納推理、演繹推理和類比推理，還包括分析與綜合、抽象與概括、比較與分類等思維方式．在教學(xué)過程中需要在實(shí)驗(yàn)方案上進(jìn)行優(yōu)化或創(chuàng)新，以引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)已有認(rèn)識(shí)或已掌握的科學(xué)證據(jù)進(jìn)行分析、歸納、抽象、概括、演繹、類比等推理過程獲取新的認(rèn)識(shí)．

在對(duì)光纖通信有充分認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生思考，“廣播電視是靠什么傳播信息的呢？”激光是電磁波，是一種可見的電磁波，而廣播電視可能是利用看不見的電磁波加載傳播信息的．啟發(fā)學(xué)生經(jīng)歷比較、類比的推理過程，得出科學(xué)的猜想．進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生思考“怎么證明廣播電視是利用電磁波傳播信息的呢？”為學(xué)生提供如何屏蔽電磁波的閱讀材料，設(shè)計(jì)如何屏蔽廣播電視信號(hào)的實(shí)驗(yàn)方案．將一個(gè)正在工作的收音機(jī)放在一個(gè)不銹鋼碗里，然后用另一個(gè)鐵碗蓋住，發(fā)現(xiàn)收音機(jī)的信號(hào)被屏蔽了．這個(gè)過程學(xué)生利用生活用品，進(jìn)行一個(gè)簡單的實(shí)驗(yàn)方案創(chuàng)新，獲取廣播電視信號(hào)是可以被金屬導(dǎo)體屏蔽的證據(jù)，結(jié)合學(xué)生對(duì)“電磁波可以利用導(dǎo)體屏蔽”的已有認(rèn)識(shí)，從而得出廣播電視就是利用電磁波加載和傳播信息；這也是在已有認(rèn)識(shí)和已有證據(jù)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過分析、比較、演繹、類比和歸納后獲取新認(rèn)識(shí)的思維過程．

4 實(shí)驗(yàn)材料創(chuàng)新 促質(zhì)疑與創(chuàng)新思維發(fā)展

質(zhì)疑創(chuàng)新是基于事實(shí)證據(jù)和科學(xué)推理對(duì)不同觀點(diǎn)和結(jié)論提出質(zhì)疑和批判，進(jìn)行檢驗(yàn)和修正，進(jìn)而提出創(chuàng)造性見解的思維．為學(xué)生提供豐富的實(shí)驗(yàn)材料以激發(fā)學(xué)生對(duì)已有結(jié)論提出有依據(jù)的質(zhì)疑，并采用不同方式分析解決問題，促進(jìn)學(xué)生質(zhì)疑創(chuàng)新思維的發(fā)展，提高學(xué)生的創(chuàng)造力．

如在學(xué)生進(jìn)行收音機(jī)信號(hào)屏蔽的實(shí)驗(yàn)之后，提出質(zhì)疑“屏蔽的不一定是電磁波，可能是因?yàn)槟愀糸_空氣導(dǎo)致信號(hào)中斷的”，針對(duì)問題為學(xué)生提供塑料碗和帶有孔的不銹鋼菜籃代替鐵碗進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生自行發(fā)現(xiàn)開孔的不銹鋼菜籃也能屏蔽收音機(jī)信號(hào)，而密封的塑料碗不能，進(jìn)而得到“收音機(jī)的信號(hào)屏蔽不是因?yàn)橥敫糸_空氣導(dǎo)致的”的觀點(diǎn)．又如在介紹衛(wèi)星通信的中繼站時(shí)，有學(xué)生提出疑問“電磁波可以傳播無限遠(yuǎn)，為什么需要中繼站”，這時(shí)教師利用上課用的無線揚(yáng)聲器給學(xué)生實(shí)驗(yàn)，逐漸增加無線麥克風(fēng)與揚(yáng)聲器的距離，讓學(xué)生獲取“隨著距離的增加揚(yáng)聲器接收到的電磁波變?nèi)酢钡母行圆牧希瑥亩J(rèn)識(shí)中繼站在通信中的必要性及其作用．

5 結(jié)束語

總之，物理是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，針對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置短缺、實(shí)驗(yàn)效果不明顯、實(shí)驗(yàn)類型不合理等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容時(shí)，教師可以嘗試優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案、創(chuàng)新制作實(shí)驗(yàn)裝置、放大實(shí)驗(yàn)效果顯示器等實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新的方法來提升實(shí)驗(yàn)效果，有利于學(xué)生獲取直觀形象的證據(jù)進(jìn)行科學(xué)推理、論證和模型的建構(gòu)，在獲取新知識(shí)的同時(shí)也促進(jìn)了科學(xué)思維的發(fā)展．