育人視域下初中生實(shí)驗(yàn)思維能力培養(yǎng)探索*

孫留橋

(南京市江北新區(qū)浦口外國(guó)語(yǔ)學(xué)校 江蘇 南京 210031)

隨著新時(shí)代教育的發(fā)展,“學(xué)科育人”成為重要的價(jià)值追求,“核心素養(yǎng)”是實(shí)現(xiàn)教育價(jià)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(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科,實(shí)驗(yàn)思維能力的培養(yǎng)成為物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中重要的目標(biāo)和任務(wù).

1 物理實(shí)驗(yàn)思維定義及特點(diǎn)

物理實(shí)驗(yàn)思維,就是人對(duì)客觀事物(實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)對(duì)象、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)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(dòng)的反映.具有以下的特點(diǎn).

1.1 以知識(shí)、操作及技能等為載體

物理實(shí)驗(yàn)是概念、規(guī)律與實(shí)際操作有機(jī)結(jié)合的過(guò)程,思維活動(dòng)的過(guò)程貫穿于物理實(shí)驗(yàn)的各個(gè)環(huán)節(jié)之中,實(shí)驗(yàn)思維的對(duì)象,一方面是物理概念、規(guī)律緊密相關(guān)的實(shí)驗(yàn)原理,另一方面還包括實(shí)驗(yàn)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(shí)踐中,學(xué)習(xí)和積累知識(shí)、掌握實(shí)驗(yàn)儀器使用方法和技能,不斷總結(jié)實(shí)驗(yàn)中的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)等,從而促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)思維能力的發(fā)展.

1.2 在動(dòng)態(tài)變化發(fā)展中獲得提升

一方面,為實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?學(xué)生通過(guò)逐步主動(dòng)積極地解決物理實(shí)驗(yàn)過(guò)程中面對(duì)的各種問(wèn)題,在解決問(wèn)題的過(guò)程中完善物理實(shí)驗(yàn)思維能力的結(jié)構(gòu).另外一方面,在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)中,當(dāng)他們掌握某種思維技能且獲得一定發(fā)展的時(shí)候,他們的實(shí)驗(yàn)思維能力結(jié)構(gòu)也就自然逐步完善和發(fā)展起來(lái).

1.3 存在較為明顯的心理個(gè)體差異

物理實(shí)驗(yàn)的實(shí)質(zhì)就在于認(rèn)識(shí)和活動(dòng)的統(tǒng)一,因此,物理實(shí)驗(yàn)思維能力是學(xué)生在物理實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)思維能力的建構(gòu),伴隨著實(shí)驗(yàn)個(gè)體差異存在著明顯的思維或認(rèn)知的差異性,即存在不同的思維品質(zhì),物理實(shí)驗(yàn)思維的品質(zhì)主要包括敏捷性、靈活性、深刻性、獨(dú)特性、批判性5個(gè)方面.

2 物理實(shí)驗(yàn)思維培養(yǎng)的探索途徑

2.1 因勢(shì)利導(dǎo) 培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)思維的敏捷性

實(shí)驗(yàn)思維的敏捷性,一般指思維過(guò)程中體現(xiàn)出來(lái)的迅速程度.好的思維敏捷性特征:處理問(wèn)題和解決問(wèn)題時(shí),能夠適應(yīng)迫切的情況積極進(jìn)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(shí)驗(yàn)思維的敏捷性在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的具體體現(xiàn)如下.

(1)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能根據(jù)研究的問(wèn)題,及時(shí)抓住大腦中的各種有效關(guān)鍵知識(shí),較短時(shí)間內(nèi)制定出實(shí)驗(yàn)方案;

(2)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,善于捕獲各種信息,對(duì)各種現(xiàn)象及時(shí)做出反應(yīng),迅速解決和排除實(shí)驗(yàn)中的各種問(wèn)題或干擾,快速處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論.

實(shí)驗(yàn)1：電流的熱效應(yīng)

在探究“電流的熱效應(yīng)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中,教材中安排用溫度計(jì)測(cè)量被測(cè)液體的溫度.實(shí)際操作時(shí),需要使用溫度計(jì)進(jìn)行溫度測(cè)量,一方面學(xué)生不易觀察和讀數(shù),另外,兩個(gè)燒瓶中液體的溫度相差不大時(shí)不便于比較兩次示數(shù).針對(duì)這個(gè)問(wèn)題,筆者將這個(gè)問(wèn)題拋給學(xué)生,能否找到一個(gè)行之有效的方法呢?有學(xué)生立即提出用溫度傳感器來(lái)測(cè)量溫度的建議,如圖1所示.

圖1 用溫度傳感器來(lái)測(cè)量溫度

評(píng)析：該改進(jìn)實(shí)驗(yàn)通過(guò)問(wèn)題導(dǎo)向,除了解決實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精度問(wèn)題外,另外,與傳統(tǒng)的方案比較,還節(jié)約了實(shí)驗(yàn)的時(shí)間;讓學(xué)生體會(huì)到科技的重要性,體驗(yàn)到物理與生活的息息相關(guān),實(shí)驗(yàn)效果更好.平常教學(xué)中,教師要善于捕捉契機(jī),引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考,提高他們思維的敏捷性.

2.2 順勢(shì)而為 培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)思維的靈活性

實(shí)驗(yàn)思維的靈活性指物理實(shí)驗(yàn)過(guò)程中思維活動(dòng)的智力靈活程度,它往往具有以下特點(diǎn):

(1)視角靈活,從不同方向和角度找到問(wèn)題解決的方案;

(2)過(guò)程靈活,能運(yùn)用分析和綜合的方法巧妙進(jìn)行分析和思考;

(3)手段多元,具有較強(qiáng)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(kāi)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(shí)驗(yàn)過(guò)程中的體現(xiàn)如下:

(1)靈活地運(yùn)用所學(xué)的科學(xué)概念和規(guī)律,針對(duì)某一問(wèn)題,提出多個(gè)實(shí)驗(yàn)原理,設(shè)計(jì)出多種方案.

(2)巧妙運(yùn)用分析、綜合、抽象、概括、判斷、推理等方法解決實(shí)驗(yàn)中的問(wèn)題;

(3)靈活處理實(shí)驗(yàn)結(jié)果,善于從不同角度分析實(shí)驗(yàn)誤差.

實(shí)驗(yàn)2：驗(yàn)證大氣壓的存在

在學(xué)習(xí)大氣壓時(shí),常見(jiàn)的演示實(shí)驗(yàn)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(dòng)180°,讓紙杯口豎直朝下,觀察松手后的現(xiàn)象.紙片和水都沒(méi)有掉落,此現(xiàn)象說(shuō)明了大氣壓的存在,但實(shí)際教學(xué)中,我們發(fā)現(xiàn)部分學(xué)生會(huì)認(rèn)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(duì)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(yàn)證大氣壓實(shí)驗(yàn)示意圖 (b)驗(yàn)證大氣壓存在改進(jìn)實(shí)驗(yàn)圖2 驗(yàn)證大氣壓存在實(shí)驗(yàn)

師:為了消除此疑惑,能否設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來(lái)證明呢?你設(shè)計(jì)的思路是什么?

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

師:思路是正確的,但運(yùn)用抽氣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比較麻煩,實(shí)驗(yàn)成本比較高.能否按照此思路設(shè)計(jì)一個(gè)器材和操作均很簡(jiǎn)單的方案呢?

生乙:將此實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn),改用小瓶子和兵乓球進(jìn)行實(shí)驗(yàn),將整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置再放入一個(gè)密閉的大玻璃瓶中,如圖2(b)所示,通過(guò)吸管吸氣,我們也會(huì)發(fā)現(xiàn)兵乓球掉落了,從而驗(yàn)證了大氣壓的存在.

評(píng)析：此實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)充分體現(xiàn)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)思維的靈活性,針對(duì)實(shí)驗(yàn)存在的問(wèn)題和疑問(wèn),結(jié)合有效的思路,積極思考策略,巧妙地設(shè)計(jì)方案解決了問(wèn)題.實(shí)際教學(xué)中,教師要善于利用探究時(shí)空,撥開(kāi)思維的“迷霧”,順勢(shì)而為,跨過(guò)一個(gè)又一個(gè)思維的制高點(diǎn),久而久之,學(xué)生思維靈活性的培養(yǎng)水到渠成.

2.3 盤(pán)根究底 培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)思維的深刻性

實(shí)驗(yàn)思維的深刻性是指思維活動(dòng)的抽象程度和邏輯水平,涉及到思維活動(dòng)的廣度、深度和難度3個(gè)方面.它是以感性材料為基礎(chǔ),通過(guò)思維進(jìn)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(jìn)而認(rèn)識(shí)到事物的特征和規(guī)律.主要特征是善于概括歸類(lèi),具有較強(qiáng)的邏輯抽象性,對(duì)認(rèn)識(shí)活動(dòng)具有系統(tǒng)性,能預(yù)見(jiàn)事物的發(fā)展進(jìn)程.具體表現(xiàn)如下:

(1)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能運(yùn)用所學(xué)的科學(xué)概念和科學(xué)規(guī)律,針對(duì)研究的問(wèn)題,提出和闡述實(shí)驗(yàn)原理,設(shè)計(jì)出合理的實(shí)驗(yàn)方案;

(2)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,能夠?qū)?shí)驗(yàn)中所觀察的現(xiàn)象和所測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行正確的分折、抽象、概括、判斷、推理等;

(3)對(duì)實(shí)驗(yàn)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(yùn)用數(shù)學(xué)輔助推理的習(xí)慣,正確處理實(shí)驗(yàn)結(jié)果,能進(jìn)行初步的誤差分析.

實(shí)驗(yàn)3：探究液體壓強(qiáng)大小的影響因素

學(xué)習(xí)液體壓強(qiáng)時(shí),許多學(xué)生對(duì)“液體壓強(qiáng)大小與液體重力無(wú)關(guān)”無(wú)法理解或理解比較困難,有部分教師提供液體壓強(qiáng)公式讓學(xué)生進(jìn)行機(jī)械記憶學(xué)習(xí),液體壓強(qiáng)公式中沒(méi)有出現(xiàn)液體重力,因此,液體壓強(qiáng)大小與液體重力大小無(wú)關(guān),事實(shí)上學(xué)生并沒(méi)有真正理解其本質(zhì).教材中也未提供相關(guān)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析,導(dǎo)致變成教學(xué)中的一個(gè)難點(diǎn).

師:實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)習(xí)的基本方法和手段,我們能否通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證呢?我提供的器材有1個(gè)漏斗、1個(gè)橡皮管、1個(gè)氣球、適量的水.請(qǐng)你們思考,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案.

生:可以設(shè)計(jì)下列實(shí)驗(yàn)進(jìn)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(lái),往漏斗中倒入水,我們會(huì)發(fā)現(xiàn)氣球充入水后由于水的壓強(qiáng)氣球會(huì)慢慢鼓起．此時(shí),不再加水,僅將漏斗位置提高(氣球位置不動(dòng)),我們又會(huì)發(fā)現(xiàn)氣球的體積逐漸變大,漏斗上升到一定高度時(shí),氣球會(huì)被水壓破.

圖3 探究液體壓強(qiáng)實(shí)驗(yàn)示意圖

評(píng)析：該實(shí)驗(yàn)不僅演示了液體壓強(qiáng)與深度有關(guān)的規(guī)律,深度越深,壓強(qiáng)越大,同時(shí)由于實(shí)驗(yàn)中保持了水量不變,水的壓強(qiáng)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(rèn)為是液體壓強(qiáng)的影響因素的疑問(wèn),學(xué)生對(duì)液體壓強(qiáng)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(jì) 培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)思維的獨(dú)特性

實(shí)驗(yàn)思維的獨(dú)特性即思維活動(dòng)的創(chuàng)造性.獨(dú)特性注重于源于主體對(duì)知識(shí)經(jīng)驗(yàn)或思維材料高度概括后集中而系統(tǒng)的遷移,進(jìn)行新穎的組合分析,找出新異的層次和交結(jié)點(diǎn).具體表現(xiàn)為:能夠根據(jù)問(wèn)題需要,獨(dú)立設(shè)計(jì)方案、選擇器材、獲取數(shù)據(jù)、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果并得出結(jié)論;善于提出獨(dú)特、新穎的實(shí)驗(yàn)方案和方法,對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有獨(dú)到的見(jiàn)解;能獨(dú)立完成一定難度的探索性實(shí)驗(yàn),并根據(jù)現(xiàn)有器材和設(shè)備改進(jìn)原有的實(shí)驗(yàn);在科技活動(dòng)中,能夠設(shè)計(jì)出具有一定特色的科技作品.

實(shí)驗(yàn)4：電磁感應(yīng)

在學(xué)習(xí)電磁感應(yīng)時(shí),教材提供的器材比較多,由于電磁感應(yīng)的方向與多個(gè)因素有關(guān),實(shí)驗(yàn)過(guò)程中必須控制變量,操作較為繁瑣.學(xué)生運(yùn)用發(fā)光二極管和線(xiàn)圈,制作出如圖4所示的演示裝置.不用電流計(jì)來(lái)判斷電路中是否產(chǎn)生感應(yīng)電流,選取兩個(gè)發(fā)光顏色不同的發(fā)光二極管來(lái)代替電流計(jì),為電路連接簡(jiǎn)潔、操作方便,將兩個(gè)二極管反向并聯(lián)后接到線(xiàn)路中,再在干路中連入線(xiàn)圈,整個(gè)電路構(gòu)成閉合通路;當(dāng)在線(xiàn)圈的上方插入磁棒,由于相對(duì)運(yùn)動(dòng),線(xiàn)圈就會(huì)向上或向下切割磁感線(xiàn)運(yùn)動(dòng),此時(shí)總會(huì)有一個(gè)二極管發(fā)光、一個(gè)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(guò),同時(shí)說(shuō)明,切割磁感線(xiàn)方向不同時(shí),產(chǎn)生的感應(yīng)電流方向也不同.

圖4 電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn)示意圖

評(píng)析：這是電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新設(shè)計(jì),將觀察電流計(jì)指針的偏轉(zhuǎn)改進(jìn)為觀察發(fā)光二極管的亮滅來(lái)判斷感應(yīng)電流的產(chǎn)生,現(xiàn)象更明顯,直觀性更強(qiáng),操作更簡(jiǎn)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(shí)驗(yàn)中,學(xué)以致用,將科技元素與物理實(shí)驗(yàn)巧妙融合,充分體現(xiàn)了學(xué)生實(shí)驗(yàn)思維的獨(dú)特性.

2.5 大膽質(zhì)疑 培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)思維的批判性

實(shí)驗(yàn)思維的批判性,也叫做批判性思維,是指物理實(shí)驗(yàn)的思維活動(dòng)中善于嚴(yán)格地估計(jì)思維材料和精密地檢查思維過(guò)程的智力品質(zhì).思維的批判性品質(zhì)有以下5個(gè)特點(diǎn):

(1)分析性.在思維過(guò)程中不斷地分析問(wèn)題所依據(jù)的條件和反復(fù)驗(yàn)證已經(jīng)擬定的假設(shè)、計(jì)劃和方案.

(2)策略性.針對(duì)思維主題,根據(jù)自己原有的思維水平和知識(shí)經(jīng)驗(yàn)尋找相應(yīng)策略或問(wèn)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(jìn)展,根據(jù)正確計(jì)劃進(jìn)行錯(cuò)誤方案的修改和完善.

(4)獨(dú)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(guò)程嚴(yán)密,條理清楚,思維結(jié)果正確.

具體表現(xiàn)如下:

(1)善于對(duì)實(shí)驗(yàn)的可靠性作出正確評(píng)估,從不同的實(shí)驗(yàn)方案中選擇一種恰當(dāng)?shù)目尚械姆桨?

(2)及時(shí)解決實(shí)驗(yàn)中的問(wèn)題,及時(shí)檢查、評(píng)價(jià)、調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)過(guò)程,從而修改實(shí)驗(yàn)方案,使實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行;

(3)理解實(shí)驗(yàn)的相對(duì)性,注意在實(shí)驗(yàn)的全過(guò)程中保持質(zhì)疑心理,重視實(shí)驗(yàn)各階段的反思和總結(jié).

思維的批判性品質(zhì)是思維過(guò)程中自我意識(shí)作用的結(jié)果.

實(shí)驗(yàn)5：平面鏡成像

該實(shí)驗(yàn)中,運(yùn)用實(shí)驗(yàn)器材多,操作的步驟也比較復(fù)雜,不僅要觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,而且必須記錄相關(guān)數(shù)據(jù),并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較后得出平面鏡成像的規(guī)律.可以從以下幾個(gè)方面改進(jìn):

(1)用方格紙或棋盤(pán)鋪在桌面上,再將平面鏡立放于棋盤(pán)中軸線(xiàn)上;

(2)將一張白紙對(duì)折再展開(kāi)鋪平,在折痕處立放玻璃板,實(shí)驗(yàn)時(shí)在對(duì)應(yīng)的位置分別給物和像標(biāo)上記號(hào),實(shí)驗(yàn)結(jié)束后將白紙沿鏡子所在直線(xiàn)對(duì)折,觀察對(duì)應(yīng)的記號(hào)是否重合;

(3)用茶色玻璃板代替無(wú)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(gè)相同的透明小藥瓶,其中一只內(nèi)裝上一個(gè)LED小燈珠代替蠟燭.

評(píng)析：首先通過(guò)運(yùn)用棋盤(pán)可以直接地觀察到物和像到鏡子距離相等,并且連線(xiàn)與鏡面垂直的特點(diǎn);運(yùn)用白紙做記號(hào)的方法將用數(shù)學(xué)知識(shí)解決物理問(wèn)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(shí)驗(yàn)記錄用的白紙學(xué)生在課后還可以重復(fù)進(jìn)行觀察分析,有利于實(shí)驗(yàn)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(diǎn),還增加了安全性.

3 結(jié)束語(yǔ)

思維的培養(yǎng)是新時(shí)代下學(xué)科育人的關(guān)鍵目標(biāo),物理實(shí)驗(yàn)思維能力的品質(zhì)(深刻性、靈活性、批判性、敏捷性和獨(dú)特性)是學(xué)生在物理實(shí)驗(yàn)思維活動(dòng)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(shí)驗(yàn)教學(xué)中,我們只要從培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)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(huì)指日可待,學(xué)科育人的目標(biāo)真正會(huì)落地生根.