基于科学方法教育的物理教学情境设计

物理学不仅以它内容丰富，理论严谨，知识应用普遍广泛而处于前沿学科地位，更由于它的思想方法和研究方法精确巧妙、简洁有效而独具魅力科学方法教育是中学物理教育的重要内容，如何在物理教学过程中加以落实，以凸显其科学教育价值，本文从教学实践层面阐述如何进行基于科学方法教育的物理教学情境设计

1基于观察的教学情境设计[HTSS]

杨振宁指出：“绝大部分物理学是从现象中来的，现象是物理学的根源”然而，对物理现象的观察需要借助于科学方法的支持，须经过科学方法的加工整理才能获得物理知识，否则不一定能直接得到物理知识

伽利略认为：“一切推理都必须从观察与实验中得来”由此可见，观察与实验是物理现象通达物理知识的必经之路，在物理教学情境设计中通常需要利用可观察的证据来检验思维，形成知识，明晰概念和规律因此，观察与实验是获得研究结论和物理知识的重要科学方法

案例一研究“力的作用是相互的”性质时，笔者设计的教学情境是让学生仔细观察“长气球放气时有什么现象发生？”当教师将长气球放气时，学生看到气球快速向前飞出，惊叹实验现象吸引眼球，却没有观察到气球尾部有彩色纸屑向后喷出，而彩色纸屑向后喷出的现象恰恰是说明“力的作用是相互的”性质的重要依据，是教师精心设计的实验情境学生由于受气球运动的视觉冲击，将观察的重点放在了气球向前运动的现象上，疏忽了尾部喷出彩色纸屑的情境细节，如果多数学生确实没有观察到“气球尾部喷出彩色纸屑”的现象，要让他们得到“力的作用是相互的”性质结论，证据是不充分的于是，笔者在进行教学设计时预设了两次实验情境操作，有意识将学生的注意力转移到它所要观察的实验情境的细节变化上，即提醒学生在观察气球向前运动的同时关注气球尾部发生的现象，引导学生观察现象的整个过程特征，而不是限于观察现象的局部特点

上述教学情境设计中预设两次实验操作，目的是落实“观察法”中的“定性观察”在现象观察中的科学运用，即教师在教学中应交代现象观察的重点细节及观察的意义，以便在新问题出现时将学生的注意力转移到所要观察的现象情境的细节上，避免学生只“看热闹”，有效提升其对“观察”的科学认识，从而掌握正确的观察方法

同时，从上述实例中不难发现，如果没有科学观察方法的指导，让学生从某个教学现象情境中获得相关知识并不是那么简单的事，毕竟物理观察是一种有目的、有计划地在特定物理现象条件下，通过感官或借助于一定的实验仪器，对实验现象进行资料搜集的过程，即使教学情境现象的预设生动有趣且有效，也未必能生成教学观察的理想效果就某种程度而言，观察的方法比知识更为重要，方法可视为知识的脉络，按照科学方法的思路去设计教学情境，其通过观察组织起来的知识才能促进学生形成清晰、严密和灵活的科学思维

2基于转换的教学情境设计[HTSS]

“把简单的事情考虑得很复杂，可以发现新领域；把复杂的现象看得很简单，可以发现新定律”这是牛顿科学思维的精辟阐述物理现象的本质是其中隐含着物理规律，发现规律的重要途径是物理实验，而教学情境中的实验现象需要呈现直观、简洁、明了的效果，这种效果的获得需要将不可见、不易见的现象转换成可见、易见的现象，因此“转换法”在物理教学情境设计中的落实尤为重要

案例二[HTSS]各种版本教材中提供的研究“升华和凝华”现象的实验设计，都是利用“碘锤”做实验，该实验的近距离观察效果还行，但如果是教师在课堂上做演示实验，学生观察实验现象的可视性效果就不太理想了，设计成学生实验的操作安全性也不是太可靠，而且实验的趣味性与生成性不强，学生的参与程度也不高考虑到初中学生的学习特点，笔者设计了趣味性浓厚的“指纹显示”情境，具体步骤为：取指纹——让学生在白纸上按手印，发现无指纹痕迹；碘加热——将白纸盖在放有碘颗粒的烧杯上，对烧杯中的碘微微加热；显指纹——过一会，将白纸从烧杯上取下，可以看到白纸上显示清晰的指纹了

这个实验现象明显，体验性强，学生感兴趣，印象深实验情境有效设计的依据是“转换法”，即如何通过“转换”的途径使“升华和凝华”现象更加显性化，可视化，让学生易于接受和理解“升华和凝华”相关的知识原理情境设计中“指纹”在白纸上的“从无到有”过程，很好地将“升华和凝华”现象中的细节转换为可解读的物态变化过程，可观察，可分析，可思考，不需要太多的语言交代，学生不仅能明白“升华和凝华”的现象原理，同时也能理解“转换法”的意义和魅力了

“转换法”是一种科学方法，但无疑是重要的科学思想，物理教学情境设计中很多时候需要巧妙应用这种思维方法进行教学设计，使教学情境生动有效并富于创新活力“转换法”的意义及价值不仅体现在保证效果相同的前提下，将不可见、不易见的现象转换成可见、易见的现象，将陌生、复杂的问题转换成熟悉、简单的问题，更重要的是有利于激发学生科学探究的兴趣及其创新思维，让学生在学习过程中有超越知识学习本身的兴奋和意外，从而突破他们原有的认知水平，使其内在的学习和探究的意愿变得强烈和持久

3基于放大的教学情境设计[HTSS]

阿基米德的豪言壮语：“给我一个支点，我就能撬动地球！”这是用来描述杠杆效应的经典名言，其可以延伸的思维就是“放大”效应，方法层面即 “放大法”，是指在观察某些微小变化的物理实验现象时，转换思路，另辟蹊径，把不易观察到的现象进行放大，使之观察效果明显，更加有利于得出实验结论

研究不同的物理现象采用的放大方法有所不同，如力学中常用形变放大法、光学中常用间接放大法等，教学设计中需要有机结合，客观呈现

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案例三[HTSS]“研究液体压强”实验中，为了显示“液体对容器侧壁有压强”的效果，笔者选择了截面积较大的PVC三通水管与透明的亚力克管粘合再与气球橡皮膜组合（如图1），在其中灌入不同深度的水，使液体对容器侧壁产生的压强效果通过橡皮膜发生的形变程度大小得以放大，课堂观察的实验效果明显直观，可视性大大增强

笔者在上述实验情境设计时选择截面积较大的PVC三通水管及透明的亚力克管与气球橡皮膜组合以呈现液体对容器侧壁有压强，目的是突破传统液体压强实验设计中的器材选择的思维定势影响，尤其是摆脱原有实验仪器厂家生产实验器材大小“标准”的束缚与制约，基于形变放大是力学实验情境中常用的一种方法，努力尝试通过生活中不同直径大小水管的比较，使蒙在“三通水管”侧壁的橡皮膜发生的形变达到明显放大的视觉效果，较好地实现了通过实验现象观察直接得到实验结论的教学目标“放大法”是教学情境设计中特别重要的一种研究方法，许多物理现象通过效果“放大”，能有效突破难点，让复杂问题变得简单，使问题解决变得相对容易

上述实验现象中通过“橡皮膜发生的形变大小说明液体对容器侧壁压强的大小”，应用的是“转换”思想，由此可见，放大与转换的方法往往是相关联的，在进行实验教学情境设计时应考虑到科学方法的综合应用，相互渗透，让学生切实得到科学思维的潜意识影响与熏陶，而不是显性的实验方法说教

4基于替代的教学情境设计[HTSS]

“曹冲称象”的历史故事流传至今，给人的启发就在于曹冲聪明地运用了“等效替代”的物理思想，用石头的重力替代大象的重力，解决了没有大秤的难题“替代法”是研究物理现象常用的一种思维方法，是指科学探究中，在保证某种效果相同的前提下，将直接解决不了的问题通过变通替代的办法解决而达到完全相同效果的思维方法，在物理教学情境中常应用这种方法进行实验设计和研究

案例四在研究“水果电池制作”的实验中，用实验室的灵敏电流计或电压表作为电池提供电能的实验现象显示器，实验效果的趣味性与体验性都不太理想笔者试着用一种“太阳花”的小玩具替代电流计作为显示器，将这个小玩具和“水果电池”接通时，其“花朵和花瓣”就动起来了，实验情境生动有趣，视觉效果特别好，而且这种实验效果“显示器”，拓展了学生的视野，得到了科学方法启迪

作为“水果电池制作”实验的进一步探究，笔者和同事利用“雪碧”、“可乐”等饮料做了“饮料电池”的开发，用小型电子钟的液晶屏做显示器，效果很神奇，既能在液晶显示屏上观察到“可乐电池”让电子钟显示时间变化，还能听到电子钟发出的闹铃声音，对学生而言，情境的激励作用太强了，学生非常乐意进行课后的“水果电池”深入探究

如果说“替代”是一种思维方法，那么运用替代的方法解决问题则是科学方法应用的智慧结果，上述“水果电池”呈现电能转化的显示器选择就是“替代法”思想启示下的教学情境设计创意，启示我们的教学设计应解放思想，关注和发现身边更多物品的物理实验资源价值，这些源于生活的情境性物理实验设计与等效替代的方法应用密切相关，充分显现出科学方法智慧在实验教学中的活力与光芒

5基于比较的教学情境设计[HTSS]

“比较”是人们常用的思维方法，没有比较就没有鉴别，没有比较人类甚至不能认识自己，正是基于这个比较的过程，人类获得了对自然和社会的诸多信息，获得了对周围世界的了解，掌握了适应自然、征服自然、改造自然的策略与技术由于事物之间在现象上和本质上都存在着同一性和差异性，“比较”就是找出事物之间的差异点和共同点，通过事物间相同特征或相异特征的比较，揭示事物的本质和区别因此，比较法是物理现象研究中经常运用的最基本的方法，是物理教学中需要有意识关注和强化的科学方法教育内容

案例五在进行“物体的质量”概念教学时，笔者设计利用食物与食材及相关器具的组合让学生比较并进行分类，从而领会“物质”与“物体”概念的意义具体比较的物品为，同一类型的大瓶矿泉水与小瓶矿泉水各一瓶，大馒头与小花卷各一个，同一品牌的小块巧克力与大瓶巧克力酱各一份，同材料做成的塑料碗与小勺子各一个，将这些物品放在大盘子里，启发学生进行“异中求同”与“同中求异”的比较，即从两个或两个以上的物品中找出其相同点与相异点，学生很容易比较出大瓶矿泉水与小瓶矿泉水是两个物体，都是由水这种物质组成，但含水的多少不同，同理还可比较出大馒头与小花卷，小块巧克力与大瓶巧克力酱，塑料碗与小勺子也具有这样的特点，进一步归纳就得到了“物体是由物质组成的，物体含物质的多少就叫做质量”的概念[HJ19mm]

这样的教学情境设计目的是为了强化“比较法”在概念建构中的应用，引导学生学会应用比较的方法建立并掌握物理概念，同时体会“从生活走向物理，从物理走向社会”的课标理念比较法在物理教学设计中应用的内容非常丰富，上述案例只是呈现比较法应用的某个方面，更多的教学设计中涉及比较法的应用，还需要教师进行深入的思考和反复的实践，教学情境设计与呈现才能达到完善和有效的境界

6结语 [HTSS]

本文阐述了部分科学方法在教学情境设计中的应用，重视基于科学方法教育的物理教学情境设计，是科学方法作为正确的思维和行为方式在物理教学过程中的显性化体现，它能促进教师实现将科学知识转化为学生的学习和实践能力，并有利于学生形成科学的情感、态度和价值观，有效达成“三维”教学目标

【 本文为中国教育学会物理专业委员会2013年-2016年全国物理教育科研重点课题《体验性物理实验教学情境创设研究》研究成果之一】

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