指向关键能力的初中物理实验教学方法分析
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作者:朱舒雁
摘要：初中物理学科关键能力主要包括概括理解、实验探究、实践应用、求实创新四大方面，是学生在知识学习、科学探究、问题解决过程中需要的能力。实验教学是物理课的重要组成部分，是培养学生关键能力的重要载体。本文以“探究平面镜成像规律”为例，探讨通过实验教学发展学生物理关键能力的方法。
关键词：关键能力;初中物理;实验教学
物理是一门以实验为基础的学科，实验教学是初中物理课堂中的重要组成部分。初中物理实验教学中最常涉及的是提出问题、作出猜想、设计实验、进行实验、证据论证、评估六个思维过程。初中物理学科关键能力是初中生在接受物理教育时，逐步形成的适应个人终身发展和社会发展需要的必备能力，主要包括“概括理解”“实验探究”“实践运用”“求实创新”四大方面。在实际教学中，教师可根据各实验的特点及初中物理核心素养与关键能力的内容结构，将这六部分实验教学做适当调整。
物理实验教学是培养学生关键能力的重要载体。通过创设适当的情境，结合任务单、问题提问等手段，引导学生进行观察、推理、设计、操作、论证、评价等体验性学习，使学生真正融入实验情境，积极参与实验探究，灵活运用规律解决实际问题，充分提升学生的关键能力。
一、 问题与猜想：情境体验，发展观察推理能力
生活中常用的梳妆镜就是一块平面镜。学生每天都能看到自己在平面镜中成的像，但学生其实不太了解镜中的“自己”：有的认为平面镜成的像在镜面上、有的认为平面镜成像远小近大、有的认为自己和镜中像举起的都是右手等。基于学生对平面镜成像的不同看法，提出问题：平面镜成的像有什么特点？
在猜想环节，学生可能会受课本知识影响，马上得到“正确”的猜想，但很难说出得到这些猜想的依据。教师创设情境“镜像模仿”，即模仿像或是观察他人模仿像。学生通过情境体验，从自己的原认知系统中提取与平面镜成像特点相关的经验。体验1：教师边说边做动作“举右手”“举左手”，全体学生同步模仿教师在平面镜中的像。体验中会出现教师举右手，学生也举右手的情况。此时，需要给模仿失误的学生一点时间去观察、回忆、纠正动作。体验2：教师和一位学生在教室前演示，教师边说边做动作“举右手打招呼”“向前伸左手‘握手’”“向左移动”“后退”“左转面向学生并举右手告别”，演示学生同步模仿像的动作，其他学生观察。
体验结束后，学生讨论并做出有依据的猜想：平面镜成的像可能有什么特点？学生在模仿与观察的基础上进行猜想：猜想1：“像与物是对称关系”，依据：像与物是数学上的轴对称图形，平面镜是对称轴。猜想2：“像与物到平面镜的距离可能相等”，依据：老师后退，同学也后退，这两段距离可能相等。教师追问：有没有不同的看法？有学生回答：像可能在平面镜的镜面上，像到平面镜的距离为零。猜想3：“像与物大小相等”，依据：像与物是轴对称图形，大小相等。教师追问：有没有不同的看法？有学生回答：像与物大小可能不相等，因为平面镜中成的像好像近处的看上去大，远处的看上去小。猜想4：教师通过“小孔成像成的是实像”引入猜想平面镜成的像是虚像还是实像。学生没有相关经验，感觉无从猜起，后经引导知道可用光屏檢验像的虚实。猜想至此结束，学生同时明确实验目的。
二、 设计与实验：任务导向，发展设计操作能力
实验前，先向学生介绍实验器材：可使物体成像的镜子、茶色玻璃板;5号电池两节、7号电池两节、正方体木块一个;白纸两张;学生身边可以用到的文具等。学生以两人为一组，每组一张实验任务单。任务共三项：选择实验器材定位像、设计实验表格并确定实验方案、实验收集证据，学生每完成一项任务进行一次反馈。
任务一：选择实验器材，定位像。（1）确定研究对象（成像的物体）;（2）选择实验器材并正确摆放;（3）选择另一物体确定像的位置。
实验器材的合理选择，不仅可以简化实验过程，还可以方便地观察并得到结论。学生一般都能够快速且有依据地确定研究对象及找像物体，如学生基本会选择两节5号电池或两节7号电池而不会做出其他选择，原因是5号电池与7号电池大小不同，正方体木块则与电池大小、形状都不同。
该任务的难点是平面镜的选择。由于平面镜是不透明的，学生无法同时看到物体的像和找像的物体。同时，学生也会受到平面镜定义（镜子的表面是平的）的影响，较难想到物体通过玻璃板成的像也属于平面镜成像。为了突破这个难点，教师给每个小组提供一面镜子和一块单面镀膜的茶色玻璃板，并且告诉学生物体通过玻璃板表面成的像也属于平面镜成像。学生通过“尝试—错误—讨论归因—再尝试”的过程发现茶色玻璃板虽然是透明的，但也可以使物体成像，且可以同时看到物体成的像和找像的物体。用茶色玻璃板代替平面镜可方便地确定像的位置。
学生在选择器材时，通常不会想到用白纸记录平面镜、研究对象、像（找像物体）的位置。因此，在学生成功定位像后，教师提问：这两张白纸可能是用来做什么的？由于教师在猜想阶段已经介绍过用光屏检验像的虚实，故学生马上能反应出来其中一张白纸是用来检验平面镜成像的虚实。另一张白纸呢？教师马上提醒学生：实验留痕，这张白纸是用来记录平面镜、研究对象以及像（找像物体）的位置的。同时，引出任务二。
任务二：设计实验表格，确定实验方案。
实验数据和实验现象是结论得出的重要依据。一张合理的实验数据表能够体现出实验目的和思路。学生由猜想讨论得到表格中需要记录的项目：实验次数、物体到镜面的距离、像到镜面的距离、物的大小、像的大小、光屏上是否有像（像的虚实）。
学生一般认为可以通过测量研究对象与找像物体的高度就可以比较像与物的大小，忽略物体宽度、形状等。教师首先肯定测量是可行的，然后提醒学生：为什么同学们在找5号电池的像的位置时不用7号电池也不用正方体木块？引导学生理解用“等效替代法”（即若研究对象与找像的物体完全相同，且找像的物体与研究对象的像完全重合，则研究对象的像与研究对象完全相同）也可比较像与物的大小。因此将表格中的项目“物的大小”和“像的大小”改为“B与A的像完全重合/不重合”（如表1）。 实验次数 物到镜面的距离/cm 像到镜面的距离/cm B与A的像完全重合/不重合 光屏上是否有像
任务三：实验收集证据。（1）在白纸上标记平面镜、研究对象及其像的位置;（2）比较像与物的大小;（3）观察光屏上是否有像（像的虚实）;（4）测量像与物到镜面的距离。
学生在实验过程中会遇到一些问题，如将非镀膜的一面作为反射面，致使研究对象成的像不够清晰，影响找像位置的精确度等。教师在巡视过程中也要提醒学生如实填写实验数据，并思考或讨论实验中遇到的问题及其可能的产生原因，在时间允许（约15分钟）的情况下可再多做几组实验。
三、 论证与评估：信息处理，发展分析总结能力
论证即得出结论，要求学生选用合适的方法对收集的信息进行处理，并根据证据对猜想做出合理判断，解决提出的问题并得出实验结论。学生实验过程中，错误经常会存在，误差也是不可避免的。评估阶段要求学生在得出结论后，分析实验中遇到的问题、产生错误及误差的原因等，再通过实验验证分析的合理性，最后提出改进实验的方法。本实验的证据论证和实验评估有三个方面。
（一）证据论证平面镜成像特点
①根据实验现象“找像物体能够与研究对象的像完全重合”，得出结论“像与物大小相等（等大）”。②连接像与物所标记的位置，测量并比较数据“物到镜面的距离”和“像到镜面的距离”，发现在误差允许范围内两段距离大小大致相等，得出结论“像与物到平面镜的距离相等（等距）”。③根据实验现象“光屏上无像”，得出结论“平面镜成的是虚像”。④“对称”是物体对某个平面而言，在大小、形状和排列上具有一一对应关系。学生根据信息“像与物完全相同（大小、形状）”“等距”“像与物位置的连线与平面镜垂直”，得出结论“像与物关于平面镜对称（对称）”。
（二）讨论实验信息处理新方法
学生在本学期数学学科中刚学习过轴对称图形，知道如何从数学角度判断两物体是否关于某对称轴对称，也知道如何利用对称剪出轴对称的图形。故教师由问题“若没有刻度尺，要如何比较像与物到平面镜的距离？”出发，引导学生从数学、剪纸等角度展开讨论，寻找新的比较方法。有学生想到：将记录实验痕迹的白纸沿平面镜所在位置的标记对折，然后用笔尖将研究对象的位置标记点依次戳破，最后打开白纸观察其像的位置标记点是否也被戳破。若被戳破，则像与物到平面镜的距离相等;若没有，则不相等。学生用这种方法尝试后，大部分能得出结论“等距”。
（三）从“问题”信息评估实验“问题”
学生在实验过程中虽然会遇到各种各样的问题，但对问题本身却不够敏感。如果直接提问学生在实验中遇到什么问题，学生可能一下子无从下手。比如由于平面镜在摆放时没有与桌面垂直，导致找像物体无法与像完全重合。尽管如此，很多学生仍会继续实验，当两者差不多已经完全重合，定位出错直接影响像到平面镜的距离出错。因此，在评估时可直接从显性的“问题”信息切入，讓学生分析“问题”信息（像与物到镜面的距离不相等）出现的原因，增强分析的目的性，增加分析的广度。最后实验验证对问题的分析是否合理，讨论改进方法。
四、 结语
综上所述，“问题与猜想”是以同一个情境的不同层次进行教学，学生在真实的情境体验中发展观察与推理能力。“设计与实验”是以一系列任务为导向，学生通过“试误”理解实验难点并在不断改进实验方案的过程中发展实验设计与操作能力。“论证与评估”是先初步分析实验收集到的信息并以“证据”+“结论”的方式进行总结，后深入分析“问题”信息产生的原因并对实验过程进行评估，发展分析与总结能力。教师发展学生物理学科关键能力的方法有很多，只要适合自己的学生就是合适的方法。当然，在实际教学过程中，效果与设想可能会有一定的差距，但只要学生的某个关键能力能够有些许发展，相信积少成多，量变终会质变。
参考文献：
[1]郭玉英，张玉峰，姚建欣.物理学科能力及其表现研究[J].教育学报，2016（4）：57-63.
[2]李宝银.初中物理核心素养与关键能力的研究[J].物理教师，2018（2）：37-40.
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