促进概念变化的物理课堂演示实验教学，本文主要内容关键词为：演示论文,实验教学论文,课堂论文,物理论文,概念论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
近十几年来，建构主义的教学应用日益深入，国内外物理教学研究者一致认为应当将“概念变化”作为教学的基本考虑，“为概念变化而教”成为物理教学最重要的一个直接目标[1]。那么，时至今日我们是不是也应该从新的视角来对演示实验这一传统教学形式的功用进行拓展呢？能否通过演示实验功能的拓展更有效地改善学生物理学习的质量呢？本文就此谈谈有关的认识以及我们在教学实施中的一个实例。
一、演示实验应当凸显概念变化这一教学功能
被誉为是当代教育心理学中的一场革命的建构主义(constructivism)，自20世纪90年代以来，逐步成为世界范围内教育教学改革的支柱性理论。这一理论的内容是非常丰富的，但其核心强调的是知识学习的建构性和认知主体的主动性。学习就是通过反复抽象和创造的过程，在原有图式的基础上构建出新的认知图式。这样，学习者的原有知识和经验是其后期学习过程中的主要决定性因素。近20年来，国内外物理教育工作者通过大量研究表明，中学生在学习物理课程之前，头脑中就已经存在着一些比较牢固的前概念(preconceptions)，许多前概念与一般的科学概念有着明显的差异。学生通过传统的授课方式后，头脑中往往呈现着前概念与科学概念并存的局面。当面对新现象、新问题时，又会调用原有的根深蒂固的前概念作出错误的判断。这就是我们教师在教学实践中所发现的学生在有些地方总是屡学屡错的原因。而物理学科本身的特点决定，物理概念的学习是整个物理学习的基础和核心。因此，为概念变化而教就成为物理教学任务中的重中之重。
演示实验为自然过程的简化、纯化，提供了鲜明、准确、生动的感性材料，能够激发学生的学习兴趣与热情。演示实验对学生科学概念的最初建立是至关重要的，演示实验教学必须服务于促进概念变化这一核心目标。但是，长久以来，人们一直认为演示实验主要起配合教师讲授的作用。在大多数物理教师的观念中，演示实验主要扮演着表征具体现象、引出物理概念、说明或验证物理规律以及激发学生兴趣的角色。这种观念最终导致的是以教师为中心的“讲授+演示”的物理教学模式，教师只是透过实物演示解析概念，学生的大脑便如何容器般来接受教师所作出的解释。这样的演示实验教学，并没有深层次地触发学生认知结构的自我建构，学生的学习效果也就可想而知了。
华东师大方建文曾就图像、动画和传统演示实验3种常见教学方式对中学物理概念教学效果的影响进行了调查研究[2]。研究发现：①在吸引学生方面，传统演示实验比动画、图像具有优势；②在知识记忆方面，传统演示实验与动画、图像没有什么差别；③在知识理解和应用方面，传统演示实验比动画、图像效果略好，但差异并不显著（p值都大于0.05）。这个统计结果也许可以说明“黑板上画实验”用多媒体来代替演示实验的现象为什么会比较常见。
美国C.H.Crouch和E.Mazur等人在物理课堂上采用了不同的演示实验教学模式，研究比较不同模式对学习效果的影响[3]。他们所采用的4种授课模式是：①控制组(no demo)——不做演示实验而直接讲解；②观察组(observe)——传统的“演示+讲授”的授课模式；③预测组(predict)——先预测后演示、讲解；④讨论组(discuss)——预测、演示、小组讨论、教师讲解。教学后的测试表明，观察组的学生只是被动地观察实验，其测试成绩只略高于根本没有看过演示实验的学生（尤其是在用科学概念解释实验现象上显得没有什么差异）；预测组和讨论组的学生测试成绩则明显优于观察组（如图1）。
图1
这些对演示实验教学效果的实证性研究表明，那种不注重概念变化的传统演示实验教学并不能很有效地帮助学生理解物理学的实质。认为在课堂上只要实验成功演示，再加上自己精湛的讲解，就可以使学生建立科学概念的传统认识，必须被突破。
二、促进概念变化的物理课堂演示实验教学应注意的两个关键
演示实验在激发学生好奇心、调动学生学习积极性、增强参与感等方面的积极作用是毋庸置疑的。但如何才能使演示实验成为学生概念变化的竞技场，验证概念、规律的同时又服务于概念的变化呢？研究表明，要促使学生认知结构转化，首先要设法使原结构解体，这就需要在学生头脑中激发认知冲突和危机，使他们的原有观念与当前面临的现实产生矛盾，然后在原结构动摇的时刻，开始建构新结构[4]。因此，“创设演示实验情境——引发、挑战认知冲突——概念变化”就应当成为设计演示实验课堂教学结构的指导思想。图2体现了演示实验教学过程中3个要素（演示实验、教师、学生）在概念变化过程中的有效互动。
因此，促进概念变化的物理课堂演示实验教学就是要充分利用演示实验所创造的学习情境，使新旧概念间的矛盾被突出，激起学生解决矛盾的愿望，并提供给学生比较充分的解释、交流的机会，使学生扩展、更改或重新组合头脑中的已有概念以适应科学的物理概念，从而真正有效地完成知识的自我建构过程。而教师进行课堂演示实验教学的方式，将直接影响学生能否学习到演示实验所要呈现的物理概念，这要求在教学中应把握好下面2个关键问题。
图2
1.实验演示前给予学生思考、预言的机会
我们的目的是要引发学生的认知冲突，以有效地促进学生的概念变化。这就需要在演示实验这一学习情境的创设下，使学生意识到自己的观点与科学的观点之间存在差异，激起学生反思自己的原有经验，经历思想上的冲突和震撼，造成认知结构的不平衡，促成原有知识结构的顺应，用科学的概念代替原有的概念，实现前概念逐步变化为科学的物理概念。这样，演示实验前首先要完成的任务便是激活学生思维，唤起学生记忆，引发出学生与新知识相关的前概念，为后面制造认知冲突做好铺垫。因此，在实验演示前教师应先对将要演示实验的内容作一简要介绍，然后给予学生一段思考的时间来预言实验结果。此时，教师也可以采取问卷形式要求每一位学生将自己的预言结果及其理由记录在纸上，课后再收集起来。这样做，不仅可使学生更加认真、仔细地考虑实验并努力作出预测，而且能让教师进一步全面了解学生的思维方式，为以后制定科学的物理教学策略及有关研究提供必要的素材。
2.注重协作学习和讨论、交流，促进概念转变
根据建构主义，建构知识至少有2种来源：一是对物理世界的个人经验，二是在社会文化中与他人的交互作用。因此，要让学生积极参与到学习中来，主动地建构知识，就应该注重“互动式”的教学，即“师生互动”“生生互动”。通过学生与学生之间的协作学习、讨论与交流，可使每一位学生提出各自的见解，在思辨中使自己的想法、思路明晰化、外显化。这样，学生就能明确自己的前概念究竟是什么；同时在互相倾听中，了解别人的观点时，又重新审视自己的观点，还可能引发出更为隐蔽的前概念，使前概念暴露得更加充分。过去的演示实验，教师更注重如何使学生跟着教师所提前设计的连环式提问，再结合演示现象的观察得出结论，而未能让学生对头脑中的那些奇奇怪怪的解释进行辩解，使它们能够得到及时纠正。久而久之，学生在整个演示实验教学过程中，只是看看热闹、等出结论，很少去认真探究现象产生的原因，不去调用原有的认知结构。因此，在演示实验前的预言环节应该设置小组讨论这一过程。此时学生通过自圆其说对自己的预言结果感到深信不疑，原结构似乎坚不可摧，然后教师进行实验演示，当实验事实与他们预测结果不一致时，在他们的脑海中就会产生激烈的矛盾，造成深刻的印象，从而使认知冲突达到高潮。在这一关键时刻再次组织学生讨论、交流，使学生更好地反思自己的理解和思维过程，不断深化、修正自己的认识，新知识在具体实验验证和讨论中内化，进而完成一个深层次的认识过程。
三、实施案例
为了检测这种演示实验教学方式的可行性及有效性，笔者于2008年6月对大连市教育学院附属中学初二(1)班（共22人），以惯性概念的建立为内容进行了教学实践研究。惯性概念对于初中学生来说比较抽象，同时相应的前概念种类较多而且比较顽固，如力是维持物体运动的原因等。
本次教学实施，主要是利用能模拟现实场景的演示实验来创设一个学习情境，制造认知冲突，学生历经预言、讨论以及对不同情境事例的判断分析、反思总结，逐步实现概念的变化。具体实施过程如下。
(1)新课引入
笔者列举快跑冲刺到终点后不能立即停下来、坐公交车时车突然启动或刹车时的事例。
学生思考，回忆。
当要求学生回忆当时这些场景中的感受时，几乎全体学生都有强烈的反应。可见学生在日常生活中对种种“惯性现象”是相当熟悉的。
(2)利用演示实验创设问题情境，使学生头脑中的前概念明朗化
笔者出示惯性小车演示教具，介绍实验装置，让学生明确将要进行演示的内容，并提出思考问题：①静止的小车突然用手猛推时小车上的人将会产生怎样的现象？②运动的小车在碰到障碍物时小车上的人将会产生怎样的现象？为什么？
学生预言结果（记录），小组讨论（自圆其说）。
在预言和讨论中，学生都在不时地注视讲台上的实验装置。从学生的自我记录及小组代表的发言中，得到的预言情况如下：①当小车突然启动时，“人的身体向后倾(63%)”，“人的身体向前倾(15%)”，“人会先向后倾倒然后再向前倾倒(14%)”；②当小车突然停止时，“人的身体向前倾(68%)”，“人的身体向后倾(10%)”，“人会猛地向前倒然后再猛地向后倒(14%)”。
以下是一些学生的解释：
“人有重心，当车突然推动，车把人的重心带到了前面，上半身也就会往重心相反的方向运动。”
“猛地一下，直觉告诉我会出现这样的结果。”
“车座拖着人在跑，所以人往后。”
“用手猛推后面有劲，会使人自然前倾。”
“上身受到阻力，所以会向后倾。”
……
(3)通过实验演示验证，引发学生认知冲突，而后解决冲突
笔者分别演示前面所述的2种情况，同时注意引导学生作出合理解释。再通过用小棒打击塑料片，鸡蛋落入装有水的烧杯中这样一个演示实验，帮助学生形成惯性概念。
学生观察实验现象后，进行小组讨论。
当笔者声明此时要用实验来验证学生的想法时，学生情绪很高昂，都目不转睛地注视着演示装置，期待着这个神秘答案的揭晓。现象演示后，有的学生拍手叫好，证明自己预言对了；有的学生凝眉思索……
(4)利用更多的演示实验，促使学生修正原有的认知，构建正确的科学概念，同时评估学生的学习情况
笔者做以下演示实验。
①演示实验：车碰障碍物前，铁块随车运动；车碰障碍物后，车停铁块继续向前滑动（如图3）。
图3
②演示实验：将一只盛满水的烧杯，用泡沫塑料套住下部，放在小车上。当用力拉动小车向前运动碰到障碍物时，小车突然停止前进，杯中的水向前冲出（如图4）。
图4
③演示实验：点燃蜡烛，往烟圈炮内吹几口香烟的烟雾或充些纸烟，使炮口对准蜡烛，用手指敲击橡皮膜，筒内空气受力作用，改变原来静止状态，以一定速度从炮口飞出，熄灭烛火，说明空气的惯性（如图5）。
图5
④让学生上讲台演示：如何除去黑板擦上附着的粉笔灰，说明理由（学以致用）。
学生对每个演示实验进行分析、判断、解释。
通过一系列有趣实验的演示，学生学习的兴趣极大地调动了起来，而且体会到无论物体是静止的还是运动的，无论是固体、液体还是气体，无论受力还是不受力时都有惯性。
(5)学生反思、总结自己的学习情况
要求学生认真回忆、思考“通过本次学习你学到了什么？你认为自己对物理知识本质的认识跟以前相比有什么变化？”
学生感想很多，回答也积极踊跃。例如：
“以前我以为此类现象只是一种本能的反应。而现在了解到，这种本能的反应就是物理学中的惯性。”
“物体具有保持原来状态不变的性质，让我认识到应该仔细观察自己周围的事物。”
“以前我认为这种现象是因为力的作用，是为了掌握身体平衡的一种行为，现在才知道这是物体所具有的一种性质，叫做惯性。”
“当外界物体有变化，也会影响到原有物体，但其仍有保持原有状态的性质。”
“由于人具有惯性，因此坐车时更要注意安全。”
……