學生自主創(chuàng)新實驗：初中物理課堂上的“真學習”

山東省萊州市玉皇中學  潘書朋

摘要：縱觀目前學生的物理學習普遍存在虛假學習、淺層學習的現(xiàn)象，沒有過程只有結果，用不科學的方法學科學，物理學科以“刷題”取代實驗教學，教師黑板畫實驗，學生背實驗的現(xiàn)象很普遍，這都是假學習，不是真學習，已經(jīng)忽略了思維能力的培養(yǎng)，偏離了學校教育“育人為本”的正確軌道。“學生自主創(chuàng)新實驗”就是要把研究的興奮點從“教師如何教”調(diào)整到“學生如何學”上，把人類歷史認識成果（人類已有經(jīng)驗）轉化為學生的主動學習活動，轉化為學生的精神力量和發(fā)展能量，讓學習真正觸及學生的心靈，教會學生思維，提高學生終身發(fā)展的能力，讓初中物理教學走向“真學習”。目前筆者進行“學生自主創(chuàng)新實驗”這一物理課改的實踐與探索主要從以下三個層面入手：激趣質疑——思維啟迪培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力;合作探究——智慧復演經(jīng)歷知識習得過程；項目研究——高階思維課題式研究性學習。

關鍵詞：學生自主創(chuàng)新實驗 人工智能  思維培養(yǎng)

伴隨著人工智能時代的到來，對創(chuàng)新人才的需求已經(jīng)成為全社會共同關注的話題。目前，隨著《教育部關于加強和改進中小學實驗教學的意見》發(fā)布，也是在通過強化中小學實驗教學，力求探尋培養(yǎng)創(chuàng)新人才的重要途徑（以下簡稱《意見》）。縱觀目前學生的學習普遍存在虛假學習的現(xiàn)象，沒有過程只有結果，用不科學的方法學科學，物理學科不做實驗，教師畫實驗，學生背實驗現(xiàn)象很普遍，這都是假學習，不是真學習。更多的時候，我們很多課堂教學依然讓學生為應試而機械地學習、背誦記憶、枯燥訓練，讓他們整天刷題，刷到一看就會、一做就對，因為學生對于知識點、題目已經(jīng)爛熟于心，做過的試卷也等身高了，遺憾的是學生心中無物，眼里沒有生活，題目都會做，物理真的不懂，這就屬于淺層次的學習，已經(jīng)忽略了思維能力的培養(yǎng)、忽略了科普知識的滲透，忽略了科技創(chuàng)新應有的地位，就是說把人的最重要的核心素養(yǎng)培養(yǎng)讓位給了分數(shù)，這就導致學生會做題卻不會解決真實問題的現(xiàn)象較為普遍，也就是為何一直無法破解“學生的學習負擔過重”這一難題的原因所在，已經(jīng)偏離了學校教育“育人為本”的正確軌道。如果我們的教學還只是讓學生進行淺層學習、機械學習，只能是把人訓練成機器，那么人類必然會面臨被機器取代的危險。

其實每一個學生都是一個積極主動的、獨立的生命體，是“人”，我們不僅要關注學生的高認知，還要關注學生的高投入情感，關注學生對于知識習得的過程,要把研究的興奮點從“教師如何教”調(diào)整到“學生如何學”上，讓師生共同經(jīng)歷一場“立德樹人”的智慧之旅，旅程的終點是讓學生能夠積極、充分、靈活地運用所學知識去理解世界、解決問題、學以致用，并且獲得人格的健全和精神的成長，最終成為新時代的社會主義建設者和接班人。目前考試評價的導向也在倒逼我們的教學方式和學生的學習方式必須做出重大調(diào)整和變革，近幾年中高考物理試題的評價導向就是在引領我們的課堂教學從“知識傳遞”走向“思維培養(yǎng)”的真正轉型。如果我們的教育目標在于教會每一位學生思維，那么學生只需要掌握最基礎的知識、最基本的原理和方法就足夠了。只有會思維的學生才能夠舉一反三，能夠運用課本知識解決生活實踐中的問題，并且還會有所創(chuàng)新，有所發(fā)明。因此，從教給學生知識轉變?yōu)榻虝W生思維，才是減輕學生學習負擔的標本兼治之策^[1]。因此，“學生自主創(chuàng)新實驗”也就成為信息時代學生學習方式變革的必然選擇，也是教師進行深度實踐教學的最佳選擇，“學生自主創(chuàng)新實驗”就是把人類歷史認識成果（人類已有經(jīng)驗）轉化為學生的主動學習活動，轉化為學生的精神力量和發(fā)展能量，讓學習真正觸及學生的心靈，教會學生思維，提高學生終身發(fā)展的能力。目前筆者進行“學生自主創(chuàng)新實驗”這一物理課改的實踐與探索主要從以下三個層面入手：激趣質疑——思維啟迪培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力;合作探究——智慧復演經(jīng)歷知識習得過程；項目研究——高階思維課題式研究性學習。

一、激趣質疑——思維啟迪培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力

《意見》中指出，切實增強實驗教學的趣味性和吸引力，提高實驗教學質量和效果。那么，應該如何增強實驗教學的趣味性和吸引力呢？思維始于問題，從某種意義上講，完整的思維過程就是發(fā)現(xiàn)問題、提出問題并解決問題的過程，也就是說，思維本身就是一個不斷提問、不斷解答、不斷追問、不斷明朗的過程。目前我們以“灌輸知識”為主的應試訓練模式，讓學生幾乎無法提出有價值的問題。對于初中階段學生進行“自主創(chuàng)新實驗”就是從思維的起點（發(fā)現(xiàn)并提出問題）入手，在動手操作中出現(xiàn)的實驗現(xiàn)象會讓學生產(chǎn)生認知沖突，因為學生總是帶著一定的“前概念”進行新的學習，這對學生學習科學概念產(chǎn)生嚴重的影響。讓學生通過“自主創(chuàng)新實驗”有趣感知，啟迪思維，就是為了促成科學概念的轉化，是對學生進行思維培訓的起步，通過思維啟迪培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力。

例如：在“密度”一節(jié)課學習時，學生利用身邊簡易的器材自主設計的兩個創(chuàng)新實驗，可操作性很強也非常有新意，并且充滿浪漫的色彩，對學生的“視覺”非常具有沖擊力。通過奇妙的現(xiàn)象讓學生陶醉其中，也就激發(fā)了進一步探究的欲望，另外為后面學習“浮力”做了很好的鋪墊。這個非常有思維度的小實驗完全可以作為課堂上的情境源，從我們?nèi)粘Ｕn堂反饋的效果來看，非常理想，也具有很好的推廣價值。

【案例1】夢幻星球

實驗準備：酒精、水、食用油、注射器、色素、燒杯（圖1）

圖1

實驗操作：

方案一：首先將食用油用色素染成紫色、藍色和粉紅色；向燒杯中倒入酒精，用注射器將三種不同顏色的油滴入燒杯中，發(fā)現(xiàn)三種顏色的油滴沉在底部；用注射器向燒杯底部添加入水，發(fā)現(xiàn)油滴浮到了酒精和水的中央。

方案二：首先向燒杯中加水，然后用注射器向燒杯中慢慢倒入少許酒精，最后用注射器向燒杯中滴入三種顏色的食用油，會發(fā)現(xiàn)油滴浮在酒精和水的中央（圖2）。 

圖2  

【案例2】自制彩虹杯

實驗準備：洗潔劑、糖水、水、食用油、白酒、注射器、塑料瓶、水彩筆（或色素）

實驗操作：

1.首先將洗潔精染成綠色，糖水染成淡藍色，水染成紅色，白酒染成藍紫色；

2.把糖水、洗潔精、水、食用油、白酒依次慢慢倒入塑料瓶中。

3.靜止后，觀察色彩斑斕的“彩虹杯”（圖3）。 

   圖3  

實驗感悟：現(xiàn)代的教學觀就是要把學生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)放在首位，教師既是學生的長者、引路人，又是朋友。教師的主要作用是教學的設計者、組織者和幫助者及品德的示范者。我們應該清醒地認識到：只有讓教學方式走出灌輸、訓練、死記硬背、“題海戰(zhàn)術”，走向合作探究與學科實踐，才可能有深度學習，而深度學習的前提是深度教學。搞深度學習一定會和一些不和諧的現(xiàn)實有沖突。進行深度學習就是要做一些和現(xiàn)實常態(tài)不一樣的東西，敢于對現(xiàn)實說：不！因為深度學習就是把我們的教學從黑白走向彩色，發(fā)生質的改變。

“夢幻星球”和“自制彩虹杯”這兩個自主創(chuàng)新實驗，可以促成學生對于密度的概念的正確理解，尤其在彩虹杯的制作過程中，由于物質的種類增多，要求實驗操作的技巧越來越高，讓學生的動手能力得到了進一步提升與鍛煉?！皦艋眯乔颉焙汀白灾撇屎绫边@一系列創(chuàng)新實驗的設計，為思維的持續(xù)發(fā)展是非常有益的，也是后面“浮力”學習的基礎版。

二、合作探究——智慧復演經(jīng)歷知識習得過程

《意見》中指出，在實驗教學中要遵循學科特點，積極推動學生開展研究型、任務型、項目化、問題式、合作式學習。目前很多課堂依然是傳統(tǒng)課堂教學模式，在學習目標上，強調(diào)知識的傳授，忽視素養(yǎng)的培養(yǎng)；在教學方式上，強化教師的作用，“滿堂灌，滿堂問，滿堂練”充斥課堂，無視學生學習的真實問題，無視學生之間的差異，習慣整體同步推進教學；在學習方式上，強調(diào)接受學習、死記硬背、機械訓練，課堂教學缺乏思維對話。教學關系依然是“一桶水與一杯水”。課堂教學是創(chuàng)生精彩生成、分享個人智慧、合作探究實踐的過程，必須摒棄“教材中心”和“教師中心”的舊思路，最終走向學習本位的教學。初中物理教材中有很多經(jīng)典的教師演示實驗和學生分組實驗，也是學生進行“學著做”的很好范本。另外，學生進行“學著做”需要的素材來源有很多渠道，除了教材中的實驗，也可以來自網(wǎng)絡，來自教師、同伴、家長的智慧分享。其實在我們的物理課本中有很多科學探究實驗，科學探究是學生參與式的學習活動。在科學探究過程中，要經(jīng)歷“提出問題、猜想與假設、制定計劃與設計實驗、進行實驗與搜集數(shù)據(jù)、分析與論證、評估、交流與合作”等環(huán)節(jié)，無論是基于知識與經(jīng)驗的合理猜想，還是實驗方案的優(yōu)化設計，以及實驗過程中的合作，最后的評估交流，學生都會存在一定的“認知沖突”，這恰恰是發(fā)展學生思維的良好契機，通過師生之間，生生之間的質疑批判，思維碰撞，要鼓勵學生積極動手、動腦，通過自主的探究活動，學習物理概念和規(guī)律，體驗到學科學的樂趣，了解科學方法，獲取科學知識，逐步樹立科學創(chuàng)新精神。

為了真正引導學生進行有效的合作探究，教師首先要創(chuàng)設基于現(xiàn)實生活中真實的情境（或者小實驗），引導學生提出有思維度的優(yōu)質問題，進行科學的猜想與假設，這樣非常符合學生的認知規(guī)律。由于學習的課時所限，課堂中不可能在每次探究活動中各個要素都面面俱到，為此，教師要引導學生按照實驗原理、實驗方法將實驗的設計進行簡單陳述，實驗步驟具體化，可操作強，其中的實驗表格設計和圖像的繪畫要規(guī)范科學嚴謹，具體探究類實驗內(nèi)容側重某些探究要素，通過設計一系列的探究活動，使所有要素對應的探究能力都得到培養(yǎng)。這樣不僅有利于在有限的課堂時間內(nèi)完成科學探究任務，而且能使所側重的探究過程更加深入、具體，這有利于提高學生的科學探究能力。在“分析論證”環(huán)節(jié)要引導學生對于實驗的數(shù)據(jù)做出科學的分析與歸納，從而得出正確的結論或者規(guī)律。最后的“交流評估”環(huán)節(jié)主要引導學生針對實驗存在的困難以及操作出現(xiàn)的問題，要給出具體評估交流的內(nèi)容（例如：對比課本給出方案，評估你的優(yōu)化改進方案等等）。

【案例3】探究哪根蠟燭先熄滅

生活情境：如果居住的樓房不小心發(fā)生了火災，逃生時要用濕毛巾捂住口鼻在地面上爬行更安全（圖4），你知道這是為什么嗎？

           圖4               

設計思路：用一支短蠟燭模擬人爬行，另一支高蠟燭模擬人站立，玻璃罩模擬樓道空間（圖5）。

圖5

實驗準備：蠟燭、水盆、透明玻璃杯、點火器等

實驗操作：

1.用兩只長短不同粗細一樣的蠟燭，同時用兩個相同的杯子罩住蠟燭（圖6）. 

圖6

改進版：用同一個杯子罩住粗細一樣、長短不同的蠟燭（圖7）。

  圖7 

實驗現(xiàn)象：長的蠟燭先熄滅（圖8）。

圖8

2.拓展實驗①：兩根長短一樣、粗細不同的蠟燭（圖9）。

                        圖9

實驗現(xiàn)象：粗的蠟燭先熄滅（圖10）。

                  圖10                      

3.拓展實驗②：兩根粗細、長短一樣的蠟燭、杯子不同（圖11）。

圖11

實驗現(xiàn)象：杯子容積小的蠟燭先熄滅（圖12）。

     圖12   

分析與論證：蠟燭燃燒會消耗空氣中的氧氣，當蠟燭將杯子里的氧氣消耗完以后，蠟燭就熄滅了。蠟燭在燃燒過程中釋放出的二氧化碳，又被加熱后上升，于是最上面的蠟燭先熄滅。在拓展實驗探究“哪根蠟燭先熄滅”中，最終的實驗結論要涉及多種因素，例如要考慮罩蠟燭容器的高度、橫截面積、形狀、溫度等因素；還要考慮蠟燭：蠟燭的橫截面積、火焰大小、長短和長度之比等因素。 

實驗感悟：在初三物理啟蒙學習之初，引領孩子們初步探究“哪根蠟燭先熄滅”的過程中，再次體會到：知識怎么來的就讓孩子們怎么學，把學科專家、專業(yè)人員探究實踐的方式轉化為孩子的學習方式，讓孩子經(jīng)歷知識的產(chǎn)生過程（智慧復演），讓孩子像專家一樣去思考去進行科學探究，孩子們分別探究了蠟燭的長短、橫截面積以及容器的大小對實驗結論的影響。其實研究此實驗的手段很多也很豐富，可以作為一個研究性學習的課題進行研究，引領孩子們學會交流與合作，一起探索奇妙的物理世界。

三、項目研究——高階思維課題式研究性學習

《意見》中指出，鼓勵學校向學生開放實驗室,方便學生利用課余時間，以獨立或小組合作方式開展實驗探究，廣泛利用校外資源積極開展科學實驗活動。目前學生課后作業(yè)負擔過重是一個非常棘手的問題，即使我們的物理這門以實驗為主的自然科學，學生在課后也往往泡在“題海”里，長此以往學生越來越感悟到物理學習的困難，進而產(chǎn)生畏難厭學的情緒。為此，課后把傳統(tǒng)的鞏固性習題類作業(yè)模式改變?yōu)閷嶒灐皠?chuàng)新研究性學習”的方式，或者引領學生進行“課題式研究性學習”，讓學生基于真實生活情境解決實際問題而學習，這屬于發(fā)展學生高階思維的層面。引領學生進行“課題式研究性學習”屬于發(fā)展學生高階思維的層面。談到“課題式研究性學習”至今有人認為應該更適合成人化的大學生或者研究生學習，不適合中小學生。其實如果沒有一個沒有課題意識的人，即使他是大學生，研究生，仍有可能不能適應課題式學習的方法。相反，對于一個有課題意愿的學生而言，即使他身處小學或中學，也同樣可以做一個出色的、像模像樣的“課題研究人員”。為此，在學生的知識儲備和能力提升達到一定的高度，可以引領學生進行這類“課題式研究性學習”^[2]。

“課題式研究性學習”主題的確立是研究性學習活動的靈魂，“正確選題”是研究性學習成功的一半。沒有主題，活動就會失去方向，活動的內(nèi)容就會零散，缺乏內(nèi)在的聯(lián)系，就不利于學生完整知識、能力、情感結構的形成?！罢n題式研究性學習”的主題不是預設的，而是要看學生關心什么，對什么感興趣。只有感興趣的事，學生才會樂此不疲地去學、去讀、去探究。因而在教學中，教師要密切關注學生的需求和期待，善于捕捉研究性學習的主題，引導學生主動發(fā)現(xiàn)具有探究價值的課題。具體來說，可以從以下兩個方面進行選題：一是課題要從教材中來，在教學中，教師首先要有捕捉確立研究性學習課題的意識，要以教材為依托，拓展課堂教學空間，引導學生確立探究的主題。不管是課前的問題質疑，課中面紅耳赤的爭論，還是課后意猶未盡的回味反思，其間都不乏思維火花的突閃，智慧的靈動，而這些也正是教師引導學生確立研究課題的最佳契機；二是課題要從學生的生活中來，生活就是一本教科書，里面有許多的學問等待著我們?nèi)パ芯俊⑷ヌ剿?。教師要鼓勵學生做生活的有心人，大自然中一些有趣的現(xiàn)象，日常生活中一些感興趣的事物，身邊議論的一些熱點話題等，都可以作為“課題式研究性學習”的主題。

下面就以“負壓的利用”這一案例為例，來闡述一下“課題式研究性學習”在具體實施的過程中如何按照以下幾個具體環(huán)節(jié)進行操作：

【案例4】負壓的利用

環(huán)節(jié)1：策劃活動、確定主題。在主題確定階段，教師的指導作用主要體現(xiàn)在根據(jù)學生已有的生活經(jīng)驗，引導學生主動發(fā)現(xiàn)自己感興趣的問題，確定活動的組織形式，通過討論、交流確定活動主題。例如，罐頭食品通常是在加熱時將罐頭密封，因此都存在一定的負壓。開啟罐頭時聽到“嗤”的一聲，這是空氣進入罐內(nèi)，而不是氣體從罐內(nèi)跑出（罐裝啤酒和罐裝汽水則不同，由于二氧化碳溶入液體飲料，罐內(nèi)的氣體壓強大于大氣壓）。有一些用塑料袋密封包裝的食品，俗稱“真空包裝”，實際上是負壓包裝。燈泡、電視機的顯像管都是處在一定程度的負壓狀態(tài)。不小心打破燈泡時，碎玻片不是向外飛出，而是被大氣壓入燈泡里面。負壓的利用非常普遍，人們常常使某部分空間出現(xiàn)負壓狀態(tài)，便能利用無處不在的大氣壓替我們效力。人們呼吸時，當肺處于擴張狀態(tài)時出現(xiàn)負壓，在肺的內(nèi)外形成了壓強差新鮮空氣就被壓入肺內(nèi)^[2]。

環(huán)節(jié)2：選題策劃、制定方案。教師根據(jù)活動策劃的初衷和主題思路，引導學生從不同視角生成適合他們進行探究活動的課題，形成小組或個體的活動方案。例如，在環(huán)節(jié)1中通過引導讓學生體會負壓的利用非常普遍之后，教師再進一步進行引導：在地球表面被大氣層包圍著，因而地球表面空間到處有大氣壓強存在。桌面上、桌面下，箱子里、箱子外，人體內(nèi)、人體外都存在壓強，而且對每一個表面來說，兩面壓強是平衡的，因此你感覺不到大氣壓的存在。一旦將某一方面的壓強撤去的話，你便會看到大氣壓這位“大力士”的威力。這樣學生就可以根據(jù)老師的引導選題策劃、制定方案。

環(huán)節(jié)3：自主探究、創(chuàng)新實驗。這一環(huán)節(jié)主要是學生以個體或小組為單位組織學生開展綜合實踐活動，主要形式有實地考察、專題訪談、搜索資料、分析材料、觀看錄像、實踐操作等，其中一個主要的活動場所就是家庭，學生在家里可以利用身邊的簡易器材自主設計實驗，動手操作。

環(huán)節(jié)4：展示交流、科學評價。學生以各種方式展示、交流活動成果，教師組織進行科學評價。以下是學生展示的一個有趣的實驗——大氣壓強將易拉罐壓癟。在易拉罐上纏上鋁絲并固定，并且將鋁絲擰成柄狀。往易拉罐里倒入少量的水，置于鐵架臺上（圖13），用酒精燈加熱至易拉罐中的水沸騰，可以看到在易拉罐口冒出大量的白霧，待白霧逐漸減少，迅速用戴手套的手拿住手柄，倒扣在冷水中。“砰”的一聲巨響，易拉罐被壓癟了（圖14），現(xiàn)象令人非常震撼！教師對于學生對于學生的展示交流給予客觀公正地評價，同時一定要強調(diào)實驗操作的安全性。

               圖13                   

圖14

環(huán)節(jié)5：反思改進、拓展延伸：學生對自己在實踐活動中的表現(xiàn)進行總結、反思，撰寫活動總結。教師組織進行多元評價，通過創(chuàng)設活動情景、布置課外作業(yè)等形式將學生的認知活動引向深入。例如，教師在環(huán)節(jié)4中學生展示交流并作出評價之后，可以引導學生課后繼續(xù)進行如下的拓展實驗：如果縮短加熱時間，重復上面的實驗，請你猜想并觀察易拉罐變癟的程度，并嘗試說出其中的科學道理。

   教師繼續(xù)引導:通常我們把容器內(nèi)氣體的壓強小于標準大氣壓的狀態(tài)稱為負壓狀態(tài)。將密封容器抽成完全真空就是大氣壓下負壓的最大值（人們還無法做到抽成完全真空）。當然如果外界壓強超過1個標準大氣壓，那么容器受到的負壓還可以增大。請同學們課后查閱利用負壓工作的其他器具的工作過程。

總之，“學生自主創(chuàng)新實驗”這一全新教學模式，按照“思維啟迪，有趣感知——思維（獨立）碰撞，興趣激發(fā)——思維遷移，志趣升華——思維提升，智慧生成”的思維培訓流程，符合學生的認知規(guī)律，讓學生走向物理的“真學習”，讓物理課堂成為學生思維發(fā)展的樂園，已經(jīng)深得廣大一線教師的贊同和認可，成為了目前物理教學的最優(yōu)途徑，這既是一種課堂教學模式，也是學生參與的深度學習方式^[3]?？墒悄壳坝捎陂L期以來受“唯分數(shù)論”的錯誤導向，很多老師已經(jīng)習慣了“刷題”這一看似“立竿見（陰）影”的教學“捷徑”，這些虛假學習、淺層學習的現(xiàn)象已經(jīng)嚴重制約了學生思維的發(fā)展。在這個呼喚創(chuàng)新人才輩出的時代，“刷題”模式已經(jīng)一去不復返了，這幾年各省市中考物理試題的“與時俱進”就是在倒逼我們的學習方式和教學方式作出重大變革，必須引領學生進行“體驗式學習”，學生進行自主創(chuàng)新實驗就是目前物理教學的最優(yōu)途徑，一線教師要做真教育，學生要進行真探究，學生過重的學習負擔這一難題才能得以解決。

（此文為煙臺市教育科學“十三五”規(guī)劃2019年度專項課題“基于學科核心素養(yǎng)優(yōu)化初中物理課程結構的策略研究”階段性研究成果。課題批準號：YJKCZX135063）

參考文獻：

[1]郅庭瑾.為思維而教[M].北京：教育科學出版社，2007.

[2][3]潘書朋，湯金波.四論學生自主創(chuàng)新實驗是物理教學的最優(yōu)途徑[J].實驗教學與儀器，2019（9）8-12.

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