初中物理大单元创新实验教学设计研究

摘要

《义务教育物理课程标准（2022年版）》要求初中物理教师在实验教学中转变传统的“灌输”式授课思路，将专注力更多地投向学生核心素养的培养方面。为此，以苏科版物理八年级上册第三章“光现象”实验为例，采用大单元创新实验教学模式，完整、丰富、直观、有效地将初中物理实验教学的内容和思维方法传递给学生，在不断提升学生的高阶思维能力、动手操作能力以及综合创新能力的同时，有效提升学生的学习效率。

Graphical abstract

关键词

初中物理创新实验 / 大单元 / 苏科版 / 光现象 / 教学设计

对于“实验探究”主题，《义务教育物理课程标准（2022年版）》（以下简称《新课标》）强调物理课程的实践性，凸显物理实验的整体设计作用，并明确学生必做实验的必要性。在实验探究过程中，教师应注重发展学生的科学思维和科学探究能力，合理安排演示实验，让学生在实验情境中提出探究问题，引导学生基于证据进行归纳、总结、解释以及交流，注重核心素养的培养^［1］。基于《新课标》理念，初中物理大单元创新实验教学冲破了传统实验教学的桎梏，成为课堂教学改革的一大突破口。

1 整合单元实验教学内容

大单元教学，是指将一门课程或者一个单元分解为若干小的教学单元，且每个单元包含一定的知识内容和学习目标的教学行为。大单元实验设计，可界定为将一门课程或一个单元实验内容分解成若干小实验并加以系统梳理的设计行为，注重实验设计的逻辑性、层次性与创新性，能使一个单元的零散实验具有具象化、结构化和功能化等特点。大单元创新实验教学不仅着眼于知识的基础性与整体性，让学生在学习过程中逐步实现物理观念的建构，更结合创新的实验情境，让学生由被动接受知识转变为主动建构知识，即能根据实验现象提出核心价值问题，主动描述现象背后蕴藏的本质；在动手动脑的同时，全方位培养学生的思维能力，提升综合素养。在大单元创新实验教学中，每个实验探究过程都不是孤立的，而是由一个探究引发另一个探究，进而将各个探究活动有机地串联起来，形成一个环环相扣、彼此呼应的探究活动链条，最终求得对问题较深刻、较全面的认识^［2］。

2 初中物理大单元创新实验教学方法

2.1 明确常规实验教学目标并进行对比分析

在大单元创新实验教学伊始，首先应明确教材所涉及的实验教学目标，其次结合教学实际需要将全章涉及的创新实验与常规实验进行对比分析，寻找常规实验的不足之处，加以弥补、改进与创新，以使实验变得生活化、趣味化和直观化。苏科版物理八年级上册第三章“光现象”所涉及的常规实验与创新实验对比如表1所示。

2.2 大单元创新实验的教学流程

实验对比分析的目的是发现教学中存在的问题和改进方向，这是引领实验教学走向更深层次的必然途径，有助于明确教学改进的方向，为开展大单元所涉及的实验探究提供指导。每个实验的教学流程都可以遵循固定的范式，先观察现象，再提出核心问题，最后通过动手操作解决问题，生成结论并进行评价与反思。核心问题的引领，是每个实验不可缺少的环节，也是创新实验设计的灵魂所在。比如，在“色光混合”实验中，学生很容易观察到：当墙壁上的光斑发生混合后，色彩随之发生变化。这时，教师应提出核心问题：“白墙上能呈现色光到达墙上时混合形成的光斑，那么色光在传播过程中是否也会发生混合呢？如何呈现与观察？”实践证明，核心问题的引领作用能够有效促进学生思维向更深、更广的层次发展，更好地培养学生的发散思维能力和科学探究品质。

2.3 大单元创新实验设计的原则

（1） 创新实验设计须遵循章节知识内容，辅助教材涉及的常规实验，即在学生学完教材实验所呈现的基本概念、基本原理之后，应辅以创新实验。苏科版“光现象”一章所开发的实验更多的是从弥补知识漏洞出发。例如：“色光混合”实验，是为了弥补实验互动性差、实验效果呈现单一（无法动态展示色光混合的视觉效果）的缺陷；“平面镜成像”实验，是为了弥补学生的前概念错误（学生认为像就在平面镜上），即成像的多少是弥补学生空间思维的不足，因教材呈现的是二维图景，故拓展为三维空间，可使学生的思维发生大的跃迁；“光的反射”实验，是为了弥补教材只能呈现一次反射而不能多次反射的不足，同时也拓展了新材料的应用——光导纤维。

（2） 创新实验设计须遵循章节的逻辑架构。对此，苏科版教材按照知识结构主线分为主题一：光的色彩与光的能量；主题二：光的传播。同时，每个主题的推进又可以用“生活—物理—社会”3个维度划分^［2］，如表2所示。

在表2中，“★”标记处为表1中创新实验设计所对应的知识点，即每个创新实验设计都不能脱离教材逻辑架构，且每个创新实验在大单元视野下都要形成一个“实验链条”。例如：基于分解太阳光，可以利用凸透镜开发牛顿所做的“光的色散与合成”实验，让学生体会到合成的过程需要利用凸透镜将光进行收敛；基于不可见光，可以开发利用红外遥控器发射红外线，观察温度计示数升高现象或者不同色光的热效应实验；基于曲面镜，可以开发如哈哈镜成像原理等实验。这些开发的实验最终都指向核心价值取向，生活中的现象来源，物理中的本质解释，社会中的应用价值。例如，开发的“光的反射定律”拓展实验，不仅使光的多次反射现象呈现在学生面前，而且很好地解释了光导纤维的传输过程，同时也是“实验链条”的价值所在，其最终结果是知识的升华与应用。

3 “光现象”创新实验设计的作用

3.1 大单元创新实验有利于提升课堂氛围，增强趣味性、直观性与互动性

【实验1】多彩的光路。

【实验器材】红、绿、蓝光手电筒各一支，透明长方体容器（长×宽×高：60 cm×40 cm×40 cm），烟饼等。

【实验设计】利用红、绿、蓝光手电筒获取红、绿、蓝3种色光，将3种色光混合并投射到白墙（或白屏）上，此时白墙（或白屏）上呈现出色光混合形成的光斑。

提出核心问题：白墙上能呈现色光到达墙上时混合形成的光斑，那么色光在传播过程中是否也发生混合呢？如何呈现与观察？

【实验2】色彩表情。

【实验器材】人脸简笔画图片、红蓝滤色眼镜。

【实验设计】设计的实验装置如图1所示。戴上红蓝滤色眼镜，用手遮住红色镜片，透过蓝色镜片观察人脸简笔画图片，可以观察到一个不开心的哭脸表情，如图2所示；露出红色镜片，用手遮住蓝色镜片，透过红色镜片可以观察到原先的图片变成了一个开心的笑脸表情，如图3所示；如果两只眼睛交替眨眼，可以看到图片中哭脸和笑脸表情交替出现。

提出核心问题：为什么透过不同滤色镜片会看到不同的现象？我们观察到的物体的颜色是由什么决定的？

创新物理实验设计评析：实验1的设计体现在，在学生自主完成“色光混合”实验并观察色光混合形成的光斑基础上，对实验资源进行独到的处理，进一步思考光路可视方法，遂呈现出色光混合的过程路径；引导学生深化对色光混合学习的认知，从色光混合的平面叠加拓展到色光立体模型的理解，促使学生实现科学思维的进阶，有效引导学生深层次认识色光混合的过程。实验2设计表情变化的实验情境，可以丰富学生对物体颜色的感性体验；通过红蓝色彩变化的对比，激发学生的问题意识，促使学生思考人眼观察到的物体颜色是由什么因素决定的，最终形成物理观念；尝试解释表情变化之谜，领会人眼观察物体颜色的决定因素，学会用科学语言解释生活中的相关物理现象，以加深对物理知识的理解。

3.2 大单元创新实验可以修正学生的错误前概念，弥补教材知识漏洞

【实验3】贴纸找像。

【实验器材】平面镜、镀锌铁板、红蜡烛、红色圆点标签、嵌入磁铁、透明玻璃框、木框等。

【实验设计】设计的实验装置如图4所示。将平面镜插入木框中，然后置于镀锌铁板上；以烛焰为对象，请一学生指出烛焰像的位置，在指出的像的位置处贴上红色圆点标签；学生从不同角度观察并指出像的位置，并贴上红色圆点标签；变换观察角度后，发现镜子表面的标签点都不是像的准确位置，即像与标签点不重合。

提出核心问题：像的位置如果不在镜子的表面，那么它在哪里呢？

【实验4】能看到多少个像。

【实验器材】平面镜、镀锌铁板、红蜡烛。

【实验设计】设计的实验装置如图5所示。将红蜡烛放置在夹角约为120^o的两面镜子中间，可以观察到镜子中有两个像；逐渐减小两面镜子之间的夹角，观察到镜子中的像变多，且始终为对称分布；当夹角为45^o时，可观察到镜子中有7个像，如图6所示；当夹角减小到20^o时，观察到的像更多，呈现“生日蛋糕”的情景，如图7所示。

提出核心问题：两面镜子中呈现像的个数与其夹角变化有什么关系？

创新物理实验设计评析：平面镜成像在生活中很常见，但是对于学生而言，成像位置的确定是个难点。学生认为，像成于镜子表面，就像电视或电影画面投在屏幕上一样。因此，实验3的设计体现在，通过课外实践活动的创设，用贴标签的操作方式让学生将错误的前概念显性化，在此基础上让学生从不同的角度体验、观察和纠正原有概念，从而建立起像在镜后的科学概念，为玻璃板代替镜子提供了设计思路。实验4的设计体现在，改变两块平面镜之间的夹角，引导学生观察成像数量的变化，能增强学生的视觉体验，丰富感性认识，促使学生思考像的个数与镜子夹角之间的关系，从而提升学生的思维能力。据此，教师可以给学生提供多面小镜子，让学生自主探究和设计，从而在动手过程中获得成就感，提升创新能力。

3.3 大单元创新实验可以拓宽学生视野，关注科技前沿，践行《新课标》理念

【实验5】看见光路。

【实验器材】亚克力水槽、亚克力盖板、铁架台、红绿激光手电筒各一支、烟饼、打火机、试管、水。

【实验设计】设计的实验装置如图8所示。将亚克力水槽放置于水平桌面上，再将点燃的烟饼放入水槽内，最后用亚克力盖板（钻有一个比试管直径稍大的圆孔）盖在水槽上方；先将试管固定在铁架台上，再将其插入盖板开孔处，调节试管的高度，最后向试管内注水至管口；用另一个铁架台分别固定红色和绿色的激光手电筒各一支；打开绿色激光手电筒，使其发出的光斜射入试管中水的上表面，发现绿色激光进入水中，且在试管壁上发生多次反射，最终从试管底部折射出的光在桌面上形成发散的绿色光环；同时打开另一支红色激光手电筒，使其发出的光斜射入试管中水的上表面，发现红色激光进入水中，且在试管壁上发生多次反射，最终从试管底部折射出的光在桌面形成发散的红绿相间的光环；移动红色与绿色激光手电筒，光在试管底部混合成多彩的色光，且从试管底部折射出来后，在空气中传播并伴随着少量烟雾，交相辉映，形成美丽的红绿夹着黄色的动态光柱。

提出核心问题：根据观察到的现象可知，光在传播过程中有什么特点？

创新物理实验设计评析：创设一个实验场景，同时展示多个典型的光现象，并基于光在传播过程中的现象对比，促使学生初步建构光的直线传播、光的反射和光的折射等基本概念，进而帮助学生实现知识体系的结构化；比较不同概念的异同点，从大单元创新实验设计层面统领“光现象”内容的学习，引导学生体验、感悟、建构“光现象”内容。初中生的认知基于感性，随着水槽内烟雾的运动，就能观察到流动的激光这一神奇现象，有助于学生理性分析“光现象”，深化对“光现象”的认识。

大单元创新实验设计优点表现在：有利于整合教材实验内容；有利于弥补教材知识漏洞和突破学生前概念的思维枷锁；有利于拓宽学生视野和拓展新材料应用；有利于践行《新课标》理念，开展多任务、跨学科学习与合作；有利于培养学生的发散思维与创新思维能力^［3］。但也要认识到，根据大单元知识脉络与逻辑结构，设计出环环相扣的实验，既对教师的专业素养提出了较高要求，又为初中物理实验教学改革指明了前进方向。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部. 义务教育物理课程标准（2022年版） ［S］.北京：北京师范大学出版社，2022.

[2] 刘炳昇，李容.物理八年级上册·教师教学用书［M］.南京：江苏凤凰科技出版社，2022.

[3] 李姿璇，周维，朱家昆.大概念下的高中物理单元教学设计：以“抛体运动”单元为例［J］.物理通报，2024（05）：98-101．