谈科学思维导向的初中物理实验探究类微课资源的设计
林自强
摘 要：本文介绍实验探究类微课资源设计的理论依据、教学实践以及教学感悟。通过分三个主题介绍微课资源设计案例，展现此类微课设计在突破难点的过程中锻炼物理学科科学思维，养成核心素养的作用。
关键词：实验探究类；微课设计；科学思维导向
笔者参加了福州市教育科学研究规划“十三五”规划2017年度立项课题“基于核心素养导向的初中物理教学难点的深层研究”。针对某些难点，内化物理学研究方法进行微课流程设计，不仅帮助学生突破学习难点，还锻炼具有深刻性、批判性的科学思维，构建学生物理学科核心概念、规律，养成重实证的意识。
1 理论依据
义务教育物理课程应注重让学生自己经历探究过程，学习科学知识和科学探究方法，培养学生的科学思维，提高他们面对新情境时解决问题的能力[ 1 ]。物理学科核心素养中科学思维是指从物理学视角对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识方式，是基于经验事实建构理想模型的抽象概括过程；是分析综合、推理论证等科学思维方法的内化；是基于事实证据和科学推理对不同观点和结论提出质疑、批判，进而提出创造性见解的能力与品质[ 2 ]。“科学思维”主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素[ 2 ]。实验探究类微课则是微型化教学视频，围绕某个知识点展开。可以通过技术手段，再现或放大一些有难度、有特色、有危险的演示实验，展示出课堂不易观察到的事实现象。以科学思维为导向的微课品质，不是简单地由展现的技术形式决定，更取决于有层次的设计。物理学研究方法正是破解学习难点的“特征不变量”。每节微课都有相对完整的观察、综合分析、巩固练习的过程，使学生有能力基于事实、深入思辨、及时反馈。笔者结合课题研究成果，分主题介绍以科学思维为导向的微课设计在突破学习难点上的尝试。
2 设计案例
2.1 质疑创新、科学论证主题
以“碘的升华和凝华”微课资源设计为例：
（1）设计背景
学生观察沪科版九年级教材演示实验“酒精灯加热碘升华”，常见以下几个误区。其一，碘只会升华和凝华；其二，碘可能经历熔化再汽化的过程。这说明该演示实验未能有效的揭示本质，而发现问题、表达问题、分析问题的过程又能锻炼学生“质疑、推理、论证”的能力，是宝贵的生成资源。
（2）資源设计
微课视频设计四个环节：①实验演示；②实验反思③实验改进；④实验拓展。
第一个环节介绍装置、演示酒精灯加热碘锤的实验。视频先展播碘锤中的碘受热后的变化，再按照12倍速度播放碘锤冷却后的变化，最后再倒置碘锤重新加热观察碘的变化。引导学生分析实验现象得结论，引入升华和凝华的定义。
第二个环节设计题干：“小聪查阅资料发现如表1所示的数据。根据这些数据，他认为刚才所做的实验中，碘可能经历了由固态到液态再到气态的变化过程。只不过密闭的玻璃锤中较难观察，所以刚才的实验并不能得出碘升华的结论。”提出问题，该怎样验证碘能够直接从固态转变成气态呢？
第三个环节针对玻璃器皿传热慢、紫色碘蒸气浓烈等缺点，选择在开放的化学消毒柜中用铁勺子盛装碘颗粒再实验。引导学生观察碘受热后的物态变化。进而视频展播碘在铁勺中发生了熔化、汽化现象。再引导学生分析现象，归纳结论：①碘受热可以由固态变成液态，发生熔化现象；②碘受热可以由液态变成气态，发生汽化现象。由于碘蒸气也可能来自汽化，这个实验依旧不能说明碘可以直接从固态变成气态。进一步反思，有没有其他方法可以验证碘能够升华呢？
第四个环节请学生选择合适的器材，结合表1中的数据，设计一个实验方案，验证碘可以从固态直接转变成气态。要求：①写出实验步骤； ②写出判断依据和方法。提供的器材有：铁架台、碘颗粒、酒精灯、火柴、支架、试管、石棉网、烧杯和水、玻璃片。
2.2 科学推理、科学论证主题
以“托里拆利实验原理的探究”微课资源设计为例：
（1）设计背景
由于教材只给出结论式的表达：“正是管外汞面上受到的大气压强支持着玻璃管内760mm高的汞柱[ 3 ]。”学生对研究对象的选取、实验原理模糊不清，形成了学习上的一个难点。但是学生接触过实验加推理的方法。如果能创设情境引导学生进行演绎推理，不仅能帮助学生了解原理的力学本质，破除难点，还能帮助学生建构模型、内化物理学研究方法。
（2）资源设计
微课视频设计为三个环节：①提出问题；②实验视频展播并分析总结；③当堂反馈。
第一个环节介绍 “300多年前意大利煤矿抽水时，水柱总是到十米多就不再上升。”以此建立问题情境，激发学生思考。
第二个环节设计共六个步骤。①视频演示吊起一根三至四米多高的透明塑料管，一端插入红墨水，另一端连接一双用打气筒。引导学生确定管内一小液片为研究对象，使用特写镜头帮助观察不抽气时塑料管内外液面的高度。引导学生分析现象，思考管外大气压强p0与管内液片上方的大气压强p0（如图1甲）的关系。②采用画中画的技术手段，视频演示用双用打气筒抽一部分空气，让学生观察现象。引导学生对比第二次和第一次实验，发现管外的压强不变，还是大气压强P0。对比管内的现象，分析第二次管内液片上方压强等于什么，列出等式（如图1乙）。③视频演示再抽出一部分空气，让学生观察现象。引导学生对比第三次和第二次实验管外的压强还是不变，等于大气压强P0。对比管内的现象，分析管内液片上方压强变化趋势（如图1乙箭头所示）。④动画演示在实验基础上进行推理，引导学生推理如果水柱上方被抽成真空，分析管内液片上方压强等于什么，列出等式（如图1丙）。⑤视频演示教师在教学楼附近用水柱做实验，引导学生感受做实验时不便之处，改进实验器材（换密度较大的液体水银）。⑥视频演示托里拆利实验过程，引导学生分析当时当地的大气压强值。
第三个环节设计试题，例如要求学生根据水银柱展示不同高度、不同倾角读取图中大气压强值等。
2.3 模型建构、科学推理主题
以“力臂概念的建立”微课资源设计为例：
（1）设计背景
力臂教学难点在教具制作和概念的推导上，学生在学习过程中较难通过自习或者强记这个概念。同时，存在“找点线”和“画圆”两种经典案例。“找点线”能直击问题的本质，但操作难度更大；“画圆”渗透数学知识强化等量意识，但问题呈现特别是圆的呈现比较突兀，各有优劣。如果突破教具上限制，同时做好数学知识的铺垫，或可以合二为一，取长补短，帮助学生破除难点。
（2）资源设计
微课视频设计为三个环节：①演示实验展播引导建立概念；②课件演示展播介绍力臂作图、学科渗透深化概念；③当堂练习。
第一个环节，视频展播教师演示实验，共有七个步骤。①先用磁吸挂钩吸附在黑板上，用一米长轻质木条作杠杆挂在挂钩上。以挂钩做支点，在支点左右两侧同一直线各分布九个等距作用点。实验开始前，调节平衡螺母使杠杆在水平位置保持平衡。②在左侧点六位置挂上两个钩码，松手后，要求学生观察现象。为使杠杆平衡，在右侧的点三位置挂上四个钩码（FA），松手后，引导学生观察现象。③接下来，依次逐个改变点三位置力的大小、方向、作用点，引导学生观察现象归纳结论。④再保持力的大小不变，同时改变力的作用点和方向，引导学生猜想、观察现象。当发现杠杆保持在水平位置平衡后，引导学生分析两个力的三要素和效果，提出问题：是否存在一个量与力的方向、作用点都有关，在两次实验中是相等的，并能替代方向、作用点的共同作用产生一个相同效果？如果找到这个等量，将会极大简化研究的问题。⑤这时引入力的作用线的定义，引导学生分析两次实验支点是相同的，这个等量可能与支点和力的作用线都有关系。⑥然后借助自制刻度尺教具测量支点到FA力的作用线的距离对比支点到FB力的作用线的距离，帮助我们找到这个等量。⑦最后引导出力臂的定义。
第二个环节，设计有三个步骤。①先运用录屏软件（CamtasiaStudio）录下课件展播力臂作图流程，总结方法，演示画出FA和FB的力臂lA、lB（如圖2）。②然后设计以支点为圆心，以lA的长做半径画一个圆。渗透数学几何知识，引导学生找出lA、lB与各自力作用线的关系（垂直），强化等量意识。③最后设计在圆上再做一个切线（过右侧作用点五），然后撤去正在作用的力FB，在右侧点五的位置沿切线的方向施加一个新的力FC。使FC的作用效果等于FA或FB单独作用时产生的效果，并使FC的大小等于FA或FB的大小，引导学生猜想FC对应的力臂lC的大小等于多少，说明理由。
第三个环节，布置当堂练习精选作图两道，选择一道。例如：
如图3所示，可绕O点转动的轻质杠杆，在D点挂一个重为G的物体M。用一弹簧测力计依次在A、B、C三点沿与圆O相切的方向用力拉，都使杠杆在水平位置平衡，读出三次的示数分别为F1、F2、F3，则（ ）[ 4 ]
A.F1
C.F1=F2=F3=G
D.F1>F2=F3=G
3 教学感悟
（1）信息技术巧助攻
实验探究类微课资源包，好比一个数字化的“信息窗”。如果上传至腾讯课堂组建成资源库，学生可以根据自己的学习进度、学习问题，挑选需要的微课学习。微课制作软件（CamtasiaStudio）提供了大量的技术手段如视频剪辑、加标注、加画中画、加讲解字幕等，这是教师当场演示或学生分组实验无法比拟的。比如第一例中使用沪科版教材教学很少涉及碘的熔化和汽化。由于碘蒸气呈紫色，浓度大，在实验室中也很难展现碘熔化的演示效果。笔者通过化学消毒柜外加电吹风辅助，抵进拍摄下碘在铁勺中熔化再汽化的现象，有力的形成了认知冲突。又如第三例中通过视频剪辑，在黑板实验图片基础上加入一个圆，解决了真实实验较难操作的问题。
（2）思维锻炼有层次
符合学生认知规律，能推进思维深度的教学设计才是微课的核心。比如第一例中学生在学完微课，设计实验方案的过程中需要运用熔化条件、沸腾条件、表格数据分析实验现象，发现问题，分析问题再联想水浴法解决问题。使其经历了观察、质疑、猜想、验证、再设计的过程，思维锻炼有层次。再如第二例中以问题产生的历史背景为情境，应用实验加推理的方法进行演绎推理，更通过明确比较对象，强化了对比推理训练，突破托里拆利实验原理难点。又如第三例中演示实验视频从问题入手，从只改变一个要素到同时改变两个要素，寻找等量引入力臂。再通过信息技术补圆，引导学生发现力的作用线对应圆的切线、力臂对应同一个圆的半径，加深对等量的理解，养成利用数学知识解决物理问题的能力。这一切既实现了真探究，超越了教材布置验证实验或灌输教学的设计思路，同时锻炼了高阶思维方式，提高了解决问题的能力。
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[S].北京：北京师范大学出版集团，2011.
[2]朱晓安，张凤英. 比较教学：防治知识负迁移促进核心素养提升[J]. 中学物理教学参考，2018（6）.
[3]义务教育物理课程标准实验教科书编写组.物理[M]. 上海：上海科学技术出版社，2012.
[4]福建省教育厅.福建省初中学科教学与考试指导意见（物理）[S].福建：福建教育出版社，2017.
摘 要：本文介绍实验探究类微课资源设计的理论依据、教学实践以及教学感悟。通过分三个主题介绍微课资源设计案例，展现此类微课设计在突破难点的过程中锻炼物理学科科学思维，养成核心素养的作用。
关键词：实验探究类；微课设计；科学思维导向
笔者参加了福州市教育科学研究规划“十三五”规划2017年度立项课题“基于核心素养导向的初中物理教学难点的深层研究”。针对某些难点，内化物理学研究方法进行微课流程设计，不仅帮助学生突破学习难点，还锻炼具有深刻性、批判性的科学思维，构建学生物理学科核心概念、规律，养成重实证的意识。
1 理论依据
义务教育物理课程应注重让学生自己经历探究过程，学习科学知识和科学探究方法，培养学生的科学思维，提高他们面对新情境时解决问题的能力[ 1 ]。物理学科核心素养中科学思维是指从物理学视角对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识方式，是基于经验事实建构理想模型的抽象概括过程；是分析综合、推理论证等科学思维方法的内化；是基于事实证据和科学推理对不同观点和结论提出质疑、批判，进而提出创造性见解的能力与品质[ 2 ]。“科学思维”主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素[ 2 ]。实验探究类微课则是微型化教学视频，围绕某个知识点展开。可以通过技术手段，再现或放大一些有难度、有特色、有危险的演示实验，展示出课堂不易观察到的事实现象。以科学思维为导向的微课品质，不是简单地由展现的技术形式决定，更取决于有层次的设计。物理学研究方法正是破解学习难点的“特征不变量”。每节微课都有相对完整的观察、综合分析、巩固练习的过程，使学生有能力基于事实、深入思辨、及时反馈。笔者结合课题研究成果，分主题介绍以科学思维为导向的微课设计在突破学习难点上的尝试。
2 设计案例
2.1 质疑创新、科学论证主题
以“碘的升华和凝华”微课资源设计为例：
（1）设计背景
学生观察沪科版九年级教材演示实验“酒精灯加热碘升华”，常见以下几个误区。其一，碘只会升华和凝华；其二，碘可能经历熔化再汽化的过程。这说明该演示实验未能有效的揭示本质，而发现问题、表达问题、分析问题的过程又能锻炼学生“质疑、推理、论证”的能力，是宝贵的生成资源。
（2）資源设计
微课视频设计四个环节：①实验演示；②实验反思③实验改进；④实验拓展。
第一个环节介绍装置、演示酒精灯加热碘锤的实验。视频先展播碘锤中的碘受热后的变化，再按照12倍速度播放碘锤冷却后的变化，最后再倒置碘锤重新加热观察碘的变化。引导学生分析实验现象得结论，引入升华和凝华的定义。
第二个环节设计题干：“小聪查阅资料发现如表1所示的数据。根据这些数据，他认为刚才所做的实验中，碘可能经历了由固态到液态再到气态的变化过程。只不过密闭的玻璃锤中较难观察，所以刚才的实验并不能得出碘升华的结论。”提出问题，该怎样验证碘能够直接从固态转变成气态呢？
第三个环节针对玻璃器皿传热慢、紫色碘蒸气浓烈等缺点，选择在开放的化学消毒柜中用铁勺子盛装碘颗粒再实验。引导学生观察碘受热后的物态变化。进而视频展播碘在铁勺中发生了熔化、汽化现象。再引导学生分析现象，归纳结论：①碘受热可以由固态变成液态，发生熔化现象；②碘受热可以由液态变成气态，发生汽化现象。由于碘蒸气也可能来自汽化，这个实验依旧不能说明碘可以直接从固态变成气态。进一步反思，有没有其他方法可以验证碘能够升华呢？
第四个环节请学生选择合适的器材，结合表1中的数据，设计一个实验方案，验证碘可以从固态直接转变成气态。要求：①写出实验步骤； ②写出判断依据和方法。提供的器材有：铁架台、碘颗粒、酒精灯、火柴、支架、试管、石棉网、烧杯和水、玻璃片。
2.2 科学推理、科学论证主题
以“托里拆利实验原理的探究”微课资源设计为例：
（1）设计背景
由于教材只给出结论式的表达：“正是管外汞面上受到的大气压强支持着玻璃管内760mm高的汞柱[ 3 ]。”学生对研究对象的选取、实验原理模糊不清，形成了学习上的一个难点。但是学生接触过实验加推理的方法。如果能创设情境引导学生进行演绎推理，不仅能帮助学生了解原理的力学本质，破除难点，还能帮助学生建构模型、内化物理学研究方法。
（2）资源设计
微课视频设计为三个环节：①提出问题；②实验视频展播并分析总结；③当堂反馈。
第一个环节介绍 “300多年前意大利煤矿抽水时，水柱总是到十米多就不再上升。”以此建立问题情境，激发学生思考。
第二个环节设计共六个步骤。①视频演示吊起一根三至四米多高的透明塑料管，一端插入红墨水，另一端连接一双用打气筒。引导学生确定管内一小液片为研究对象，使用特写镜头帮助观察不抽气时塑料管内外液面的高度。引导学生分析现象，思考管外大气压强p0与管内液片上方的大气压强p0（如图1甲）的关系。②采用画中画的技术手段，视频演示用双用打气筒抽一部分空气，让学生观察现象。引导学生对比第二次和第一次实验，发现管外的压强不变，还是大气压强P0。对比管内的现象，分析第二次管内液片上方压强等于什么，列出等式（如图1乙）。③视频演示再抽出一部分空气，让学生观察现象。引导学生对比第三次和第二次实验管外的压强还是不变，等于大气压强P0。对比管内的现象，分析管内液片上方压强变化趋势（如图1乙箭头所示）。④动画演示在实验基础上进行推理，引导学生推理如果水柱上方被抽成真空，分析管内液片上方压强等于什么，列出等式（如图1丙）。⑤视频演示教师在教学楼附近用水柱做实验，引导学生感受做实验时不便之处，改进实验器材（换密度较大的液体水银）。⑥视频演示托里拆利实验过程，引导学生分析当时当地的大气压强值。
第三个环节设计试题，例如要求学生根据水银柱展示不同高度、不同倾角读取图中大气压强值等。
2.3 模型建构、科学推理主题
以“力臂概念的建立”微课资源设计为例：
（1）设计背景
力臂教学难点在教具制作和概念的推导上，学生在学习过程中较难通过自习或者强记这个概念。同时，存在“找点线”和“画圆”两种经典案例。“找点线”能直击问题的本质，但操作难度更大；“画圆”渗透数学知识强化等量意识，但问题呈现特别是圆的呈现比较突兀，各有优劣。如果突破教具上限制，同时做好数学知识的铺垫，或可以合二为一，取长补短，帮助学生破除难点。
（2）资源设计
微课视频设计为三个环节：①演示实验展播引导建立概念；②课件演示展播介绍力臂作图、学科渗透深化概念；③当堂练习。
第一个环节，视频展播教师演示实验，共有七个步骤。①先用磁吸挂钩吸附在黑板上，用一米长轻质木条作杠杆挂在挂钩上。以挂钩做支点，在支点左右两侧同一直线各分布九个等距作用点。实验开始前，调节平衡螺母使杠杆在水平位置保持平衡。②在左侧点六位置挂上两个钩码，松手后，要求学生观察现象。为使杠杆平衡，在右侧的点三位置挂上四个钩码（FA），松手后，引导学生观察现象。③接下来，依次逐个改变点三位置力的大小、方向、作用点，引导学生观察现象归纳结论。④再保持力的大小不变，同时改变力的作用点和方向，引导学生猜想、观察现象。当发现杠杆保持在水平位置平衡后，引导学生分析两个力的三要素和效果，提出问题：是否存在一个量与力的方向、作用点都有关，在两次实验中是相等的，并能替代方向、作用点的共同作用产生一个相同效果？如果找到这个等量，将会极大简化研究的问题。⑤这时引入力的作用线的定义，引导学生分析两次实验支点是相同的，这个等量可能与支点和力的作用线都有关系。⑥然后借助自制刻度尺教具测量支点到FA力的作用线的距离对比支点到FB力的作用线的距离，帮助我们找到这个等量。⑦最后引导出力臂的定义。
第二个环节，设计有三个步骤。①先运用录屏软件（CamtasiaStudio）录下课件展播力臂作图流程，总结方法，演示画出FA和FB的力臂lA、lB（如圖2）。②然后设计以支点为圆心，以lA的长做半径画一个圆。渗透数学几何知识，引导学生找出lA、lB与各自力作用线的关系（垂直），强化等量意识。③最后设计在圆上再做一个切线（过右侧作用点五），然后撤去正在作用的力FB，在右侧点五的位置沿切线的方向施加一个新的力FC。使FC的作用效果等于FA或FB单独作用时产生的效果，并使FC的大小等于FA或FB的大小，引导学生猜想FC对应的力臂lC的大小等于多少，说明理由。
第三个环节，布置当堂练习精选作图两道，选择一道。例如：
如图3所示，可绕O点转动的轻质杠杆，在D点挂一个重为G的物体M。用一弹簧测力计依次在A、B、C三点沿与圆O相切的方向用力拉，都使杠杆在水平位置平衡，读出三次的示数分别为F1、F2、F3，则（ ）[ 4 ]
A.F1
C.F1=F2=F3=G
D.F1>F2=F3=G
3 教学感悟
（1）信息技术巧助攻
实验探究类微课资源包，好比一个数字化的“信息窗”。如果上传至腾讯课堂组建成资源库，学生可以根据自己的学习进度、学习问题，挑选需要的微课学习。微课制作软件（CamtasiaStudio）提供了大量的技术手段如视频剪辑、加标注、加画中画、加讲解字幕等，这是教师当场演示或学生分组实验无法比拟的。比如第一例中使用沪科版教材教学很少涉及碘的熔化和汽化。由于碘蒸气呈紫色，浓度大，在实验室中也很难展现碘熔化的演示效果。笔者通过化学消毒柜外加电吹风辅助，抵进拍摄下碘在铁勺中熔化再汽化的现象，有力的形成了认知冲突。又如第三例中通过视频剪辑，在黑板实验图片基础上加入一个圆，解决了真实实验较难操作的问题。
（2）思维锻炼有层次
符合学生认知规律，能推进思维深度的教学设计才是微课的核心。比如第一例中学生在学完微课，设计实验方案的过程中需要运用熔化条件、沸腾条件、表格数据分析实验现象，发现问题，分析问题再联想水浴法解决问题。使其经历了观察、质疑、猜想、验证、再设计的过程，思维锻炼有层次。再如第二例中以问题产生的历史背景为情境，应用实验加推理的方法进行演绎推理，更通过明确比较对象，强化了对比推理训练，突破托里拆利实验原理难点。又如第三例中演示实验视频从问题入手，从只改变一个要素到同时改变两个要素，寻找等量引入力臂。再通过信息技术补圆，引导学生发现力的作用线对应圆的切线、力臂对应同一个圆的半径，加深对等量的理解，养成利用数学知识解决物理问题的能力。这一切既实现了真探究，超越了教材布置验证实验或灌输教学的设计思路，同时锻炼了高阶思维方式，提高了解决问题的能力。
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[S].北京：北京师范大学出版集团，2011.
[2]朱晓安，张凤英. 比较教学：防治知识负迁移促进核心素养提升[J]. 中学物理教学参考，2018（6）.
[3]义务教育物理课程标准实验教科书编写组.物理[M]. 上海：上海科学技术出版社，2012.
[4]福建省教育厅.福建省初中学科教学与考试指导意见（物理）[S].福建：福建教育出版社，2017.
