【发表论文】学生自主创新实验：初中物理课堂上的“真学习”
学生自主创新实验：初中物理课堂上的“真学习”
山东省莱州市玉皇中学 潘书朋
摘要：纵观目前学生的物理学习普遍存在虚假学习、浅层学习的现象，没有过程只有结果，用不科学的方法学科学，物理学科以“刷题”取代实验教学，教师黑板画实验，学生背实验的现象很普遍，这都是假学习，不是真学习，已经忽略了思维能力的培养，偏离了学校教育“育人为本”的正确轨道。“学生自主创新实验”就是要把研究的兴奋点从“教师如何教”调整到“学生如何学”上，把人类历史认识成果（人类已有经验）转化为学生的主动学习活动，转化为学生的精神力量和发展能量，让学习真正触及学生的心灵，教会学生思维，提高学生终身发展的能力，让初中物理教学走向“真学习”。目前笔者进行“学生自主创新实验”这一物理课改的实践与探索主要从以下三个层面入手：激趣质疑——思维启迪培养学生创新能力;合作探究——智慧复演经历知识习得过程；项目研究——高阶思维课题式研究性学习。
关键词：学生自主创新实验 人工智能 思维培养
伴随着人工智能时代的到来，对创新人才的需求已经成为全社会共同关注的话题。目前，随着《教育部关于加强和改进中小学实验教学的意见》发布，也是在通过强化中小学实验教学，力求探寻培养创新人才的重要途径（以下简称《意见》）。纵观目前学生的学习普遍存在虚假学习的现象，没有过程只有结果，用不科学的方法学科学，物理学科不做实验，教师画实验，学生背实验现象很普遍，这都是假学习，不是真学习。更多的时候，我们很多课堂教学依然让学生为应试而机械地学习、背诵记忆、枯燥训练，让他们整天刷题，刷到一看就会、一做就对，因为学生对于知识点、题目已经烂熟于心，做过的试卷也等身高了，遗憾的是学生心中无物，眼里没有生活，题目都会做，物理真的不懂，这就属于浅层次的学习，已经忽略了思维能力的培养、忽略了科普知识的渗透，忽略了科技创新应有的地位，就是说把人的最重要的核心素养培养让位给了分数，这就导致学生会做题却不会解决真实问题的现象较为普遍，也就是为何一直无法破解“学生的学习负担过重”这一难题的原因所在，已经偏离了学校教育“育人为本”的正确轨道。如果我们的教学还只是让学生进行浅层学习、机械学习，只能是把人训练成机器，那么人类必然会面临被机器取代的危险。
其实每一个学生都是一个积极主动的、独立的生命体，是“人”，我们不仅要关注学生的高认知，还要关注学生的高投入情感，关注学生对于知识习得的过程,要把研究的兴奋点从“教师如何教”调整到“学生如何学”上，让师生共同经历一场“立德树人”的智慧之旅，旅程的终点是让学生能够积极、充分、灵活地运用所学知识去理解世界、解决问题、学以致用，并且获得人格的健全和精神的成长，最终成为新时代的社会主义建设者和接班人。目前考试评价的导向也在倒逼我们的教学方式和学生的学习方式必须做出重大调整和变革，近几年中高考物理试题的评价导向就是在引领我们的课堂教学从“知识传递”走向“思维培养”的真正转型。如果我们的教育目标在于教会每一位学生思维，那么学生只需要掌握最基础的知识、最基本的原理和方法就足够了。只有会思维的学生才能够举一反三，能够运用课本知识解决生活实践中的问题，并且还会有所创新，有所发明。因此，从教给学生知识转变为教会学生思维，才是减轻学生学习负担的标本兼治之策[1]。因此，“学生自主创新实验”也就成为信息时代学生学习方式变革的必然选择，也是教师进行深度实践教学的最佳选择，“学生自主创新实验”就是把人类历史认识成果（人类已有经验）转化为学生的主动学习活动，转化为学生的精神力量和发展能量，让学习真正触及学生的心灵，教会学生思维，提高学生终身发展的能力。目前笔者进行“学生自主创新实验”这一物理课改的实践与探索主要从以下三个层面入手：激趣质疑——思维启迪培养学生创新能力;合作探究——智慧复演经历知识习得过程；项目研究——高阶思维课题式研究性学习。
一、激趣质疑——思维启迪培养学生创新能力
《意见》中指出，切实增强实验教学的趣味性和吸引力，提高实验教学质量和效果。那么，应该如何增强实验教学的趣味性和吸引力呢？思维始于问题，从某种意义上讲，完整的思维过程就是发现问题、提出问题并解决问题的过程，也就是说，思维本身就是一个不断提问、不断解答、不断追问、不断明朗的过程。目前我们以“灌输知识”为主的应试训练模式，让学生几乎无法提出有价值的问题。对于初中阶段学生进行“自主创新实验”就是从思维的起点（发现并提出问题）入手，在动手操作中出现的实验现象会让学生产生认知冲突，因为学生总是带着一定的“前概念”进行新的学习，这对学生学习科学概念产生严重的影响。让学生通过“自主创新实验”有趣感知，启迪思维，就是为了促成科学概念的转化，是对学生进行思维培训的起步，通过思维启迪培养学生创新能力。
例如：在“密度”一节课学习时，学生利用身边简易的器材自主设计的两个创新实验，可操作性很强也非常有新意，并且充满浪漫的色彩，对学生的“视觉”非常具有冲击力。通过奇妙的现象让学生陶醉其中，也就激发了进一步探究的欲望，另外为后面学习“浮力”做了很好的铺垫。这个非常有思维度的小实验完全可以作为课堂上的情境源，从我们日常课堂反馈的效果来看，非常理想，也具有很好的推广价值。
【案例1】梦幻星球
实验准备：酒精、水、食用油、注射器、色素、烧杯（图1）
图1
实验操作：
方案一：首先将食用油用色素染成紫色、蓝色和粉红色；向烧杯中倒入酒精，用注射器将三种不同颜色的油滴入烧杯中，发现三种颜色的油滴沉在底部；用注射器向烧杯底部添加入水，发现油滴浮到了酒精和水的中央。
方案二：首先向烧杯中加水，然后用注射器向烧杯中慢慢倒入少许酒精，最后用注射器向烧杯中滴入三种颜色的食用油，会发现油滴浮在酒精和水的中央（图2）。
图2
【案例2】自制彩虹杯
实验准备：洗洁剂、糖水、水、食用油、白酒、注射器、塑料瓶、水彩笔（或色素）
实验操作：
1.首先将洗洁精染成绿色，糖水染成淡蓝色，水染成红色，白酒染成蓝紫色；
2.把糖水、洗洁精、水、食用油、白酒依次慢慢倒入塑料瓶中。
3.静止后，观察色彩斑斓的“彩虹杯”（图3）。
图3
实验感悟：现代的教学观就是要把学生的创新能力培养放在首位，教师既是学生的长者、引路人，又是朋友。教师的主要作用是教学的设计者、组织者和帮助者及品德的示范者。我们应该清醒地认识到：只有让教学方式走出灌输、训练、死记硬背、“题海战术”，走向合作探究与学科实践，才可能有深度学习，而深度学习的前提是深度教学。搞深度学习一定会和一些不和谐的现实有冲突。进行深度学习就是要做一些和现实常态不一样的东西，敢于对现实说：不！因为深度学习就是把我们的教学从黑白走向彩色，发生质的改变。
“梦幻星球”和“自制彩虹杯”这两个自主创新实验，可以促成学生对于密度的概念的正确理解，尤其在彩虹杯的制作过程中，由于物质的种类增多，要求实验操作的技巧越来越高，让学生的动手能力得到了进一步提升与锻炼。“梦幻星球”和“自制彩虹杯”这一系列创新实验的设计，为思维的持续发展是非常有益的，也是后面“浮力”学习的基础版。
二、合作探究——智慧复演经历知识习得过程
《意见》中指出，在实验教学中要遵循学科特点，积极推动学生开展研究型、任务型、项目化、问题式、合作式学习。目前很多课堂依然是传统课堂教学模式，在学习目标上，强调知识的传授，忽视素养的培养；在教学方式上，强化教师的作用，“满堂灌，满堂问，满堂练”充斥课堂，无视学生学习的真实问题，无视学生之间的差异，习惯整体同步推进教学；在学习方式上，强调接受学习、死记硬背、机械训练，课堂教学缺乏思维对话。教学关系依然是“一桶水与一杯水”。课堂教学是创生精彩生成、分享个人智慧、合作探究实践的过程，必须摒弃“教材中心”和“教师中心”的旧思路，最终走向学习本位的教学。初中物理教材中有很多经典的教师演示实验和学生分组实验，也是学生进行“学着做”的很好范本。另外，学生进行“学着做”需要的素材来源有很多渠道，除了教材中的实验，也可以来自网络，来自教师、同伴、家长的智慧分享。其实在我们的物理课本中有很多科学探究实验，科学探究是学生参与式的学习活动。在科学探究过程中，要经历“提出问题、猜想与假设、制定计划与设计实验、进行实验与搜集数据、分析与论证、评估、交流与合作”等环节，无论是基于知识与经验的合理猜想，还是实验方案的优化设计，以及实验过程中的合作，最后的评估交流，学生都会存在一定的“认知冲突”，这恰恰是发展学生思维的良好契机，通过师生之间，生生之间的质疑批判，思维碰撞，要鼓励学生积极动手、动脑，通过自主的探究活动，学习物理概念和规律，体验到学科学的乐趣，了解科学方法，获取科学知识，逐步树立科学创新精神。
为了真正引导学生进行有效的合作探究，教师首先要创设基于现实生活中真实的情境（或者小实验），引导学生提出有思维度的优质问题，进行科学的猜想与假设，这样非常符合学生的认知规律。由于学习的课时所限，课堂中不可能在每次探究活动中各个要素都面面俱到，为此，教师要引导学生按照实验原理、实验方法将实验的设计进行简单陈述，实验步骤具体化，可操作强，其中的实验表格设计和图像的绘画要规范科学严谨，具体探究类实验内容侧重某些探究要素，通过设计一系列的探究活动，使所有要素对应的探究能力都得到培养。这样不仅有利于在有限的课堂时间内完成科学探究任务，而且能使所侧重的探究过程更加深入、具体，这有利于提高学生的科学探究能力。在“分析论证”环节要引导学生对于实验的数据做出科学的分析与归纳，从而得出正确的结论或者规律。最后的“交流评估”环节主要引导学生针对实验存在的困难以及操作出现的问题，要给出具体评估交流的内容（例如：对比课本给出方案，评估你的优化改进方案等等）。
【案例3】探究哪根蜡烛先熄灭
生活情境：如果居住的楼房不小心发生了火灾，逃生时要用湿毛巾捂住口鼻在地面上爬行更安全（图4），你知道这是为什么吗？
图4
设计思路：用一支短蜡烛模拟人爬行，另一支高蜡烛模拟人站立，玻璃罩模拟楼道空间（图5）。
图5
实验准备：蜡烛、水盆、透明玻璃杯、点火器等
实验操作：
1.用两只长短不同粗细一样的蜡烛，同时用两个相同的杯子罩住蜡烛（图6）.
图6
改进版：用同一个杯子罩住粗细一样、长短不同的蜡烛（图7）。
图7
实验现象：长的蜡烛先熄灭（图8）。
图8
2.拓展实验①：两根长短一样、粗细不同的蜡烛（图9）。
图9
实验现象：粗的蜡烛先熄灭（图10）。
图10
3.拓展实验②：两根粗细、长短一样的蜡烛、杯子不同（图11）。
图11
实验现象：杯子容积小的蜡烛先熄灭（图12）。
图12
分析与论证：蜡烛燃烧会消耗空气中的氧气，当蜡烛将杯子里的氧气消耗完以后，蜡烛就熄灭了。蜡烛在燃烧过程中释放出的二氧化碳，又被加热后上升，于是最上面的蜡烛先熄灭。在拓展实验探究“哪根蜡烛先熄灭”中，最终的实验结论要涉及多种因素，例如要考虑罩蜡烛容器的高度、横截面积、形状、温度等因素；还要考虑蜡烛：蜡烛的横截面积、火焰大小、长短和长度之比等因素。
实验感悟：在初三物理启蒙学习之初，引领孩子们初步探究“哪根蜡烛先熄灭”的过程中，再次体会到：知识怎么来的就让孩子们怎么学，把学科专家、专业人员探究实践的方式转化为孩子的学习方式，让孩子经历知识的产生过程（智慧复演），让孩子像专家一样去思考去进行科学探究，孩子们分别探究了蜡烛的长短、横截面积以及容器的大小对实验结论的影响。其实研究此实验的手段很多也很丰富，可以作为一个研究性学习的课题进行研究，引领孩子们学会交流与合作，一起探索奇妙的物理世界。
三、项目研究——高阶思维课题式研究性学习
《意见》中指出，鼓励学校向学生开放实验室,方便学生利用课余时间，以独立或小组合作方式开展实验探究，广泛利用校外资源积极开展科学实验活动。目前学生课后作业负担过重是一个非常棘手的问题，即使我们的物理这门以实验为主的自然科学，学生在课后也往往泡在“题海”里，长此以往学生越来越感悟到物理学习的困难，进而产生畏难厌学的情绪。为此，课后把传统的巩固性习题类作业模式改变为实验“创新研究性学习”的方式，或者引领学生进行“课题式研究性学习”，让学生基于真实生活情境解决实际问题而学习，这属于发展学生高阶思维的层面。引领学生进行“课题式研究性学习”属于发展学生高阶思维的层面。谈到“课题式研究性学习”至今有人认为应该更适合成人化的大学生或者研究生学习，不适合中小学生。其实如果没有一个没有课题意识的人，即使他是大学生，研究生，仍有可能不能适应课题式学习的方法。相反，对于一个有课题意愿的学生而言，即使他身处小学或中学，也同样可以做一个出色的、像模像样的“课题研究人员”。为此，在学生的知识储备和能力提升达到一定的高度，可以引领学生进行这类“课题式研究性学习”[2]。
“课题式研究性学习”主题的确立是研究性学习活动的灵魂，“正确选题”是研究性学习成功的一半。没有主题，活动就会失去方向，活动的内容就会零散，缺乏内在的联系，就不利于学生完整知识、能力、情感结构的形成。“课题式研究性学习”的主题不是预设的，而是要看学生关心什么，对什么感兴趣。只有感兴趣的事，学生才会乐此不疲地去学、去读、去探究。因而在教学中，教师要密切关注学生的需求和期待，善于捕捉研究性学习的主题，引导学生主动发现具有探究价值的课题。具体来说，可以从以下两个方面进行选题：一是课题要从教材中来，在教学中，教师首先要有捕捉确立研究性学习课题的意识，要以教材为依托，拓展课堂教学空间，引导学生确立探究的主题。不管是课前的问题质疑，课中面红耳赤的争论，还是课后意犹未尽的回味反思，其间都不乏思维火花的突闪，智慧的灵动，而这些也正是教师引导学生确立研究课题的最佳契机；二是课题要从学生的生活中来，生活就是一本教科书，里面有许多的学问等待着我们去研究、去探索。教师要鼓励学生做生活的有心人，大自然中一些有趣的现象，日常生活中一些感兴趣的事物，身边议论的一些热点话题等，都可以作为“课题式研究性学习”的主题。
下面就以“负压的利用”这一案例为例，来阐述一下“课题式研究性学习”在具体实施的过程中如何按照以下几个具体环节进行操作：
【案例4】负压的利用
环节1：策划活动、确定主题。在主题确定阶段，教师的指导作用主要体现在根据学生已有的生活经验，引导学生主动发现自己感兴趣的问题，确定活动的组织形式，通过讨论、交流确定活动主题。例如，罐头食品通常是在加热时将罐头密封，因此都存在一定的负压。开启罐头时听到“嗤”的一声，这是空气进入罐内，而不是气体从罐内跑出（罐装啤酒和罐装汽水则不同，由于二氧化碳溶入液体饮料，罐内的气体压强大于大气压）。有一些用塑料袋密封包装的食品，俗称“真空包装”，实际上是负压包装。灯泡、电视机的显像管都是处在一定程度的负压状态。不小心打破灯泡时，碎玻片不是向外飞出，而是被大气压入灯泡里面。负压的利用非常普遍，人们常常使某部分空间出现负压状态，便能利用无处不在的大气压替我们效力。人们呼吸时，当肺处于扩张状态时出现负压，在肺的内外形成了压强差新鲜空气就被压入肺内[2]。
环节2：选题策划、制定方案。教师根据活动策划的初衷和主题思路，引导学生从不同视角生成适合他们进行探究活动的课题，形成小组或个体的活动方案。例如，在环节1中通过引导让学生体会负压的利用非常普遍之后，教师再进一步进行引导：在地球表面被大气层包围着，因而地球表面空间到处有大气压强存在。桌面上、桌面下，箱子里、箱子外，人体内、人体外都存在压强，而且对每一个表面来说，两面压强是平衡的，因此你感觉不到大气压的存在。一旦将某一方面的压强撤去的话，你便会看到大气压这位“大力士”的威力。这样学生就可以根据老师的引导选题策划、制定方案。
环节3：自主探究、创新实验。这一环节主要是学生以个体或小组为单位组织学生开展综合实践活动，主要形式有实地考察、专题访谈、搜索资料、分析材料、观看录像、实践操作等，其中一个主要的活动场所就是家庭，学生在家里可以利用身边的简易器材自主设计实验，动手操作。
环节4：展示交流、科学评价。学生以各种方式展示、交流活动成果，教师组织进行科学评价。以下是学生展示的一个有趣的实验——大气压强将易拉罐压瘪。在易拉罐上缠上铝丝并固定，并且将铝丝拧成柄状。往易拉罐里倒入少量的水，置于铁架台上（图13），用酒精灯加热至易拉罐中的水沸腾，可以看到在易拉罐口冒出大量的白雾，待白雾逐渐减少，迅速用戴手套的手拿住手柄，倒扣在冷水中。“砰”的一声巨响，易拉罐被压瘪了（图14），现象令人非常震撼！教师对于学生对于学生的展示交流给予客观公正地评价，同时一定要强调实验操作的安全性。
图13
图14
环节5：反思改进、拓展延伸：学生对自己在实践活动中的表现进行总结、反思，撰写活动总结。教师组织进行多元评价，通过创设活动情景、布置课外作业等形式将学生的认知活动引向深入。例如，教师在环节4中学生展示交流并作出评价之后，可以引导学生课后继续进行如下的拓展实验：如果缩短加热时间，重复上面的实验，请你猜想并观察易拉罐变瘪的程度，并尝试说出其中的科学道理。
教师继续引导:通常我们把容器内气体的压强小于标准大气压的状态称为负压状态。将密封容器抽成完全真空就是大气压下负压的最大值（人们还无法做到抽成完全真空）。当然如果外界压强超过1个标准大气压，那么容器受到的负压还可以增大。请同学们课后查阅利用负压工作的其他器具的工作过程。
总之，“学生自主创新实验”这一全新教学模式，按照“思维启迪，有趣感知——思维（独立）碰撞，兴趣激发——思维迁移，志趣升华——思维提升，智慧生成”的思维培训流程，符合学生的认知规律，让学生走向物理的“真学习”，让物理课堂成为学生思维发展的乐园，已经深得广大一线教师的赞同和认可，成为了目前物理教学的最优途径，这既是一种课堂教学模式，也是学生参与的深度学习方式[3]。可是目前由于长期以来受“唯分数论”的错误导向，很多老师已经习惯了“刷题”这一看似“立竿见（阴）影”的教学“捷径”，这些虚假学习、浅层学习的现象已经严重制约了学生思维的发展。在这个呼唤创新人才辈出的时代，“刷题”模式已经一去不复返了，这几年各省市中考物理试题的“与时俱进”就是在倒逼我们的学习方式和教学方式作出重大变革，必须引领学生进行“体验式学习”，学生进行自主创新实验就是目前物理教学的最优途径，一线教师要做真教育，学生要进行真探究，学生过重的学习负担这一难题才能得以解决。
（此文为烟台市教育科学“十三五”规划2019年度专项课题“基于学科核心素养优化初中物理课程结构的策略研究”阶段性研究成果。课题批准号：YJKCZX135063）
参考文献：
[1]郅庭瑾.为思维而教[M].北京：教育科学出版社，2007.
[2][3]潘书朋，汤金波.四论学生自主创新实验是物理教学的最优途径[J].实验教学与仪器，2019（9）8-12.
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