PBL模式在物理實驗教學中的應用

邱清芽 劉堅輝 張曉璇 鄭衛峰

摘? ?要：將PBL教學模式應用于物理實驗教學，以探究安培力方向教學為例，針對傳統教材中實驗教學存在的不足，選用自制教具“旋轉的液體”進行基于PBL教學模式的物理實驗教學設計，以此更好地實現學生的探究式學習。

關鍵詞：PBL教學模式;自制教具;物理實驗;安培力

引言

《普通高中物理課程標準（2017年版）》中提到在物理學科核心素養的培養過程中，建議一線教師開展生動活潑的實驗課堂以及通過問題解決促進物理學科核心素養的達成[ 1 ]。因此以問題為導向進行實驗教學，有利于促進學生能力的培養和提升，實現實驗教學的有效進行，落實物理核心素養的培養。PBL教學模式（Problem Based Learning，基于問題的學習）是以學生為主體，讓學習過程處于復雜的、有意義的問題情境中，以小組的形式進行互相討論、交流，以此解決相關問題，培養學生自主學習、合作學習、問題解決能力的教學策略[ 2 ]。因此，本文以旋轉的液體探究安培力方向教學為例，將PBL教學模式應用到物理實驗教學中，更好地達到核心素養的教學目標。

1? 基于PBL教學模式的物理實驗教學基本環節

應用PBL教學模式將物理實驗教學分為創設情境、問題驅動、制定方案、合作探究和評價總結五個環節。構建基于PBL模式的物理實驗教學基本環節（如表1所示），分別指出各環節中教師與學生活動主線內容。

2? 實驗改進

現魯科版高中物理選擇性必修第二冊教材中第1章第1節的內容為“安培力及其應用”，安培力的方向是該部分中的一個主要內容。關于“安培力方向”的教學，教材中呈現的是以鋁箔“天橋”實驗來進行探究。但是，該部分是讓學生按部就班進行實驗操作，這樣的教學模式顯然不能實現學生個性化和創造力的發展。并且，在實際教學過程中發現，教材中鋁箔紙高度不夠，很難同時觀察到拱起和下凹現象，且實驗過程中如要改變電流方向，操作繁瑣，不易實現[ 3 ]。針對以上的問題，本文應用PBL模式，選用自制改進的教具“旋轉的液體”來進行實驗教學，以此更好促進學生的科學思維發展，提高科學探究能力。

3? 學生學情分析

學生學習本節內容前，已經學習并了解了電流周圍存在磁場，知道磁場對通電導體會產生作用力。并且在之前學習牛頓第二定律時已經進行過實驗探究，因此掌握了一些物理實驗研究方法，具備了實驗探究的能力。

4? 教學流程

以PBL教學模式為理論框架，以根據“旋轉的液體探究安培力方向”的實驗為教學內容，設計了本節課的教學流程（如圖1）。

5? 教學過程

5.1? 創設情境，激發探究欲望

首先，教師播放視頻《旋轉的液體》（如圖2）。學生通過觀看視頻，發現液體在通電之后發生旋轉，提出疑問：為什么沒有看到有外力的借助下，藍色溶液會旋轉？

設計意圖：通過液體旋轉的現象設置問題情境，使學生發生認知沖突，必定會吸引學生的注意，引起學生進行思考，提出猜想。

5.2? 問題驅動，促進深入探究

（1）深入剖析，建構概念

在學生進行猜想的基礎上，教師給學生展示“旋轉的液體”教具實物，帶領學生一起來探索液體旋轉的奧秘。讓學生觀察討論并思考該教具到底有什么神奇的力量讓溶液旋轉起來。在學生的思維集中之時，教師引導學生分析：教具由哪些材料構成，每個部分都有什么用途。在學生進行交流討論的基礎上，教師與學生一起進行分析并歸納到表格當中（如表2）。

學生了解制作原理之后，教師再告知學生教具是通過改進教材上某個實驗裝置得來的，給學生展示實驗裝置的相關資料（如圖3），以及給學生講解改進思路（如表3）。

通過學生對教具的由來和原理有了充分的認知之后，教師再次引導學生對“旋轉的液體”進行物理建模，試著分析其轉動的原因，將表2中的信息通過圖呈現出來（如圖4）。

學生在圖表中的事實證據基礎上進行分析就可以解釋藍色溶液為什么在通電之后會旋轉，歸納得出：磁場對硫酸銅溶液中產生的電流有力的作用。旋轉的方向就是力的方向。

教師順勢給出安培力的概念：磁場對通電導線產生的力稱為安培力。

設計意圖：引導學生剖析教具的構造，將獲取的證據整合到表格當中，并對情境現象進行模型建構，實現思維可視化，以此促進學生基于圖表中的事實證據分析、歸納得出總結。使學生經歷“觀察—分析論證—總結歸納”的思維活動，為本節課合作探究環節打下基礎。讓學生了解教師改進教具的思路，能夠培養學生發現問題，解決問題的能力，并且在溶液改進部分，不僅做到跨學科教學，而且提高學生環保意識。

（2）明確探究問題

學生建構安培力概念之后，教師更加深入地提問：液體旋轉的方向能否改變？怎么改變？

設計意圖：學生了解了教具的原理后能對影響因素進行合理猜想。再以問題為驅動，激發學生進行探究驗證猜想的欲望。

5.3? 點評反思，完善方案

將班級成員分為若干個小組，每個小組分配好如圖5所示的實驗器材。

由于該教具進行實驗時，可能因為各種原因使得實驗現象不明顯或者沒有現象，因此教師需要引導學生預設相關問題的解決方案。這也是設計實驗方案的重要一個環節。

因為磁場在本次實驗中也是其中一個重要因素，而在之前的實驗中學生沒有涉及到對磁場問題的解決方法，因此教師給學生提出解決建議，提供相關資料：可用phyphox軟件測試磁場，使用方法為打開手機phyphox軟件，選定列表當中的“磁力計”，將手機放在需要測量磁場的地方，再按開始鍵便可以測量磁場，如圖6所示。

小組成員進行溝通交流，根據具備的知識和能力，再借助提供的相關資料，自主選擇制定方案時所需解決的問題，并列表格當中。以表4為例。

每個小組根據問題解決方案制定初步的實驗方案，并對選擇的實驗器材進行組裝。完成實驗方案設計之后，每個小組派個代表對本組的實驗方案進行展示。這時教師作為參與者，與其他小組成員進行互相點評，對實驗方案存在的問題做出修改，完善方案。

設計意圖：學生已經掌握教具的制作原理并且制作過程易于操作，因此在組裝實驗器材的環節中也加上制作教具的內容，以此幫助學生回憶起教具中所蘊含的物理知識。由于學生的知識有限，對于一些目前還無法進行解決的問題，教師提出應用軟件phyphox的解決建議和解決思路，學生不僅可以獲得解決磁場問題的方法，還能夠學到解決問題的思維方式，并且感受到信息技術的進步。

5.4? 合作探究，得出結論

學生根據完善的實驗方案進行實驗，每個小組合理分工，進行實驗操作，觀察假設的影響因素與安培力方向的改變情況，將結果記錄于表格當中（如表5），再根據表中的實驗證據進行分析，最后得出實驗結論：安培力方向與磁場方向、電流方向有關。

5.5? 經驗總結，促進遷移

小組間進行成果展示，討論交流實驗總結，并提出在實驗過程中發現的問題，例如：實驗過程中進行通電，石墨和鋁質易拉罐薄片處在硫酸銅溶液中的部分會有黑斑生成。通過與教師和學生探討分析，最終得以解決問題，知道黑斑是硫酸銅溶液通電進行電解反應生成的銅。

教師根據學生的實驗報告以及實驗過程中的表現進行評價，并進行教學反思。

設計意圖：通過讓學生交流實驗總結以此幫助學生將本堂課的經驗總結遷移到其他的實驗探究中，提高進行第二課堂活動的可實現性。

結語

本文以PBL教學模式為指導，選用自制教具來進行“探究安培力方向”的教學，將傳統實驗教學中的驗證性實驗改成探究式實驗，激起學生進行科學探究的內驅力，幫助學生深刻理解掌握物理概念和物理規律。

參考文獻：

[1] 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（實驗）[S].北京：人民教育出版社，2004.

[2] 劉儒德.用“基于問題學習”模式改革本科生教學的一項行動研究[J].高等師范教育研究， 2002（3）： 49-54.

[3] 顏少芬，付麗萍.基于科學思維能力培養的高中物理教學設計——以“安培力的方向”教學片斷為例[J].物理教師，2019，40（5）：6-9.

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