意識 功能 方法—物理實驗在激發學生智慧中的作用

王超良

(浙江省義烏中學,浙江義烏 322000)

物理課對學生的抽象思維能力和形象思維能力的要求都比較高,學生在學習中普遍感到比較困難.而人教版的普通高中課程標準實驗教材中,教學內容多、對學生思維的要求高,學生在學習中的困難就更大了.因此,如何通過合理的演示實驗、學生實驗、隨堂小實驗和師生互動性實驗來增強物理教學的趣味性和直觀性,降低學生思維的坡度,是擺在我們面前的重要課題,也是進行有效教學、減輕學生學習負擔的有效途徑.

筆者在近幾年的高中物理課程改革實踐中,在有意識地進行探索與實踐的基礎上,體會到采用以下策略可以有效地增強物理教學的直觀性和課堂教學的有效性,切實提高學生的思維能力.

1 努力挖掘實驗的趣味性功能,適時引導學生思維的方向

中學生的形象思維比較成熟,而抽象思維能力較弱.美國著名教師哈里德?顏森有句經常引用的格言:“講給我聽,我將忘記……;演示給我看,我將記得;與我有關,我將要學;…….”這是對學生學習心理狀態的描述.盡管物理學與日常生活密切相關,但仍有許多學生在學習物理時,總感到枯燥無味,其根本原因就在于教師在授課中往往偏重于演繹推理,而輕視直觀教學的緣故.當然,在社會、學校強大的升學與就業雙重壓力下的教師,也不得不壓縮正常的教學進程,以勻出足夠的教學時間讓學生進行大量的、高難度的解題訓練,從而使得學生幾乎無法體會到物理學在日常生活中的用途,也感受不到物理學對其綜合素質的提高甚至可能對其今后的發展產生深刻的影響,因而對常見的物理現象熟視無睹,并逐漸失卻了學習物理的熱情,黯淡了學習的智慧.

教學實踐表明,學科本身并不能激起學生的學習興趣,為了充分調動學生學習的熱情,讓學生積極地參與到學習的過程中來,教師的想象力以及教師所傳授的內容和方法必須生動活潑,富有情趣.

圖1

例如,在進行“磁場對運動電荷的作用力”內容的教學時,通常的做法是用磁鐵靠近陰極射線管,讓學生看到陰極射線管中的電子流在磁場的作用下發生偏轉的情景中引出“洛倫茲力”的概念.這樣處理教材,從教學的角度來說,不會有什么困難,但從學生思維啟動的角度,從激發學生學習的積極性方面來看,卻不很合適的.為此,我們受電視機顯像管中偏轉磁場的啟發,把這個實驗改進成了如圖1所示的裝置(其中以半徑約為10 cm的鐵環為鐵芯,用直徑為0.5 mm的漆包線纏繞200圈左右制成“偏轉線圈”,其外層用不透明的塑料布包裹形成黑匣子元件.如果單從外表上看這只是個好玩的“圓環”).授課時,對實驗的操作方式也進行設計,把演示實驗改變成在教師引導下由幾個學生相互配合進行的表演性探究實驗:

(1)先讓學生觀察通過感應圈給陰極射線管加上高壓后陰極射線管中產生的電子流的運動情況.

(2)請幾個思維比較活躍、動手能力也較強的學生,手握串套于陰極射線管外面的“圓環(通電線圈)”,讓圓環沿不同方向運動時,看看會發生什么情況?

(3)在圓環運動過程中,為什么陰極射線管中電子流的運動方向有時候會發生偏轉,而有時候卻不會發生偏轉呢?

說明:有些學生會回答,是通電圓環產生的磁場對運動電荷的作用力使電子流的運動方向發生了偏轉.

(4)改變圓環中電流的方向,看看陰極射線管中電子流的運動情況是否發生變化?

(5)(教師在引導學生進行理性分析的基礎上肯定這種說法后,順便指出磁場對運動電荷的力,叫洛倫茲力)這個通電線圈所產生的磁場是怎樣分布的呢?請你用畫圖的方法來表示.

(6)你認為這個線圈是怎么繞制的呢?

(7)洛倫茲力的方向有規律可尋嗎?

用這樣的方法引導學生進行探究的過程中,頃刻間就引爆了學生們的好奇心,激發了學生們濃厚的學習興趣,學生們積極參與的熱情就像火山一樣迸發出來了,為整個教學內容的有效展開創設了良好的學習情境.

2 善于發揮實驗的量化功能,順利突破教學難點

課堂教學中,如果教師能設法使學生理解所學內容的認知要求、社會要求和情感要求,其學習效果將會大大提高.因此,教師要善于引導學生在完成學習任務的過程中不斷地提出與學習任務間存在某種必然聯系的一些假設,讓學生進行選擇和利用,使學生在解決問題的過程中,在思維的方式方法上漸入佳境,走向成熟.

許多物理規律的發現過程中,蘊含著豐富的科學思想和巧妙的設計方法.在物理教學中,按照物理知識發生、發展和變化的過程,把科學家運用科學思維和實驗的方法發現物理規律的過程有機、有意和適時地展示給學生,對提高學生思維的水平和處理具體問題的能力方面將產生非常積極的影響.愛因斯坦所說的“對真理的探索比占有更加寶貴”也就是這個意思.

例如,在“磁感應強度”的教學中,對“磁感應強度”概念的建立,歷來都是在定性敘述的過程中,得出的結論.這樣的處理,從教學的層面看,不僅學生感到茫然,教師也覺得很別扭.因為在定義電場強度的概念時,我們就經歷了這樣的尷尬.什么“……比值是一個定值”,這個比值真的是一個定值嗎?從教育的層面上看,科學家發現物理規律的過程中所經歷的艱辛、思維的漸變過程以及富有創造性的研究智慧都被人為地削去了,學生只是被動地接受知識,而無法達到在感悟科學家創造性的工作過程中也受到激發思維的目的,也就無法從中獲得有益的養分.這樣的教學,教育的功能被大大地削弱了,失去了應有的教育價值.

怎樣才能讓學生確信“……這個比值真的是一個定值”呢?為了充分體現這個教學環節所隱含的知識與技能、過程與方法、情感態度與價值觀這三維目標的教學價值,我們對實驗進行了改進,把較難定量研究的“磁感應強度 B”在引入力傳感器與電傳感器后用函數圖像的形式顯示出來.這樣處理,既增強了教師所傳授的知識的信度,也幫助學生提升了分析問題與解決問題的水平.

圖2

首先,我們采用一些橫店磁性集團生產的磁性很強的環形磁鐵,用兩面包裹鐵皮的方式制作成幾塊長寬均約15 cm、厚約1 cm的板形磁鐵.以長約20 cm、寬約 10 cm左右的塑料盒經處理后作骨架,用直徑約0.5 mm的銅線繞制成200圈左右的線圈.然后,用鐵架臺、力傳感器、電流傳感器、電源、滑線變阻器、導線和電鍵等器材組成如圖2所示的實驗裝置.

其次,在該教學片段的實施過程中,我們對實驗展開過程的基本程序也進行了設計:

(1)幫助學生認識到磁場是有強弱的.

①播放電磁鐵提升重物的視頻.

②演示磁鐵吸引鐵桶的實驗.

③演示豎直懸掛著的兩條長約2 m、彼此靠近的鋁箔,通電后產生相互作用的實驗.

④演示磁鐵對置于其旁邊的通電導線有力的作用的實驗.

(2)讓學生根據現有的知識經驗猜想:你認為磁場對置于其中的磁體的作用力跟哪些因素有關?

(3)磁場的強弱可以用什么物理量來描述?應該從何處入手進行研究呢?

在學生經歷積極主動地參與和認真思考的過程后,教師引導學生進行理性思維:

①首先應該想到,要研究磁場的強弱,就必須以我們已經熟悉的磁場的有關特點為抓手.

②磁場的強弱可以從“磁場對置于其中的磁體有力的作用”這個特點入手研究.那么,應該選什么物體為研究對象呢?

說明:讓學生進行思維發散,教師把學生提出的構想依次寫在黑板上.

③引導學生運用相應的物理知識對這些設想進行分析篩選后,確定選“電流元”為研究對象比較好(可控、便于操作).并讓學生思考:實驗中,“電流元”是不是可以隨意放置呢?為什么?

④應該選擇哪些實驗儀器?如何進行實驗?引導學生想到可以類比電場強度的研究方案,運用控制變量法,并采用上面的實驗裝置進行實驗,引導學生在通過力傳感器與電傳感器采集實驗數據,并從大屏幕上顯示出來的函數圖像上親眼看到F∝I、F∝L的結果,綜合分析后得出F∝IL,即是一個定值.

⑤你認為這個結論具有普遍性嗎?引導學生在磁場中的不同位置進行實驗探究,看看情況會怎樣?

⑥引導學生在綜合分析的基礎上形成研究結論.

⑦抓住典型問題,通過問題辨析、分析判斷,深化磁感應強度的概念.

應該注意的是,對物理教學實驗來說,重要的不是獲得某一項具體的結果,而是讓學生經歷體驗的過程,為了使學生通過實驗活動認識物理現象和規律,得到科學思維方法的訓練和研究能力的鍛煉.教學實踐表明,在實驗教學中有意識地營造一種探究性教學的氛圍,在師生共同參與的“亞研究”中,可以使學生更好地領會實驗的精髓,增強問題研究意識,提高實驗的素養,形成分析問題和處理實際問題的能力.

3 把握實驗的多樣化功能,激發學生學習的興趣

學生進入課堂時都帶著自己的生活經驗,也正是這些生活經驗引領著他們對世界與真理產生了特定的看法.因此,富有意義的課堂活動,應該在證實或轉變這些觀念的努力中,來支持或反駁學生的這些假設,幫助學生在頭腦中形成準確的概念和規律.而物理演示實驗可以為這種努力發揮出很好的作用.

物理教學中,演示實驗一般都是以復合刺激物的形式來呈現的.實驗中,客體的不同成份對學生的刺激作用也不盡相同,一些反映本質特征的現象不一定以強刺激的形式出現,而那些表現非本質特征的現象倒有可能給學生以較強的刺激,并影響著教學的效果.為此,我們可以根據教學內容的實際需要,精心編排實驗操作的流程,通過適當地調控各種成份的刺激量,有效地吸引學生的注意力,準確地把握事物的本質特征.

例如,在“機械能守恒定律”的教學中,我們可以通過以下方式引入課題,展開教學過程.

教師提出問題:我們已經學習了動能定理,知道了合外力做多少功物體的動能就改變多少.在重力勢能一節的學習中,我們又知道了物體重力勢能的改變量由重力所做的功來量度.那么,引起物體動能與勢能間轉化的原因是什么?它們在轉化過程中,是否遵循什么規律呢?

師:請同學們先來看看下面的實驗.

圖3

教師(實驗準備:將兩塊長約100 cm、高5 cm的木板一端用合頁制成兩板間的夾角 α可調的“V”形軌道.在“V”形軌道開口的一端墊上高約3 cm厚的木板.)先將兩板間的夾角α調小些,并把雙錐體水平地橫放在軌道中部(如圖3所示).松手后,雙錐體從高處向低處滾動.

師:這說明了什么問題?

生:雙錐體由于受重力作用,向低處滾動,重力勢能轉化為動能.這是一個平常不過的實驗.

師:將兩板間的夾角α逐漸調大(教師事先要作精心地準備).將雙錐體水平地橫放在軌道中部.松開手,看到雙錐體卻穩穩地靜止在軌道上不動了.

生:雙錐體為什么會靜止在軌道上呢?

師:將兩板間夾角繼續增大,把雙錐體水平橫放在軌道中部.松開手,雙錐體卻向高處滾動.

生:……

師:為什么雙錐體會從低處向高處滾呢?

生:(陷入了沉思)

師:只要大家認真進行思考,我相信你們一定能發現其中的奧妙.

學生分組討論情況摘錄:學生們通過再次仔細觀察,認真分析后發現,由于雙錐體軌道結構的特殊性,當雙錐體順著軌道從低處向高處滾動時,雙錐體的重心其實是降低的.弄清了雙錐體爬坡的原因后,解釋雙錐體靜止在斜面上的原因也就輕而易舉了.

師:雙錐體爬坡時其實是通過重力做正功將重力勢能轉化為動能的過程.

師:動能與勢能在相互轉化的過程中,是否遵循什么規律呢?

師:請同學們再仔細觀察研究下面的實驗,看看會有什么發現?

實驗集成塊呈現:(1)單擺實驗.①自由擺動;②用鐵條在某處檔住擺線后的擺動;③擺球貼著黑板的擺動.(2)彈簧振子在簡易氣墊導軌上的振動.①充氣條件下的振動;②不充氣情形下的振動.

說明:教師在引導學生通過實驗觀察初步認識到在只有重力和彈力做功的條件下,物體系機械能保持不變后,再引導學生用演繹的方法,如針對自由落體運動通過運用動能定理得到機械能守恒的條件,使學生思維的啟動與發生、發展的過程更合理,對知識的把握與深化也更理性、更全面,從而提高學生學習新知識的水平.

這種似乎與生活經驗“矛盾”的實驗結果對學生形成了一種強刺激,打破了學生原有的認知結構,從而把學生的學習興趣、學習熱情、智力和情感等方面的積極因素都迅速地調動起來了,使學生自覺自愿并積極地投入到新課題的學習中來,學習效果也就不言而語了.

4 抓住實驗的交互性功能,讓學生積極地參與到問題研究中來

新課改倡導自主、探究和合作學習的教學理念.自主學習強調培養學生學習中主動、獨立的學習能力,為學生自主發展和適應社會奠定基礎.探究學習強調培養學生探究未知世界的能力,為學生能夠創造出更多的新的思維產品奠定基礎.而合作學習則強調協作與分享的精神,為學生在社會性群體中的適應和發展作準備.這三種價值取向相互并行而又互為補充,缺一不可.

在教學過程中,我們首先要根據教學內容和學生的實際情況科學地設計好教學方案,努力選擇適合于學生實際情況的學習方式,有效地調控好學生的學習行為.其次,還可以通過先讓學習小組內各成員間的相互質疑,并通過采取或小組、或個人、或競賽、或強化,或辯論、或演示、或操作等豐富多彩的釋疑方式,達到合作達標的目的.

例如,人教版普通高中課程標準實驗教科書中引入了“探究功與物體速度變化的關系”的內容,其目的顯然是為了給學生增加探究體驗的機會,提高理論聯系實際的水平.但對教師來說,這是一節非常難以駕馭的內容,無論是教學設計,還是實驗準備,都有相當的難度.盡管探究的目的非常明確,無非是為了得出功與物體速度變化的關系,明確探究實驗的設計思路以及實驗數據的采集與處理.但為什么要設計一個這樣的實驗?通過探究活動,學生在思維的發散與聚合的層次上、在分析考慮問題的能力上、在對已有知識進行分析與綜合的水平上,將經歷一些怎樣的情感體驗?會有一些什么收獲?能夠達到什么層次?所有的這些,都是教師在教學設計中應該認真考慮和注意突破的問題.教師在教學中深感難以駕馭的就是如何引導學生進行積極地思考,在促使學生充分發揮好創造性思維的同時,把探究過程深入下去,并讓學生在親身經歷實驗探究的過程中獲得情感的體驗,產生能力層次的遞進.這樣的教學,才與新課改所倡導的探究發現、合作學習的理念相和諧.但要真正達到探究的目的,關鍵還在于要確保實驗的成功.這就需要教師積極開動腦筋,在刻意進行實驗開發的基礎上,積極引導學生圍繞探究的目標,以探究過程中所要測定的物理量為中心,通過對實驗方案的設計與選擇、實驗儀器的組裝、實驗數據的采集與分析的過程中,努力把學生的注意力吸引到分析解決問題上來,讓學生在經歷思考與討論的過程中,在實驗操作中獲得真切的體驗.

鑒于這樣的分析和考慮,我們擬定了下面的教學設計方案.

師:我們知道,物體由于運動而具有的能叫動能.同學們對動能有什么認識嗎?

生:…….

師:請同學們仔細觀看下面的錄像(這些視頻資料可上網查找下載,也可在電視節目中錄像得到).

播放視頻1:(激發起學生探究的欲望和熱情)自然界中能引起強烈震撼的體現動能能量的多媒體視頻音像小片段(如龍卷風、雪崩、熱帶風暴等).

播放視頻2:足球世界杯賽中,足球運動員射門的情景.

播放視頻3:奧運會射箭比賽中,拉開的弓把箭射出的情景.

提出問題:足球射門中,運動員射箭時,足球與箭都獲得了動能.據測算,足球射門時,速度最大可達到100 m/s左右,這些動能是從哪里來的?

教學活動情況說明:先讓學生回答后,教師再適當地進行點撥指導.

師:外力作功會引起物體動能的變化.功與物體動能的變化量間存在著什么關系呢?

生:……

師:我們知道,物體的動能與它的速度是密切相關的,而物體速度的變化又與它所受力的功有關.那么,功與物體速度的變化之間又存在著怎樣的關系呢?

生:……

師:探究功與物體速度變化的關系時可以采用什么方法?

說明:引導學生認識到要探究功與物體速度變化的關系,既可以從理論的層面用邏輯推導的方法進行研究,也可以通過實驗的方法進行探究.今天,我們通過實驗的方法來探究功與物體速度變化的關系.

師:我們應該采用什么實驗方案進行探究呢?請同學們先設計一個合理可行的實驗方案.

教學活動情況說明:先讓學生交流實驗方案(指定幾名學生在黑板上畫出,其余學生在草稿紙上畫).然后,教師選擇在巡回指導中搜集到的具有代表性的設計方案利用投影儀進行展示.

師:同學們提出了許多實驗方案,我們選擇什么方案比較好呢?請同學們認真想一想,利用實驗探究功與物體速度變化的關系時需要測量哪些物理量?

生:測量力對物體所做的功及力對物體做了這個功后物體運動的速度.

師:在實驗探究中,應如何對物體做功?怎樣表示每次做功的大小呢?

生:…….

討論情況摘要:(引導學生討論)既可以考慮用恒力做功,也可以用變力做功.若用恒力做功,例如用一砝碼盤牽引著小車做實驗,則可以用改變砝碼盤中砝碼的質量,通過測出物體發生的位移s,用 W=Fs表示功的大小(引導學生思考怎樣在實驗中測出功).當然,也可以選擇在斜面上或豎直方向上運動的情況進行探究.

引導學生思考:能否設計一個實驗來探究變力的功與物體速度變化的關系呢?

圖4

說明:引導學生回憶射箭運動員射箭的情景,若用小車代替箭、用橡皮筋代替弦,把車放在軌道上,我們是否能夠設計一個實驗來研究功與物體速度變化的關系呢?學生們經過認真地分析討論后得出可以考慮用教材中圖7.6-1所示的方法進行實驗(教師出示圖4所示的實驗器材,它由教材中圖7.6-1所示的實驗改進而成,因為直接采用教材中的實驗裝置很難進行實際操作),通過每次增加一根橡皮筋的方法來改變功的大小.

師:應該怎樣測量物體的速度呢?

討論情況摘要:(教師引導學生討論)學生很容易想到用打點計時器,也可以考慮用與氣墊導軌配套的光電門測量速度,或用紅外線傳感器直接測量物體的速度.

師:選用什么方法測量物體的速度比較好呢?

討論情況摘要:(教師引導學生通過討論選定采用的方案)采用哪種方法,各有什么優缺點?根據現有的實驗條件,選擇什么方案為好?

說明:運用各種不同方法測量小車的速度時,教師應引導學生通過各種途徑了解實驗原理和實驗過程,這不僅僅是為了動手實驗,更是不斷動腦、不斷解決問題的過程.這也是實驗的價值所在.

師:請同學們按照上面的討論,用實驗桌抽屜中的實驗器材把這個探究性實驗所需要的有關器材組裝起來(如圖4所示),按4人小組進行實驗,把有關數據記錄在實驗報告中自己所設計的表格上,并在對實驗數據進行分析綜合的基礎上得出功與物體速度變化的關系.教師進行巡回指導.

生:……

說明:學生實驗進行到一定程度后,教師要及時引導學生對實驗數據進行分析處理,在對學生畫出的 W-v圖像進行評析的基礎上,引導學生思考:能否運用 W-v2圖像進行分析,并用Excel軟件進行數據處理,通過電腦進行擬合得出力所做的功與物體速度變化間關系,使學生對實驗探究得出的結論印象更加清晰,更加深刻,也拓展了學生的視野.

5 突出實驗的情景化功能,觸發學生思維的靈感

物理實驗離不開理性思維的引導和支持,“以物明理,物理滲透”是物理學科非常鮮明的教學特色.因此,在物理教學中,我們要堅持物理實驗與思維同步并進使之交互感應的原則,使實驗觀察活動真正為思維活動提供豐富的感性素材,也使理性思維為實驗研究提供良好地導向作用,從而使課堂活動內容豐富,氣氛和諧,也富有情趣,將學生的思維水平推向更高的層次.

在“互感和自感”一節的教學中,在學習自感現象時,一般的處理方法是按書本上的兩種電路進行操作,抓住燈泡延遲發光的事實,引導學生在進行分析推理的過程中,形成結論.這樣的教學,思路順暢,結論也明確.但課后許多學生卻心存疑慮:為什么要選這兩種情況來做實驗呢?為什么一種電路只能演示一種自感(通電或斷電)現象呢?究其原因,就在于沒有把實驗觀察與思維活動有機地結合起來.因此,我們采用了“程序思維實驗法”展開教學,把實驗過程脈絡清楚的展示給學生.

(1)如圖5(a)所示的電路中,當閉合(或斷開)電鍵S時,線圈B中有無感應電動勢E感產生?方向如何?

(2)去掉線圈 B,如圖 5(b)所示,合上電鍵S時,線圈A中有無感應電動勢E感產生?先引導學生運用電磁感應知識進行推斷,而后串聯燈泡L1進行檢驗,結果觀察不到L1延遲發光的現象.是推斷有誤?還是觀察的方法不對?

圖5

(3)并接燈泡 L2(如圖5(c)所示)后,進行觀察,發現電鍵S閉合后L1的發光有明顯的延遲現象.抓住這個結果,順勢引導學生運用電磁感應知識追本溯源,展開探究活動.

(4)圖5(c)所示的電路中,當斷開電鍵S時,A中有無感應電動勢E感產生?請你認真思考一下:應該觀察到什么現象?

可是在演示中卻發現,電流減弱時,L1卻并無明顯的延遲現象.這是為什么?我們要緊緊抓住這個“異常”情況,引導學生在運用理論知識分析原因的基礎上,不斷地提出問題,并在改進后的電路中進行演示,讓學生體會到成功的喜悅.

(5)去掉L1,如圖 5(d)所示,使電路穩定時 I1＞I2.斷開電鍵S時,發現L2中出現瞬間的強光.

(6)L2發出強光,豈不與電磁感應理論相悖?引導學生進行理論分析后,再接上發光二極管后進行實驗,在對比觀察(如圖5(e)所示)中發現:電鍵S自合上至電路達到穩定狀態過程中,L1發出暗淡的紅光,而L2并不發光;斷開電鍵S的瞬時,L2發出強光.

這樣的教學,在以實驗為載體展開思維活動的過程中,也以問題為線索突出了理論對實驗的指導作用,既降低了思維的坡度,體現了物理教學“以物明理,物理滲透”的思想,也可以有效地幫助學生把感性認識上升為理性認識.

值得指出的是,盡管每個實驗都蘊含了它所特有的物理思想和科學方法,但實際教學中的效果如何,卻最終取決于教師的思維方式和科學素養.只有當教師對實驗所蘊含的物理思想、科學方法以及解決實際問題的技能、技巧有深刻的體會,對學生的心理活動特點和認識規律有充分地了解時,才能使實驗發揮出最大的效益.因此,在課堂教學中,教師要努力創造適宜的學習環境,切實關注學生的思考過程,努力幫助學生去思考一些比較復雜的問題,努力培養學生善于用聯系的觀點看問題的能力,設法使學生真正承擔起自己應有的學習責任. (收稿日期:2009-09-12)