例談自制小實(shí)驗(yàn)在高中物理教學(xué)中的作用

曹文杰

（蘇州市第一中學(xué)，江蘇 蘇州 215006）

物理學(xué)是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的一門(mén)學(xué)科，倡導(dǎo)探究性學(xué)習(xí)是普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)的基本理念之一.實(shí)驗(yàn)教學(xué)能活躍課堂氛圍，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，啟迪和培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，引發(fā)學(xué)生產(chǎn)生探究知識(shí)的內(nèi)在動(dòng)力.運(yùn)用實(shí)驗(yàn)這一具體、形象的直觀教學(xué)手段，可幫助學(xué)生建構(gòu)物理概念，理解物理規(guī)律，掌握物理科學(xué)方法.在物理新課程教學(xué)實(shí)踐中筆者發(fā)現(xiàn)，教材中的很多實(shí)驗(yàn)都要用到一些特殊的器材，現(xiàn)實(shí)生活中不易找到，學(xué)生有距離感，因此筆者創(chuàng)設(shè)了一些貼近學(xué)生生活的自制小實(shí)驗(yàn)，引起了學(xué)生的共鳴，收到了良好的教學(xué)效果.

1 利用自制小實(shí)驗(yàn)來(lái)提高學(xué)生分析問(wèn)題的能力

在日常的物理教學(xué)中，如能從學(xué)生的“最近發(fā)展區(qū)”出發(fā)，設(shè)計(jì)一些取材容易、貼近學(xué)生生活實(shí)際的小實(shí)驗(yàn)，這不但體現(xiàn)了“從生活到物理，從物理到社會(huì)”這一新課程改革的理念，而且能有效提高學(xué)生分析問(wèn)題，解決實(shí)際問(wèn)題的能力.例如，筆者在講授牛頓運(yùn)動(dòng)定律的應(yīng)用，即超重、失重一課中，就通過(guò)自己設(shè)計(jì)的小實(shí)驗(yàn)來(lái)引入.

案例1.兩個(gè)完全相同的條形磁鐵，放在平板AB上，磁鐵的N、S極如圖1所示，開(kāi)始時(shí)平板及磁鐵皆處于水平位置，且靜止不動(dòng).

實(shí)驗(yàn)甲：將AB從原來(lái)位置突然垂直向下平移（平板與磁鐵之間始終接觸），并使之停在位置A′B′處，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩條形磁鐵吸在了一起.

實(shí)驗(yàn)乙：若將AB突然垂直向上平移（平板與磁鐵之間始終接觸），并使之停在A″B″，探究其結(jié)果.

問(wèn)：下列說(shuō)法正確的是

（A）開(kāi)始時(shí)兩磁鐵靜止不動(dòng)說(shuō)明磁鐵間的作用力是排斥力.

（B）開(kāi)始時(shí)兩磁鐵靜止不動(dòng)說(shuō)明磁鐵間的吸引力等于靜摩擦力.

（C）甲實(shí)驗(yàn)過(guò)程中磁鐵開(kāi)始滑動(dòng)時(shí)，平板正向下減速.

（D）乙實(shí)驗(yàn)過(guò)程中磁鐵開(kāi)始滑動(dòng)時(shí)，平板正向上減速.

如實(shí)驗(yàn)甲的操作，當(dāng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)兩條形磁鐵吸在一起時(shí)，開(kāi)始覺(jué)得很奇怪，待筆者把教材相關(guān)內(nèi)容講解完，再次實(shí)驗(yàn)演示后，學(xué)生就很容易理解了.原來(lái)這是由于平板由靜止到突然向下運(yùn)動(dòng)有一個(gè)向下加速的緣故，當(dāng)物體失重時(shí)，磁鐵與平板間的最大靜摩擦力減小，當(dāng)最大靜摩擦力小于磁鐵間的吸引力時(shí)，兩磁鐵就吸引在了一起.接著筆者讓學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)乙的結(jié)果.此時(shí)大多數(shù)學(xué)生回答磁鐵不會(huì)吸引，問(wèn)其原因，均回答此時(shí)物體超重，最大靜摩擦力會(huì)增大.筆者進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生驚奇地發(fā)現(xiàn)兩條形磁鐵吸在了一起.再請(qǐng)一位學(xué)生上臺(tái)重復(fù)演示，結(jié)果仍是相互吸引.這時(shí)學(xué)生的探究興趣一下子被引發(fā)起來(lái).隨之讓學(xué)生小組合作討論，慢慢學(xué)生就會(huì)理解，由運(yùn)動(dòng)到突然停止的過(guò)程也會(huì)產(chǎn)生失重.在此小實(shí)驗(yàn)的輔助下，選擇題也就迎刃而解了.最后，讓學(xué)生討論人站在體重計(jì)上下蹲時(shí)的稱(chēng)重結(jié)果，學(xué)生馬上就能回答出來(lái).可見(jiàn)，學(xué)生不但掌握了超重、失重產(chǎn)生的原因，而且能應(yīng)用這一原理來(lái)有效解決實(shí)際生活中的問(wèn)題.

圖1

2 利用自制小實(shí)驗(yàn)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

在課堂教學(xué)中，有些理論性較強(qiáng)的內(nèi)容，學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性并不高，但又怕漏聽(tīng)結(jié)論的導(dǎo)出過(guò)程，因此強(qiáng)制集中注意，很容易產(chǎn)生疲勞.這時(shí)如能有一些自制的小實(shí)驗(yàn)來(lái)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，則能活躍課堂氣氛，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性.2010年10月，中央教科院華國(guó)棟教授帶領(lǐng)“差異教學(xué)策略研究”課題專(zhuān)家組來(lái)本校調(diào)研時(shí)，筆者在上“法拉第電磁感應(yīng)定律”時(shí)利用二極管自制了一些小實(shí)驗(yàn)，取得了較好的教學(xué)效果.

案例2.法拉第電磁感應(yīng)的小實(shí)驗(yàn).該教學(xué)內(nèi)容教材中有如圖2的演示實(shí)驗(yàn)，但學(xué)生對(duì)電表示數(shù)的變化反應(yīng)并不太理解，加上不能親自進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，起不到激發(fā)探究興趣的效果.為此筆者指導(dǎo)平行班中的課外研究性學(xué)習(xí)小組，利用發(fā)光二極管自制了兩套小實(shí)驗(yàn)裝置（每套20個(gè)），在課上讓學(xué)生自己動(dòng)手操作，探究如何能使二極管發(fā)光，以讓學(xué)生通過(guò)自主學(xué)習(xí)來(lái)體驗(yàn)“探究影響感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小的因素”.

圖2

圖3

自制實(shí)驗(yàn)裝置1（如圖3）：將發(fā)光二極管焊接在小電動(dòng)機(jī)上，學(xué)生通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子使內(nèi)部線圈切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，當(dāng)電動(dòng)勢(shì)大到一定程度時(shí)就能使二極管發(fā)光（紅色發(fā)光二極管的壓降為2.0—2.2V，黃色發(fā)光二極管的壓降為1.8—2.0V，綠色發(fā)光二極管的壓降為3.0—3.2V）.

自制實(shí)驗(yàn)裝置2（如圖4）：將發(fā)光二極管焊接在電腦電源或者CPU風(fēng)扇上，學(xué)生通過(guò)吹氣使得風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)二極管發(fā)光.

這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置的器材生活中容易找到，其原理相同，都是通過(guò)線圈轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致磁通量變化產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，且變化越快，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)越大，二極管發(fā)光越亮.學(xué)生在自己實(shí)驗(yàn)操作的過(guò)程中，相互之間比較，總希望使得自己的二極管更亮，課堂氣氛活躍，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣很濃，通過(guò)引導(dǎo)和交流總結(jié)，在輕松、活躍的氣氛中突破了本節(jié)教學(xué)的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn).評(píng)價(jià)證實(shí)，學(xué)生不但對(duì)所學(xué)知識(shí)有了深刻的印象，而且對(duì)物理科學(xué)的研究方法及其在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用有了新的認(rèn)識(shí).

圖4

圖5

3 利用自制小實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證物理學(xué)規(guī)律

高中物理必修2課本在探究平拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律中，教材給出的是如圖5的實(shí)驗(yàn)裝置：通過(guò)小錘擊打彈性金屬片將A水平拋出，同時(shí)B球松開(kāi)，自由下落，觀察兩球是否同時(shí)落地，由此來(lái)判斷平拋運(yùn)動(dòng)的豎直方向是自由落體運(yùn)動(dòng).但這一實(shí)驗(yàn)在實(shí)際操作中現(xiàn)象并不明顯，因?yàn)槿绻∏虻粼谥v臺(tái)上，則因下落高度太低，學(xué)生很難觀察到結(jié)果，如果小球落到地面上，則學(xué)生只能靠聽(tīng)聲音來(lái)判斷，而且后排同學(xué)很難看清和聽(tīng)到.因此在課本中提供了“參考案例”，其中之一是利用數(shù)碼照相機(jī)或數(shù)碼攝像機(jī)記錄平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡.

案例3.數(shù)碼相機(jī)和頻閃儀的組合使用.為了讓學(xué)生深刻理解平拋運(yùn)動(dòng)的豎直分量是自由落體運(yùn)動(dòng)這一規(guī)律，筆者在授課時(shí)利用數(shù)碼相機(jī)和頻閃儀進(jìn)行了這一實(shí)驗(yàn)，并將數(shù)碼相機(jī)拍攝下來(lái)的圖像直接輸入計(jì)算機(jī)，學(xué)生直觀地感受到兩個(gè)小球任一時(shí)刻相對(duì)應(yīng)的豎直高度基本相同.學(xué)生不但加深對(duì)這一規(guī)律的認(rèn)識(shí)，并能激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力，在該實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生只要有一個(gè)高速頻閃儀，就能?chē)L試在家中進(jìn)行類(lèi)似的拍攝，并在處理和解決類(lèi)似問(wèn)題時(shí)能加以運(yùn)用.

案例4.數(shù)碼相機(jī)的另一妙用——觀察紅外線.在講到電磁波譜時(shí)，關(guān)于紅外線，學(xué)生因看不見(jiàn)，所以對(duì)其非常好奇.此時(shí)拿一遙控器對(duì)著相機(jī)鏡頭（或者是手機(jī)攝像頭），按下按鍵，在屏幕上就會(huì)看到亮點(diǎn)在閃爍，這是因?yàn)榻^大多數(shù)數(shù)碼相機(jī)的CCD對(duì)紅外光都有感應(yīng).通過(guò)這樣的小實(shí)驗(yàn)，能讓學(xué)生對(duì)生活現(xiàn)象和規(guī)律的理解更加深刻.

實(shí)踐證明，凡是有演示實(shí)驗(yàn)或?qū)W生小實(shí)驗(yàn)的課，學(xué)生知識(shí)都掌握得比較好.自制小實(shí)驗(yàn)因其貼近生活、新穎且針對(duì)性強(qiáng)而更易提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，會(huì)使教學(xué)收到事半功倍的效果.

1 教材編寫(xiě)組.物理必修2（第3版）.北京：人民教育出版社，2010.