高中物理實驗教學的創新設計與實踐

杭州市富陽區新登中學(311404)

朱文武●

高中物理實驗教學的創新設計與實踐

杭州市富陽區新登中學(311404)

朱文武●

傳統物理實驗課堂大多是驗證性實驗，不利于學生創新能力的培養，因此教師需要設計一些探究實驗的問題，激發學生的興趣，能獨立探究發現問題并掌握解決問題的方法.

物理實驗；創新；設計；能力

創新是人類的希望，創新是一個名族進步的靈魂，是一個國家興亡發達的動力.而當下我國中小學學生的創新精神不足和實踐能力不強已經是個嚴重的問題，基礎教育改革正在著力解決這個問題.由于學生的創新精神和實踐能力的養成和發展需要學生在實踐活動中鍛煉和培養，科學探究能力表現在學生進行探究性學習中，而物理實驗作為學生學習物理知識的重要途徑，有其特殊的教學功能：既可以為學生提供學習的感性材料，驗證物理規律，又可以提供科學的思維方法，培養學生的創造性思維能力、創新精神和探究能力.下面結合我個人教學的經驗，談談學生創新能力的培養.

一、物理探究實驗教學的問題創新設計

愛因斯坦說過：“對真理的探索比占有更加寶貴”.傳統物理實驗課堂大多是驗證性實驗.驗證性實驗是對知識的正確與否加以驗證，鞏固和加深對基本規律和基本原理的認識.但是，對學生在學習物理的科學方法和科學態度方面不能得到鍛煉，也不利于培養學生主動探索物理規律的能力更加談不上創新能力的培養，因此教師需要設計一些探究實驗的問題，激發學生的興趣，獨立自主的通過探究發現問題并掌握解決問題的方法.

案例1 自感現象演示實驗教學

師：4.5V的電壓能使人觸電嗎？你能不能設計實驗加以驗證呢？

生：不能，因為低于36V安全電壓.用3節干電池串聯，直接接到兩手之間

學生上講臺連接好電路(如圖1)并當眾演示.問參與實驗的同學有沒有觸電感覺？學生表情自然的說沒有.

師：該同學做得很好.(適時表揚其勇于探究精神)如果在路端再并聯一個線圈呢？

生：還是不會觸電，因為電壓還是4.5V.

師：可以再通過實驗試試.請20位同學共同手拉手感受下(增大電阻，為了打消少部分同學的顧慮)

請一個同學按圖2方式連接好電路，電路上面為人與人串聯組成的回路將電鍵閉合，問參與實驗的同學有沒有觸電感覺？學生都說沒有.接著將電鍵斷開，他們都將手迅速甩開，同時啊的尖叫了起來(如圖3).

師：剛才發生了什么現象？

生：電鍵斷開的時候被電一下.

師：是誰產生的電，這是一種什么現象？

生：加了線圈后才有電擊感覺，應該是線圈產生的，電磁感應現象.

師：當線圈中電流改變時，產生的磁場發生變化，線圈中磁通量發生變化，不僅在鄰近電路中激發感應電動勢，同樣也在它本身激發出感應電動勢.這種現象叫自感.

師：當電鍵閉合，線圈中電流增大時，線圈自身是否有電磁感應現象？如何把現象呈現出來？

生：做出各種猜想……

師：根據前面已學知識，你知道當線圈電流增大時，線圈中會產生什么方向的電動勢呢？當電流減少小時，方向又如何呢？(引導學生畫出線圈草圖并進行理論分析)

I增大?B原增大?B感方向向左(根據楞次定律)?感應電動勢E感方向如圖?E感與I方向相反，阻礙I增大.(如圖4)

I減小?B原減小?B感方向向左(根據楞次定律)?感應電動勢E感方向如圖?E感與I方向相同，阻礙I減小.(如圖5)

師：感應電動勢對原電流的這種阻礙如何如何通過實驗顯示出來呢？

生1：接個電流表測量下線圈中電流，會由小變大；

生2：接個小燈泡；剛通電時小燈泡會先不發光然后再發光(延遲發光)

生3：…

師：用燈泡觀察很好.現給你下述儀器請設計出能驗證你判斷的具體電路：線圈、直流電源、小燈泡、滑動變阻器、電鍵、導線，請設計實驗電路來驗證你的猜想.

學生一開始畫出的電路圖如圖6，經過實驗，發現閉合電鍵后延時效果看不出；

師：為什么沒有觀察到燈泡的延遲現象？是否延遲通過一只燈泡是很難觀察出來.

生：再加一個沒有線圈的帶燈泡的支路進行對比.

師：請畫出新的設計電路.

學生設計出圖7所示電路.加入A2進行對比，實驗效果好了一些，但A2燈太亮，影響了對A1的觀察；進一步修改，加入滑動變阻器對A2(實驗時先閉合電鍵，將A2調到與A1一樣亮，再斷開電鍵)，閉合電鍵，A1延時效果明顯.圖8為課堂上學生設計的電路圖.師生共同進行理論分析.

此時教師出示示教板演示圖9(水到渠成).

為了讓學生更加直觀的觀察到線圈中電流的變化，教師取下燈泡A1,利用電流傳感器串聯在線圈電路中，得到電流隨時間變化關系的圖像(如圖10).指出電流由零增大到正常值是圖像是一段曲線.

師：在圖8電路中當電鍵切斷時，小燈泡將出現什么現象？

生：燈泡A1和A2延遲熄滅

理論分析：在圖8電路中當電鍵切斷時，由于線圈中的感應電動勢的存在，電流不會立即減小到零，即在電鍵切斷后，在“電感線圈—2只小燈泡—變阻器“構成的回路中要維持一段時間的電流，小燈泡還要發光一段時間.

實驗演示：并未觀察到所想看到的現象.

師：發生這種情況的原因是什么？

生：可能是初始電流相同，在持續時間內我們的感官沒感覺到.

此時，剛剛被“電擊”的一位同學，恍然大悟，他提出把剛才“電擊”人的電路中人的位置換成小燈泡.

教師演示斷電自感現象.結果小燈泡閃亮一下再熄滅.

理論分析：當電路達到穩定時，由于線圈的電阻比較小，流過線圈的電流比小燈泡的電流大得多，在電鍵切斷的一瞬間，線圈的電流在回路存在的前提下不能突變，流過小燈泡中的電流立即反向并增大，使小燈泡發出瞬間的強光.

師：如何直觀觀察到燈泡中電流的變化呢？

生：用傳感器串聯到燈泡的支路.

教師演示得到圖12圖像.教師引導學生共同分析得出通電自感和斷電自感產生的原因.

案例評析：教師通過設置適當的問題引導學生，學生通過自己對問題的思考產生了學習的需要從而探究出實驗的方案并進行實驗，可能會走一些彎路，但是經歷對知識探究的體驗過程，這也正是教學大綱所要求的，雖然花費了一定的時間，但是對學生的長期發展來說是值得的，比老師直接去做實驗驗證物理規律，學生更加容易掌握對物理規律的理解程度.

二、物理探究實驗教學的思路創新設計

實驗的過程是探索新知識，發現新問題的過程.思路是行動的先導，教師要充分調動主體的科學文化知識沉淀和教學過程及社會實踐經驗的積累引導和幫助學生擺脫和突破常規的思維定式的束縛，激發和促進各種創新設計思路的產生.

案例2 探究物體對水平桌面的彈力產生的原因

物體對桌面壓力很多學生都誤認為就是重力產生的，很難發現是由于物體底部發生上凹的形變后由于要恢復原狀，對桌面產生向下的壓力(即彈力).將書本放在桌面上，肉眼是很難觀察得到書本底部的形變，為了突破這個難點，教師就要引導學生對實驗進行創新設計，怎么樣讓這種形變顯現出來呢，學生很快就能說出可以在書本下面墊上海綿，觀察海綿底部，進一步啟發學生是不是可以直接用一個軟的物體來代替書本和海綿呢？什么物體比較軟密度也大，形狀改變明顯呢？啟發學生，我們可以將水倒入氣球里，然后將口子用線扎上，裝水的氣球提在空中，其下部明顯向下凸起(如圖13).當我們把水袋放在桌面上時，底部變平(如圖14).經過對實驗這樣的改造實驗效果非常理想，現象特別明顯.

書本上電燈對懸繩線也會產生彈力，這個電燈的形變不易觀察到，學生受到剛才的啟發，用懸繩提起裝水的氣球，同樣效果顯著.(見下圖)

學生在進行思考提出自己的方案時，無論合理與否，教師都應給以適當鼓勵和表揚，以激發學生在以后的課堂上，進一步開拓思維，積極創新.

三、物理探究實驗教學的非常規操作方法的創新設計

實驗操作方法對實驗現象的顯示及實驗結果的獲得有直接的影響，某些實驗，若用尋常方法只能得到尋常結果，而試驗中一些“前所未有”的“發現”及“意料之外”的“收獲”，往往是建立在非常規操作方法運用的基礎上的.因此，改進實驗的操作方法，往往可以收到意想不到的效果.

案例3 在《渦流、電磁阻尼和電磁驅動》一節關于渦流的課題引入教學

教法1.教師直接使用了電磁爐給鐵盆里的水加熱，學生觀察到水很快冒“氣”，然后介紹線圈中變化的電流在線圈附近的任何導體中會產生感應電流.給出渦流的概念.

教法2.教師先向學生提出電磁爐加熱的原理是什么，有學生會說是電磁爐內部通入電流發熱，然后經熱傳導，給物體加熱.教師不做評價，就這個思路下去，那要是放置一塊海綿，海綿會被融化嗎？教師操作(如圖15)，學生并未觀察到想要看到的現象.說明不是熱傳導現象.教師再換上裝水的鐵盆(如圖16)，水很快冒氣.學生發現只能給金屬鍋加熱.然后教師告訴學生，電磁爐不僅可以加熱還能“發電”，教師將串有燈泡的多匝線圈靠近電磁爐上方(如圖17)，燈泡發光.學生很好奇.引導學生得到上述過程實際上是電磁感應現象.電磁爐通入交流電，引起內部線圈產生變化的磁場，在燈泡的線圈中會產生電磁感應現象，同時在附近的任何導體中都能產生感應電流.

案例評析 教法1，實驗的功能并未完全開發出來，只是利用電磁爐引出了渦流的概念而已.教法2則通過一步步實驗操作的改變使得學生掌握了渦流現象產生的原因，且使得學生通過思考分析渦流原來是一種電磁感應現象，是在整塊金屬中產了電流，從而發熱.不僅引入了新課而且獲得了新知識.同樣的實驗操作不同，效果也不同.

四、物理探究實驗教學的遷移創新能力設計

高中物理的演示實驗的設計和演示都是教師完成的，其實中學階段的絕大部分實驗方法都是相通的，在進行實驗的教學時，完全可以引導學生將已經學習過的實驗思想方法、實驗方法和技術遷移到該實驗中來，從而培養學生的實驗方法、思路、技術設計創新能力.

案例4 在進行《探究加速度與力、質量關系》的關系實驗時，關于實驗的基本思路教學，可以引導學生回憶初中關于壓強與壓力和受力面積關系所采用的實驗方法，即控制變量法，從而得出實驗的思路，即(1)保持物體質量不變，測量物體在不同力作用下加速度，分析加速度與力的關系；(2)保持物體所受力相同，測量不同質量的物體在這個力作用下的加速度，分析加速度與質量的關系.

在課堂上教師一定要盡可能的避免一言堂，充分調動學生利用以往的學習經驗和方法主動去思考實驗的實驗的思路和設計.只有這樣才能真正使得學生的能力得到提升.

五、物理實驗教學中的課堂環境的創新設計

羅杰斯說過：“創造活動的一般條件是心理安全和心理自由，只有心理安全才能導致心理自由，也才能導致學習的創造性”.物理課堂必須營造寬松自由的學習氛圍物理課堂必須營造寬松、自由的學習環境,才能更有利于學生的學習.

很多情況表明,學生都不喜歡整天板著面孔的老師,課堂上教師對學生的期待通過微笑傳遞,學生就會在這種愛的感召下,受到鼓舞,從而親其師,信其道.教師要熱情地鼓勵學生善思多問,鼓勵學生發表與老師不同的見解,要鼓勵學生“別出心裁”,“標心立異”,鼓勵學生從不同角度思考問題,發現問題.愛因斯坦說過:提出一個問題,比解決一個問題更重要.正如陶行知先生說的:“只有民主,才能解放大多數人的創造力,而且使大多數人創造力發揮到最高峰”.學生在民主和諧氣氛中學習,心情舒暢,才能敢想、敢說、敢問、敢于創新、敢于創造.在探究課堂上教師要充分發揮學生的主體作用,才能把課堂氣氛激活,也才能點燃學生智慧的火花.

從課堂教學的各個角度對學生創新能力的培養進行研究與實踐，這是一個沒有止境的課題.學生需要具備終身發展的創新能力，這種能力是要通過中學階段課堂學習中得到鍛煉和培養.在今后的教學中，本人仍將一如既往的反思、總結、改革和創新.對實驗這一教學手段以及其他技術做更多的深入研究，以利于學生的創新和思維能力培養.

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