試析巧用實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)化模型建構(gòu)

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(重慶市銅梁中學(xué)校)

物理學(xué)是一門建立在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的學(xué)科。物理學(xué)的研究方法通常是在觀察和實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)物理現(xiàn)象進(jìn)行分析、概括和總結(jié)，從而建立物理定律，形成物理理論，再回到實(shí)驗(yàn)中去接受檢驗(yàn)。在高中物理教學(xué)過程中，為了形象地展示物理概念、規(guī)律和定理的形成過程，幫助學(xué)生更加容易理解、掌握相關(guān)知識(shí)，巧用實(shí)驗(yàn)教學(xué)，簡(jiǎn)化模型建構(gòu)，可以降低學(xué)生的思維難度，解決一些較為復(fù)雜的物理問題。下面筆者結(jié)合平時(shí)的教學(xué)實(shí)踐，將探討如何利用實(shí)驗(yàn)來幫助學(xué)生簡(jiǎn)化建構(gòu)物理模型。

一、物理實(shí)驗(yàn)的界定

物理實(shí)驗(yàn)按照不同的分類方法和研究視角以及指標(biāo)體系可以分為不同的類型。本文主要介紹演示實(shí)驗(yàn)、探究實(shí)驗(yàn)、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)和生活化實(shí)驗(yàn)。演示實(shí)驗(yàn)是指教師利用課堂時(shí)間為學(xué)生演示，在操作的同時(shí)又引導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行觀察、思考和分析的一種實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式。探究實(shí)驗(yàn)是指在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生應(yīng)用已學(xué)知識(shí)，自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，或者在教師的指導(dǎo)下通過實(shí)驗(yàn)來探索物理規(guī)律，從而獲得新知識(shí)。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是指基于計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)、數(shù)學(xué)建模技術(shù)來測(cè)量或者建立數(shù)字模型，更加準(zhǔn)確地反映實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)變化的實(shí)驗(yàn)。例如，DIS Lab實(shí)驗(yàn)、VRML虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)、MATLAB計(jì)算機(jī)可視化實(shí)驗(yàn)、3D數(shù)字建模及打印類實(shí)驗(yàn)等。生活化實(shí)驗(yàn)是指將生活中的實(shí)際現(xiàn)象拿到課堂上作為實(shí)驗(yàn)展現(xiàn)，展示相關(guān)的物理知識(shí)。例如，“水流星研究圓周運(yùn)動(dòng)”。

二、物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)策略與實(shí)踐應(yīng)用

1.巧用演示實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)設(shè)情境沖突。興趣是學(xué)生最好的老師，在教學(xué)中如果創(chuàng)設(shè)較好的情境，并且具有較強(qiáng)的情境沖突，那么必將引起學(xué)生的興趣，極大的調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，提高課堂教學(xué)效率。例如，筆者曾設(shè)計(jì)了一個(gè)關(guān)于動(dòng)量守恒方面的演示實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)的情境是“在天黑路滑(冰面)時(shí)，前面一輛車突然熄火，后面的一輛車跟車距離很近，來不及剎車，此時(shí)將會(huì)發(fā)生什么事情呢？”學(xué)生異口同聲回答，“兩個(gè)車撞在一起了”。這時(shí)做一個(gè)演示實(shí)驗(yàn)：把一輛紅色和一輛藍(lán)色的小車放在光滑的導(dǎo)軌上，紅車靜止，給藍(lán)車一定速度去撞紅車(兩輛小車相撞端固定有磁鐵)。結(jié)果，出乎意料，藍(lán)車馬上停了下來，紅車卻運(yùn)動(dòng)了起來。學(xué)生會(huì)感到很神奇，注意力也將高度集中。實(shí)際上這是動(dòng)量守恒中的碰撞模型，“質(zhì)量相等，速度交換”的情形。通過這樣的創(chuàng)新演示實(shí)驗(yàn)，學(xué)生建構(gòu)模型更加容易，且記憶深刻。

2.巧用探究實(shí)驗(yàn)，降低思維轉(zhuǎn)換難度。高中物理不僅需要研究物理概念和物理規(guī)律，而且還需要將實(shí)際問題轉(zhuǎn)化為物理模型，在這個(gè)過程中，就需要從形象思維轉(zhuǎn)化為抽象思維。而這一過程對(duì)于一些同學(xué)來說比較困難，若在轉(zhuǎn)換思維的這一規(guī)程中，能夠引入實(shí)驗(yàn)，并且讓學(xué)生自己進(jìn)行探究，可以降低學(xué)生的思維轉(zhuǎn)換的難度。例如，2017年的全國(guó)課標(biāo)2卷第21題，若直接進(jìn)行理論講解，不少學(xué)生反映難度較大。若采用實(shí)驗(yàn)探究的方式進(jìn)行講解，學(xué)生理解起來更容易。

3.巧用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，簡(jiǎn)化建模過程。不少同學(xué)感覺高中物理學(xué)習(xí)起來困難，特別是對(duì)于高中的一些物理模型或者物理規(guī)律理解起來較為困難。例如，學(xué)生在學(xué)習(xí)電場(chǎng)部分時(shí)，對(duì)于電場(chǎng)線、等勢(shì)面等概念，對(duì)于等量異種電荷、等量同種電荷等電場(chǎng)的經(jīng)典模型學(xué)習(xí)困難。若在研究這部分內(nèi)容時(shí)引入3D動(dòng)畫模擬展示電場(chǎng)線的空間分布情況，可以大大降低學(xué)生建模的思維難度。用傳感器和計(jì)算機(jī)模擬安培力與電流大小或者導(dǎo)線長(zhǎng)度的線性關(guān)系，幫助學(xué)生加深理解公式、規(guī)律。

4.巧用生活化實(shí)驗(yàn)，提升核心素養(yǎng)。高中物理歷來重視從“生活走向物理”，很多生活中的物理實(shí)驗(yàn)不僅趣味性強(qiáng)，操作簡(jiǎn)易，而且效果明顯。例如，在研究圓周運(yùn)動(dòng)這部分內(nèi)容時(shí)，教師可以引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究活動(dòng)，可以利用細(xì)線、小球制作“圓錐擺模型”“繩模型”；利用彈簧、金屬棒、小球等制作“桿模型”等。學(xué)生通過這樣的生活化實(shí)驗(yàn)，對(duì)于圓周運(yùn)動(dòng)的各類物理模型以及其適用條件將會(huì)理解更加深刻。不但提高了學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手操作能力，并且還有利于學(xué)生的“科學(xué)思維”和“科學(xué)探究”等物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)與提升。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高中物理教學(xué)的重要組成部分，多次實(shí)踐表明，恰當(dāng)、適時(shí)的引入演示實(shí)驗(yàn)、探究實(shí)驗(yàn)，利用好現(xiàn)代教育技術(shù)手段，并整合傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、生活化實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而對(duì)一些教材上的實(shí)驗(yàn)或者物理問題進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，不僅可以幫助學(xué)生簡(jiǎn)化物理建模過程，更加深刻理解物理規(guī)律，而且還將大大降低學(xué)生的思維難度，提高課堂教學(xué)效率，并提升學(xué)生的物理核心素養(yǎng)。