“高見度”實驗改進的靈感策略研究

蔣德明 黃建林

(1. 河北省張家口市第十九中學,河北 張家口 075000；2. 紹興市柯橋區蘭亭鎮中學,浙江 紹興 312041)

物理實驗特別是高見度創新實驗具有培養學生學習物理的興趣、利于培養學生的動手實踐能力、利于激發學生對物理的好奇心和求知欲等的作用.筆者通過調查、聽課等形式發現,現在物理課堂上好多教師還在用一些過時的、方法不可取、操作不便、可見度低、成功率不高的演示實驗.他們也知道這些實驗在課堂上教學的有效性很低,但又苦于找不到創新實驗的靈感,對此,筆者通過實踐,找到了幾種高見度實驗改進的靈感,供一線教師參考．

1 從實驗缺陷中找靈感

無論是科學概念的建立,還是科學規律的探索與驗證,都離不開實驗．實驗在物理教學上有著不可替代的作用,教科書上好多知識也都是通過實驗來進行建構和承載的,但書上有的實驗如晶體的熔化與凝固,水的沸騰實驗等,本身在方法上或設計上或操作上就存在著缺陷,使得學生很難得出正確的結論或基本的規律,甚至根本看不到我們所要的實驗現象．

案例1.晶體熔化與凝固實驗.

圖1 晶體熔化實驗

(1) 實驗存在的缺陷及導致的結果.

① 北師大版上的海波熔化實驗耗時較長,又由于海波熔點較低,而加熱時水浴溫度較高,導致熔化過程一閃而過,根本得不出晶體熔化時溫度保持不變的規律．同時,由于實驗采用冷水加熱,導致時間過長,嚴重影響教學進度．

② 有的版本如華師大版上的晶體熔化用的材料是用冰來代替海波的,用冰代替海波做這個實驗,雖然固液共存態比較明顯,而且熔化時溫度保持不變的規律也很容易得出,但這個實驗往往存在二個問題,一是因為冰是自然狀態下熔化,所以時間也很長;二是因為做這個實驗時往往是夏天,水凝固成冰這個實驗不成功．

(2) 實驗改進措施.

針對這個實驗可以從二方面來進行改進.第一種方法:加料法．針對水浴溫度高,而海波熔化過程一閃而過的現象,經分析,可以讓海波熔化過程慢下來,即在試管里放入更多的海波,約為大試管容積的1/3;計時間隔稍短一些,教材上采用的是30 s,建議每10-20 s,比如15 s讀數一次,并記錄海波熔化的情況,及固液變化的情況．熔化之后,教師一邊引導學生歸納總結海波熔化的特點,一邊讓海波慢慢冷卻,節省時間．第二種方法:控溫法．針對水浴加熱溫度升溫太快,可以用控溫法,把水浴的溫度控制在一定的范圍內,即當水浴溫度到達55℃時撤去下面的酒精燈,溫度下降到51℃時再繼續加熱．[1]

當教科書上的實驗存在缺陷時,包括操作性、安全性、成功性、可見度等某一方面導致實驗結論難得出或易失敗時,我們就要對實驗進行大膽改進.當然對于上面的實驗,如果能從方法上來改進的,盡量用方法上改進.這樣既可以保留原教材實驗,又能提高實驗的成功率,但當實驗缺陷太大,無法從方法上進行改進時,就要把整體進行改進.利用身邊的生活器材開發高見度實驗,來彌補教材中的實驗不足,提高實驗教學有效性．

2 從思維難點中找靈感

物理學科的素養中要求學生理性思維、批判質疑、勇于探究．而理性思維最直接的培養途徑就是通過實驗．但教科書上有幾個實驗設置太難,如覆杯實驗,有的甚至沒有實驗,如靜摩擦力和滑動摩擦力的大小比較等.這些實驗太過抽象,思維含量過高,使學生在學習的過程中感到焦慮,不利于學生思維習慣的形成和批判性思維的養成．

案例2.覆杯實驗.

(1) 思維難點和導致的結果.

教師在演示覆杯實驗,當把盛滿水并在杯子口放上一張紙板的杯子倒過來時,說是因為大氣壓的存在而使紙板沒有掉下來．但在學生的回答中,有好多人認為是水粘著下面的紙板,從而使紙板沒掉下來,要說是大氣壓壓著紙板,他們腦中怎么也轉不過彎．如果這時不及時糾正他們的錯誤前概念,不引發他們的認知沖突,導致的結果是以后碰到類似的情況還會說是因為水把紙板給吸住．并且在以后的課堂中,學生會推測教師需要的答案,而言不由衷,說出來的不是他們的真實想法．

圖2 覆杯實驗

(2) 實驗改進及措施.

弄一根玻璃管,上端用橡皮塞塞住,并在中間打個孔,裝個玻璃活塞,如圖2所示.當學生說下面的紙板是水吸住時,教師只要把上面的玻璃活塞撥掉,紙和水都掉下來了．

案例3.靜摩擦力和滑動摩擦力的關系.

(1) 思維難點和導致的結果.

在教師講到用力推桌子,推不動,再用幾次力后,終于推動了桌子,問學生前后的摩擦力分別是什么,哪個大?學生回答為前面的不動時為靜摩擦力,后面為滑動摩擦力,靜摩擦力小于滑動摩擦力．學生的理由是:不動時,我用力不大,所以摩擦力不大,而動時用力大,摩擦力大．教師告訴學生,是最大靜摩擦力大于滑動摩擦力．學生無奈接受教師的結論,但心理認為他們自己想的是正確的,因為生活經驗就是這樣的．教師這樣的結論會導致學生對結論半信半疑,而且對結論產生疑惑時,不用實驗去解決,以后慢慢會失去實證意識和實證精神．

(2) 實驗改進及措施.

用一個拉力傳感器,一個小木塊,一塊木板,一個鐵架臺,如圖3所示,把傳感器固定在鐵架臺上,然后用數據線聯接電腦,在電腦上調零．然后用手慢慢地拉著下面的木板從靜止開始向左運動．這時在電腦上就會自動繪制如圖3所示的圖形,分析圖形可知,滑動摩擦力小于最大靜摩擦力．

(a) (b)

碰到類似像覆杯實驗與靜摩擦和滑動摩擦這樣比較抽象且思維難度高的實驗時,就需要對實驗進行改進,積極開發一些成本低、探究性強的實驗．特別是碰到數據難采集或一般實驗難以勝任時,我們可以用DIS(現代實驗技術數字化信息系統),用傳感器等這些實驗化儀器為物理教學服務,使得實驗由定性變定量,提高實驗的可見度、可信度、可探度等．

3 從“平行”實驗中找靈感

所謂“平行”實驗,其實就是一般的探究性且有多個變量的實驗,如在探究壓力產生的作用效果跟什么因素有關的實驗,書上用的是通過用一個椅子正放時和倒放時的,以及加不加砝碼來進行比較的如圖4所示.有的參考書上是通過在一張白紙上放一塊磚,通過這塊磚的正放,倒放,側放來比較的．

圖4 壓力的作用效果實驗

案例4.影響壓力的作用效果實驗.

(1) 實驗問題和導致的結果.

用沙子做實驗,效果不明顯,而且一個砝碼比較不出沙子凹陷程度,即無法比較壓力大小對壓力的作用效果的影響,同理受力面積大小對壓力的作用效果的影響也不明顯．導致的結果是結論不正確或出現假探究,最后的結論抄書上的．

(2) 實驗改進及措施.

豎井掘進機的偏斜控制系統工作原理如圖3所示，包括測斜系統和糾偏系統。測斜系統由位移測量系統和姿態測量系統組成。位移測量系統包含井筒上部的激光發射器和掘進機上部的PSD光電位移傳感器平板，可以從光電傳感器平板讀取豎井掘進機軸線與井筒設計軸線的偏斜量；姿態測量系統包含2個高精度角度傳感器，可實時監測豎井掘進機主軸傾角。

圖5 壓力的作用效果改進實驗

可以改成如圖5所示的實驗,下面放一塊木板,在木板上訂了一些鐵釘(把鐵釘適當磨平一點),上面放一塊木板．這時,可以看到,有鐵釘那邊氣球明顯比上面木板的那邊形變厲害.這說明壓力的作用效果跟受力面積有關.在壓力一定時,受力面積越小,壓力的作用效果越明顯．保持面積不變,讓學生還是觀察下面跟鐵釘接觸的那氣球面,在上面壓一點力,可以明顯看到,形變更強了．這說明:受力面積一定時,壓力越大,壓力的作用效果越明顯．

當碰到好多平行實驗時,特別是需要很多儀器的那種實驗,我們可以把這些平行實驗整合起來,如像上面研究的影響壓力作用效果的實驗,還有像研究摩擦力實驗時,使得碎片化實驗成整體化實驗,不但可以減少儀器和材料,同時大大提高了實驗效果．當然在制作選材時,我們可以尋求低成本的生活器材,來自制教具,使實驗現象明顯且利于比較,提高教學效率．

4 從習題資源中找靈感

習題是為了鞏固學生學科知識,通過習題的練習加深對知識的理解,形成技能、技巧和思維的能力,同時提高學生應用學科知識,解決實際問題的能力．但好多習題過于抽象,初中學生形象思維能力比較強,而抽象思維能力相對較弱,為了降低習題的難度,我們可以通過分析習題,開發相應的創新實驗,來降低學生的思維難度,化抽象為形象．

案例5.重1 N的水可以產生的最大浮力為

(A) 一定小于1 N. (B) 一定大于1 N.

(C) 一定等于1 N. (D) 可以大于1 N.

(1) 習題的思維障礙和導致的結果.

這個題的思維障礙在于學生對排開和排掉兩個概念存在一定的混淆,在學生的前概念中,排掉和排開是同一概念,哪怕教師在演示浮力大小實驗時也無形中誤導學生這二個概念是一樣的．最終導致的結果,既然水是1 N,那么最多可以排掉的水就是1 N,所以產生的最大浮力想當然就是1 N,[2]很多學生的答案是選(C)的．

如圖6所示,找2個一次性塑料杯,在甲中倒入1 N的水,在乙杯中倒入大于1 N的水,如3 N左右并滴入幾滴紅墨水(便于區分是甲杯中的水還是乙杯中的水),然后把乙杯放入甲杯中,學生看到乙杯是漂浮在甲杯水中的.通過受力分析,可以知道1 N的水產生的浮力可以大于1 N,至于大到多少.這個可以拓展,讓學生說可以到多少.通過分析得出,如果甲和乙之間的間隙只有一層水膜時,這個值可以很大．還要進一步拓展,如果不用乙來做這個實驗,可以用什么來代替,學生討論發現,可以用一個可以漂浮的圓柱體,但這個圓柱體的直徑要小于甲杯的直徑,重量要大于1 N,也可以用一些直徑小于甲杯的一些小瓶子(如奶瓶)做這個實驗．

圖6 1 N產生多大的壓強實驗

案例6.摩擦力類型題.

圖7 摩擦力類型題

如圖7所示,在甲圖的A上和乙圖的B上都施加一個水平向右的一個拉力,使得他們水平向右做勻速直線運動,問A與B的摩擦力的有無及方向?

(1) 習題的思維障礙和導致的結果.

在A物體上用F的拉力和在B物體上用F的拉力,對于學生來說都差不多,他們認為都有摩擦,要么都認為沒有摩擦,即使認為有摩擦但不知道方向如何,因為這種題目是要通過受力分析才能分析出來,但對于剛學摩擦力的初中學生來說,沒有給他們搭建一個好的“腳手架”,思維出現障礙.像這樣的題目,即使教師講過,學生也是似懂非懂狀態,長此以往,會對這種題目感到困惑而失去信心,甚至對物理學科失去信心．

(2) 實驗改進措施.

如圖8用一把毛刷和一個本子(最好是封面粗糙一點的),把毛刷放在本子上(注:忽略毛刷因為自身重力使毛變形).當它放在本子上,讓學生回答這時毛刷跟本子之間有沒有摩擦力．學生馬上就能說出是沒有摩擦力的,因為他們知道根據毛的形變來判斷摩擦力的有無和方向．接著用手拉著本子水平向右做勻速直線

運動,學生根據毛的形變情況,得出沒有摩擦力．把刷子看作物體A,把本子看作物體B,通過建立一個抽象模型后就變成了圖．同理,在刷子上水平向右作用一個拉力(如圖9所示),讓學生判斷摩擦力的有無及大小,學生根據毛的形變及方向,馬上能得出結論．如果把刷子看成是一個物體,把本子看成是傳送帶,我們又可以研究傳送帶上的物體的摩擦力隨傳送帶的運動狀況變化的變化情況(注:做這個實驗時,那毛刷的毛最好長點、軟點,這樣實驗效果會更好)．

圖8 毛刷靜止在本子上

圖9 毛刷受到一個水平向右的拉力作用

我們可以通過習題,特別是學生難理解的、比較抽象的類型題時,可以開發創新實驗,給學生一個理解的“腳手架”,通過習題教學中引人科學實驗,化抽象為形象,化繁為簡,化難為易,使得實驗跟習題有效融合起來,用實驗來突破習題難點,[3]并用實驗特有的現象使結論更有說服力．在難題中應用創新實驗,使得本來枯燥的物理習題不再枯燥,相反,學生還特喜歡這樣的習題.在以后碰到這樣的習題時,他們會自己設計并制作創新實驗.通過習題創新實驗的制作,不但理解了習題蘊含的物理知識,還培養了學生的興趣和動手能力．

實驗是為教學服務的,在課上和課外,當學生學習有難度或錯誤前概念很難打破時,應積極地想盡一切辦法,改進一些實驗,也包括創新一些小實驗,用實驗強有力的視覺沖擊,引發學生的認知沖突.通過實驗,引導學生理性思維、積極探究、勇于質疑．當然在創新實驗時,適當地對教材的編排進行一定的重組,這也是我們值得思考的問題,真正做到用教材而不是教教材,為提高物理實驗教學有效性而努力．