初中物理實驗現象可視化的課堂實踐

徐春玨

[摘???要]實驗是物理教學的重要內容，也是物理教學的重要手段。然而有的物理實驗效果不夠明顯，成功率低或學生對實驗現象有疑問。針對實驗效果不太理想的現象，有的教師開展了深入的分析研究，設法使實驗現象可視化，使物理知識變得形象、生動，進而提高實驗教學的效果。文章以蘇科版物理八年級上冊《聲音的傳播》《光的反射》和《速度》中的實驗為例，對實驗現象可視化進行分析探討。

[關鍵詞]初中物理;實驗;可視化

[中圖分類號]????G633.7????????[文獻標識碼]????A????????[文章編號]????1674-6058（2019）35-0052-03

“可視化”的意思是“能夠更加清晰地看到”[1]。一般來說，可視化教學是一種基于學生視覺系統的認知輔助手段，通過課堂教學，使學生進一步簡化和深化符合學生認知發展的學習內容，幫助學生學習新知識的一種教學方法[2]。隨著新課改的逐步實施，初中物理教師的教學方法也在不斷地完善和優化，尤其是在實驗教學過程中，教師通過創新或者改良原有的實驗方案，大大提高了實驗的成功率，增強了現象的可見度，顯著提升了學生的學習效率，調動了學生的學習積極性，從而使教學質量得到有效提升。本文主要圍繞蘇科版物理八年級上冊教材中聲音的傳播、光的反射和速度三個內容，在課堂教學中就實驗現象的可視化開展探究。

一、聲音傳播的可視化——用煙霧展示空氣的傳聲作用

八年級教材第一章《聲現象》中，第一節《聲音的傳播》，就聲音在固體、液體、氣體中是否可以傳播開展探究實驗。

【活動】探究聲音的傳播

1.將衣架懸掛在細繩的中央，當同伴用鉛筆輕輕敲擊衣架時，你能聽到聲音嗎？聲音是通過什么傳到你耳中的？

2.在水中搖動小鈴鐺，你能聽到聲音嗎？

3.將正在發聲的手機或音樂芯片懸掛在廣口瓶內，再抽出瓶內的空氣，聲音有何變化？

活動中，第一次實驗基于學生的前概念，可以輕松知道敲擊聲通過空氣傳入人耳，并體驗聲音在固體中傳播的結果。第二次實驗，鈴鐺的振動直接可見。第三次實驗，旨在展示聲音可以在空氣中傳播，并依賴于空氣和細繩等傳聲介質進行傳播。但實際上學生并沒有見到氣體物質，并且缺乏對照活動。如果能在實驗中展示部分空氣被抽出，空氣質量變小，同時聽到的聲音變弱，并增加對照組的實驗活動，可以使實驗更完善，且有效提升學生對氣體傳聲的理解和記憶。

受自制溫度計測溫時液體著色的啟發，又借鑒了生活中抽油煙機的作用，可在廣口瓶中充入煙霧，通過煙霧變淡顯示空氣的抽離過程。應注意在抽出廣口瓶內空氣后，重新將含煙空氣充入瓶中，讓學生經歷抽出空氣，傳聲效果減弱，充入空氣，傳聲效果增強的過程。這樣不但可以直接讓學生感知聲音可以在氣體中傳播，而且還能有效展示聲音的傳播過程對傳聲介質的依賴性，從而推理出“聲音不能在真空中傳播”的結論。

進一步思考后，還可以考慮在瓶塞處（瓶底部）和手機表層貼附磁體，利用異名磁極相互吸引（同名磁極相互排斥）的作用，進一步避免細繩振動傳聲，使得實驗過程更加純粹。

二、光的直線傳播、光的反射的可視化——用多種手法呈現光路

八年級教材第三章《光現象》，從光的直線傳播到光的反射，都沒有提出過呈現光路的策略建議，教材直到第四章《光的折射????透鏡》第一節《折射》中“初識光的折射”活動建議中，才提出“為了清楚地看到光在空氣和水中的傳播路徑，可在水面上方噴些煙霧，在水中滴幾滴牛奶”。

但對教師的課堂教學而言，從光線模型的建立之初，就需要向學生展示光的傳播路徑。如何在“光的直線傳播”“光的反射”中呈現光路，引入物理概念呢？通過長期的摸索與嘗試，筆者歸納了以下三種方法。

1.用好白板，改裝白板

白板是物理教師常用的呈現手段之一，借助于磁吸式分光器和激光筆，可以在白板上清晰呈現光沿直線傳播的路徑，看上去簡單直觀。

在“探究光的反射規律”的常規教學活動中，白板是教師熟悉的實驗器材，筆者認為可以對白板進行簡單改裝，幫助學生獲得更豐富完整的規律體驗?？紤]將呈現反射光路的白板沿圖1（b）中ON右側中間位置分割為兩個部分，將上下兩個部分分別沿ON向后翻折。在此過程中，學生可以在未翻折的白板上繼續觀察到光路，但在翻折部分光路消失。直接向學生展示，入射光線、反射光線和法線保持在同一平面內。

2.制造水霧，用好水霧

在最初建立光線模型的時候，如何幫助學生感受“光在均勻介質中沿直線傳播”至關重要，教師常用的方法是借助水霧讓窄光束呈現出實際的光路。

在“探究光的反射規律”的活動中，如果保留常規白板的使用方式，根據教材建議，只需要以圖2中的法線ON為軸，將硬紙板的B面向后旋轉，這時在B面上還能觀察到反射光嗎？由此可知：入射光線、反射光線和法線___________（在/不在）同一平面內。

但筆者認為，如果能在此時使用噴霧器，在反射光線所在位置噴灑水霧，使學生能觀察到反射光線始終保持與入射光線、法線在同一平面內，這是對原有實驗方案的良好補充與完善。

以上兩種情況下，為了顯示光路，大部分教師還是會采用分光器結合光屏的方法，?即讓光路呈現在一個平面上。?該方法的不足之處在于，分光器所投射出的光線并不是嚴格意義上的一條光線，而是一排擴散開的光束，如果在光的反射實驗中，真的用水霧再現反射光線，學生將會觀察到一排散開的光束，這樣的現象與所學習的知識不可避免地產生了認知沖突，甚至存在科學性錯誤，會對學生的認知產生干擾。同時，光線本身是一個三維空間上的事物，將其局限于二維光屏上，顯得不夠生動。

筆者受加濕器的啟發，嘗試用超聲波霧化器制作水霧，此裝置制造的水霧穩定，顯示光路效果明顯，在光的直線傳播、光的反射、折射、透鏡等幾何光學實驗中都可以產生很好的實驗效果。

3.使用煙餅，制造煙霧

如圖3所示，在空間內充入大量的煙霧，使用紅色激光筆垂直入射到平面鏡表面，顯示法線的位置。再使用綠色激光筆顯示入射光線和反射光線，并改變入射角的大小，入射光線的方向，幫助學生多角度感知光的反射過程。

此過程中的煙霧可以使用加濕器，也可以使用煙餅，效果都比較理想。

但如需對此過程中的入射角和反射角的大小關系進行探究，仍應在白板上描繪出光的傳播路徑，將入射光線和反射光線的路徑固定下來，進行入射角和反射角的測量記錄，用明明白白的現象進行比較，進而獲得光的反射規律。

三、速度的可視化——用手機拍攝頻閃照片

八年級教材第五章《物體的運動》第二節《速度》，有比較物體運動的快慢的實驗探究，大致如下：

【活動】比較紙錐下落的快慢

按圖4所示，剪兩個等大的圓紙片，其中一個圓紙片剪取的扇形的圓心角比另一個大，再分別將它們粘貼成兩個錐角不等的紙錐。

1.將兩個紙錐從同一高度同時釋放，哪一個紙錐下落得快？你是怎樣比較紙錐運動快慢的？

2.有沒有其他比較物體運動快慢的方法？

3.如果將兩個紙錐從不同的高度同時釋放，怎樣比較它們運動的快慢？

本活動中，前兩個項目的設計意圖十分明顯，旨在通過活動引導學生發現比較物體運動快慢的兩種方法：相同時間比較路程;相同路程比較時間。通過課堂教學，學生在合作完成活動項目后，都能比較順利地獲得兩種比較物體運動快慢的方法。但是，在進行第三個活動項目的時候，引導學生自發生成“單位時間”或“單位路程”的意識非常困難，在學習能力相對落后的學生群體中，這一情況表現更為明顯。具體表現為，學生可以運用公式進行速度數據計算，但不能準確表達速度值的物理意義。

為了解決這個問題，幫助學生理解速度大小的物理意義，筆者認為可以在前兩個項目的實驗中，拍攝紙錐下落的頻閃照片，將學生在活動中所見實驗現象固定下來。比如，將時間間隔設置為0.2s，分別拍攝前兩個項目的現場照片。教師依據照片向學生提問：這兩次實驗中，錐角不同的兩個紙錐下落的速度相同嗎？如果不相同，哪一次更快一些呢？你是怎樣比較它們運動的快慢的？

通過觀察頻閃照片如圖5，學生可以觀察到，兩組實驗中紙錐下落的路程和時間都不相同，但分割成0.2?s的時間間隔后就可以繼續用先前的方法“相同時間比路程”進行比較了。進一步引導，學生還能想到連續5次間隔的時間為1?s，產生“單位時間”的意識，為進一步建立速度大小的概念做好鋪墊。

在課堂教學中，用手機軟件就可以方便地拍攝頻閃照片。本文向大家介紹的其中一種，是2018年索尼推出的一款拍照應用程序——Motion?Shot（動態鏡頭）。它可以在課堂上隨時隨地拍攝頻閃照片。

將學生經歷過的探究過程的一部分影像固定下來，并針對圖像所展示的信息進行分析，幫助教師實現教學環節的自然過渡，還能促進學生對物理知識的理解。

綜上所述，在初中物理實驗教學過程中，實驗現象可視化確實是廣大教師正在思考的有待完善的問題。在課堂外不斷嘗試，在課堂上不斷實踐，廣大物理教師追求的是更加有效地激發學生的物理學習興趣，更好地提高學生的學習質量。

[???參???考???文???獻???]

[1]??徐苑苑.思維可視化的教學研究[J].中國信息技術教育，2013（5）：70-74.

[2]??葉新東.未來課堂環境下的可視化教學研究[D].上海華東師范大學，2014.

[3]??孟根巴根，杭雅倫.水平思維的可視化教學實踐與創新聽課模式研究[J].民族高等教育研究，2016（6）：90-92.

[4]??黃葛鴻.“幾何光學光路顯示儀”的制作及應用[J].實驗教學與儀器，2018（?Z1）：104-105.

（責任編輯 易志毅）