中學物理演示實驗資源的開發與應用研究

(南京師范大學教師教育學院,江蘇 南京 210097)

1 引言

演示實驗是以教師為主導者的示范實驗,其目的在于引導學生觀察,使學生對物理現象有清晰的了解,這是教師講解物理概念和規律的基礎,是培養學生物理學科核心素養的重要手段，[1]演示實驗資源的有效開發與合理利用應成為物理教師深入思考的問題。在科技日益發達的現代社會,一些包含物理教育價值的科普節目和講座為物理教師開發實驗資源提供了新思路，從中開發物理演示實驗資源,不僅可以讓物理教師獲得靈感,提升教師的專業素養和實踐能力,還可以豐富教學內容,提高課堂教學效果。

2 從科普節目和講座中開發物理演示實驗資源的路徑

科普節目、講座中提供的實驗素材豐富多樣,如何有效地將其用到課堂實驗教學中?教師可以將借鑒到的創意與教學實際相結合,根據教學目標、學生特點、教學重難點、器材要求等因素合理開發實驗資源,具體來講有下面幾種路徑。

2.1 以教學目標為導向

教學目標是預期的學生學習成果,是教學的出發點，也是教學的最終歸宿。[2]課堂上開展的實驗教學活動應當緊緊圍繞教學目標,這就意味著教師需要以教學目標為導向開發實驗資源。

《普通高中物理課程標準(2017年版)》對選擇性必修3中“液體”的教學提出的要求為：觀察液體的表面張力現象,了解表面張力產生的原因,知道毛細現象,并且給出生活中與表面張力相關的實例。[3]中央電視臺《是真的嗎》20170617期節目中介紹了“裝滿水的杯子倒置后放入牙簽也不會漏水”實驗：在裝滿水的杯子的杯口處覆蓋一層紗網并用橡皮筋固定,把一塊塑料板罩在杯口然后將杯子倒置,緩慢撤去塑料板,水不會漏出來。若向杯中戳入牙簽,牙簽上浮且水也不會漏出。這個實驗利用牙簽不會讓水漏出，巧妙地展示了水的表面張力現象,如果將其應用到“液體”教學中可以把抽象的概念形象化,使學生在觀察的基礎上理解表面張力概念,符合本節的教學目標。

2.2 以學生學情為依據

課程改革倡導課堂教學要充分發揮學生的主體作用,打造“以生為本”的課堂，要求教師對學生的學情有一定的了解,因此教師在開發實驗資源、組織教學活動時需要以學生學情為依據,這樣教學才能真正做到有的放矢。

2.2.1 激發學生的學習興趣

生動形象的演示實驗會給學生強烈的感官刺激,進而激發他們濃厚的學習興趣。初二學生在學習“聲音”這一章時,課本中介紹了敲鼓彈起小紙片的實驗,證明了聲音是由物體的振動產生的,并且振幅越大,響度越大。對于現在的中學生而言,上述的實驗已經無法有效激發起他們的興趣。筆者在一次科普講座中接觸到了更富有創意性的趣味實驗：將一個塑料筒的一端封上一層橡皮膜,并在橡皮膜的中央粘上一個小平面鏡(如圖1)。拿一只激光筆斜射在平面鏡上使反射光斑呈現在墻壁上,當人對著圓筒的空心端發聲時,可以看到墻壁上的光斑變幻出不同形狀的圖案,并且隨著聲音響度變大,圖案上的振幅也在變大。再如,利用家中洗衣機上的排水管可以探究音調與頻率的關系：手拿排水管一端，另一只手在水管某處將其甩動,可以聽到空氣振動發出的聲音,并且甩動的轉速越快,音調越高。

圖1

高中生在學習“光的偏振”時教師可以引入“穿墻而過的小球”實驗,取一根透明有機玻璃管，在其左右兩半部分分別貼上偏振方向相互垂直的偏振薄膜，在管外會看到管中部有一不透光的“墻”，把一只小球放入管內，可以觀察到小球可以毫無阻礙從一端運動到另一端(如圖2)。在“光的偏振”的教學中，教師可以將其作為課堂引入實驗,以此激發學生的好奇心和求知欲，為接下來的學習奠定基礎。

圖2

2.2.2 關注學生的思維活動

由于初中生還處于形象思維為主的階段,“大氣壓強”對于他們來說是一個極為抽象的概念,對于大氣壓強到底有多大更是難以把握,這就要求教師在開展教學時應當利用具體可感的手段來輔助學生認識大氣壓。

《是真的嗎》20170107期節目中展示了一個視覺效果非常震撼的高腳杯提重物實驗,具體實驗過程是：將紙巾逐一鋪在玻璃板上并用水打濕,連續操作，直至將5張紙巾全部鋪上,再拿一張紙巾揉成小球放入酒精中潤濕,取出后放在鋪好的紙巾上。用打火機將紙團點燃,并用高腳杯罩在紙團上方稍作停頓,然后緊壓在紙上。提起高腳杯的同時玻璃板也被吸了起來。將總重為5kg的10瓶礦泉水置于玻璃板兩側,最終高腳杯也能將其穩穩提住。這是因為酒精燃燒排出、加熱杯中的空氣,待杯的溫度降低后導致高腳杯的內外產生了氣壓差,因此大氣壓就將重物托了起來。如果教師能夠在講解大氣壓概念時，將該實驗與教材中的馬德堡半球實驗相結合,給學生提供視覺上巨大沖擊的同時也能幫助學生加深對大氣壓的感性認識。圖3是筆者完成該實驗時拍攝的照片,與節目中有所區別的是筆者選用的燃燒物是酒精棉球,材料易得且操作方便，由于實驗器材有所不同，筆者最終用高腳杯提起了總質量約為3.3kg的6瓶550ml的礦泉水。實驗中要注意的是將高腳杯倒置在燃燒的酒精棉球上方時,停留的時間不宜過長,否則空氣又會回到杯中。高腳杯蓋在濕紙巾上時一定要用力按壓并稍作停留,讓濕紙巾充分起到密封效果,避免漏氣。

圖3

2.3 以教學重難點為突破對象

教學重難點的確定是教師在備課中必不可少的環節,針對教學中的重難點展開的實驗教學活動會讓課堂教學事半功倍。因此教師在開發實驗資源時需要以教學重難點為關注對象,讓實驗教學有效服務于重難點的突破。

初中物理“浮力”這一節中浮力產生的原因是教學的難點,因此教師要有針對性地開展實驗教學活動，幫助學生了解浮力是如何產生的。《是真的嗎》20170812期節目中介紹了“兩個乒乓球放入水中會一沉一浮”的實驗,具體操作如下：將兩個乒乓球放在漏斗形的塑料瓶中,向瓶中加水后一球上浮,一球沉在瓶口處,旋緊瓶蓋后沉在瓶口的小球也上浮(如圖4)。不加瓶蓋時下面的小球底部的水從瓶口流了出去,因此其頂部的水將其壓在瓶口,而上面的小球頂部和底部都受到水的壓力,且存在壓力差,因此它能上浮。利用這個對比實驗巧妙地運用直觀的實驗現象,幫助學生理解浮力產生的原因。

圖4

2.4 以易得材料為首選

科普節目有時為了呈現震撼的實驗效果,選取的部分實驗器材是經過專門設計和加工的,而在實際教學中教師無法輕易獲得,這就要求教師在開發實驗教學資源時合理選取生活中的易得材料替代節目中的高精尖儀器。

《是真的嗎》20161224期節目中介紹了“鋼珠隔空擊倒塑料瓶”實驗,主持人將一顆小鋼珠放在中間被遮擋的軌道上,輕推鋼珠使其進入遮擋區域,然后鋼珠以較大的速度從遮擋區穿出并擊倒了軌道一端的塑料瓶。揭秘后發現遮擋區域放置了由幾個環形磁鐵組成的磁鐵組,中間插有鐵棍,鐵棍的另一端放有一顆鋼珠。當第一顆鋼珠被磁鐵吸引后能量得到補充,它又將能量傳遞給下一顆鋼珠,因此最后飛出去的鋼珠擁有較大的速度，可擊倒塑料瓶。節目中精心設計的實驗裝置在實際教學中難以實現,筆者將實驗簡化后進行了嘗試(如圖5)。圖5中的軌道選擇了用砂紙打磨過的鋁合金軌道,表面盡可能光滑以減小摩擦,磁鐵組的右端放置了四顆鋼珠,輕推左側鋼珠,最后可以觀察到最右邊的鋼珠飛出,并且能夠擊倒塑料瓶。這個實驗可以用于高中物理必修2“能量守恒定律與能源”這一節,由于能量這個概念比較抽象,學生很難正確理解,因此利用實驗來創造物理情境，啟發學生探究鋼珠加速的原因,同時也可以組織學生課后了解高斯加速器的原理,使學生通過理論聯系實際，對能量和能量守恒有更深入的理解。

圖5

浮沉子實驗是初中經典物理實驗,如何利用簡單材料推陳出新，展示物理實驗的奇妙?科普講座提供了一種新方案：在一個小塑料瓶中倒入少量有色液體,并在瓶口處密封一個透明塑料袋。將塑料瓶放入盛滿水的水瓶中,用力擠壓瓶子可以看到有色液體上升且塑料瓶下沉,松手后塑料瓶上浮(如圖6)。利用這個實驗可以形象反映出擠壓瓶子時塑料袋中氣體被壓縮,有色液體上升,從而便于學生理解浮沉子中浮力變化的原因。

圖6

3 結語

實驗資源的開發是探索有可能進入物理課程、可用于實驗教學所用的資源，實驗資源的利用是指將被開發出來的實驗資源的教學功能最大化。[4]教師從科普節目和科普講座中得到啟發，需要根據教學實際情況合理開發與應用演示實驗資源,以有效地培育學生的核心素養。