立足實驗改進 培養(yǎng)科學(xué)思維

李育紅 石堯

摘?要：本文以比較不同物質(zhì)吸熱能力強弱實驗為例，探討如何在實驗教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生在實驗的過程中大膽質(zhì)疑，對實驗方案進行改進，并在真實的實驗情境中，解決出現(xiàn)的問題;探討如何引導(dǎo)學(xué)生在解決問題的過程中，通過查閱資料，實驗驗證等方式尋找證據(jù)，以支持自己的觀點.在整個實驗改進的教學(xué)過程中，注重師生間及生生間的合作交流，發(fā)揮好教師的主導(dǎo)作用，從而提升學(xué)生的探究能力及創(chuàng)新能力.為了解決實驗過程中出現(xiàn)的問題，提倡學(xué)生自制教具改進實驗器材，改進實驗方案，使實驗達到真實有效的效果，為物理概念的建立提供有價值的數(shù)據(jù)支持.

關(guān)鍵詞：實驗改進;科學(xué)思維;自制教具

文章編號：1008-4134（2019）18-0036中圖分類號：G633.7文獻標(biāo)識碼：B

實驗在整個物理教學(xué)過程中的作用不言而喻，但教材中所安排的部分實驗在教學(xué)實踐中卻存在著一定的問題，問題產(chǎn)生的原因有很多，如實驗器材過于陳舊，實驗設(shè)計存在紕漏等.如果教師只是一味地等待教材的改進，實驗器材的更新，那么教師在教學(xué)過程所起的主導(dǎo)作用將大打折扣.同時在實驗教學(xué)中，教師如果不能引導(dǎo)學(xué)生大膽質(zhì)疑，發(fā)現(xiàn)問題，并積極地解決問題，而只是注重知識的傳授，那么必將喪失培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的主陣地.接下來，我們以比較不同物質(zhì)吸熱能力的實驗為例，探討如何在實驗教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生敢于質(zhì)疑，查閱資料，改進實驗，從而輔助其科學(xué)思維的形成.

1?實驗設(shè)計方案的偏誤及改進

比較不同物質(zhì)吸熱情況的實驗是利用兩種規(guī)格相同的熱源對質(zhì)量相同的兩種物質(zhì)進行加熱，從而比較相同加熱時間下物質(zhì)的溫度變化情況，或升高相同溫度比較物質(zhì)的加熱時間，由此得到兩種不同物質(zhì)的吸熱能力強弱情況.大體而言，在教學(xué)過程中主要存在兩種實驗方案.

方案一：利用相同的電加熱器對水和油兩種物質(zhì)進行加熱的演示實驗.

方案一要求使用相同規(guī)格的電加熱器作為熱源，優(yōu)勢是熱源規(guī)格相對容易保持一致，缺點是實驗所用溫度計難于演示觀察（如圖1所示），即學(xué)生觀察溫度變化存在困難.針對這一問題，學(xué)生提出了溫度計的改進意見.如使用液柱較粗，顯示效果較好的溫度計進行演示.為此，我們選用了玻璃泡較大，液柱較粗的溫度計（如圖2所示），并將刻度標(biāo)記在刻度盤上，從而改進顯示效果，但又出現(xiàn)了新的問題，刻度盤框架較大，無法用電加熱器進行內(nèi)部加熱，只能用酒精燈進行外部加熱;也有同學(xué)提出直接采用電子數(shù)顯溫度計，將溫度數(shù)據(jù)直接顯示出來，改進后顯示效果更加直觀（如圖3所示）.

方案二：利用酒精燈對水和沙子兩種物質(zhì)進行加熱的學(xué)生分組實驗（如圖4所示）.

如果采用方案二進行學(xué)生分組實驗（如圖4所示），對熱源要求較高，實驗中要求兩個酒精燈必須規(guī)格相同.但我們顯然不能保證酒精燈規(guī)格的相同，因此該方案存在嚴(yán)重缺陷.在采用此方案進行實際操作時，學(xué)生提出了這一困惑，并針對該困惑提出了兩種改進方案，一是用同一酒精燈對兩種不同物質(zhì)加熱（如圖5所示），只要控制好平底試管擺放的位置，基本就能解決熱源規(guī)格必須相同的問題;二是在石棉網(wǎng)上做出標(biāo)記，然后對裝有不同物質(zhì)的試管逐一加熱（如圖6所示）.可見，改進后的方案使得熱源規(guī)格相同的問題得以解決，利用這個裝置可以進行學(xué)生分組實驗.

2?實驗方案改進后仍然存在問題

雖然此次經(jīng)過改進的實驗方案確實解決了一些實驗中出現(xiàn)的問題，但在實際操作過程中學(xué)生仍會發(fā)現(xiàn)一些不足之處.

2.1?熱源問題

在進行實驗時，學(xué)生會發(fā)現(xiàn)無論是采用相同規(guī)格的電加熱器加熱，還是改進后方案中利用酒精燈加熱，由于物質(zhì)受熱的不均勻，總會造成數(shù)據(jù)前后不一致的弊病.即在加熱初期的一段時間內(nèi)，水的溫度變化比油的溫度變化快，而一段時間后，油的溫度變化又快于水的溫度變化.而如果受熱物質(zhì)是水和沙子，利用酒精燈或電加熱器加熱，沙子由于無法快速均勻受熱，數(shù)據(jù)不一致的現(xiàn)象更為突顯.這無疑給學(xué)生帶來了困擾，對于后續(xù)比熱容概念的得出平添了障礙.

2.2?數(shù)據(jù)的顯示問題

本次實驗既然可以利用電子溫度傳感裝置直接顯示溫度示數(shù)的變化，因此，我們可以利用數(shù)據(jù)傳感方式將兩種物質(zhì)溫度隨時間的變化關(guān)系以圖像的形式直觀的顯示出來.

3?利用自制教具，改進實驗方案

針對以上方案中存在的問題，學(xué)生提出了自己的看法，并在教師的引導(dǎo)下自制了新的教具，對該實驗再次進行了改進.

3.1?熱源改進

考慮到實際生活中海灘的沙子比海水的溫度變化快這一實例，同學(xué)們提出是否可以采用輻射熱源來解決實驗數(shù)據(jù)不一致的問題.于是在教師的引導(dǎo)下，同學(xué)們查閱了輻射熱源的優(yōu)點，并找到了生活中的輻射熱源——美容燈.即在本次實驗中采用美容燈紅外熱源（如圖7所示），對相同質(zhì)量的水和油（或水和沙子）進行加熱（如圖8所示），由于輻射熱源效率較高，從實驗伊始，在相同的加熱時間內(nèi)油的溫度就出現(xiàn)顯著變化.

3.2?利用溫度傳感器采集數(shù)據(jù)

在本次器材改進中采用了溫度傳感器上傳物質(zhì)溫度變化的方式.使用溫度傳感器的優(yōu)點在于讀數(shù)方便，且便于數(shù)據(jù)采集，即顯示屏上的溫度顯示條可以非常直觀地顯示出兩種物質(zhì)溫度的變化示數(shù)，并借助于數(shù)據(jù)采集器，可以將整個過程中兩種物質(zhì)溫度隨加熱時間的變化直接以圖像的形式展示.如圖9所示，油的溫度通過1號溫度傳感器上傳至數(shù)據(jù)采集器，紅色線條顯示，水的溫度通過2號溫度傳感器上傳至數(shù)據(jù)采集器，藍色線條顯示.

通過數(shù)據(jù)采集器，我們可以直觀看到油溫度變化得快，如圖10所示.為了使水的溫度變化與油的相等，我們停止對油的加熱，而對水進行繼續(xù)加熱，圖像顯示，在此過程中油的溫度下降，水的溫度繼續(xù)上升，直至兩者溫度變化相同，如圖11所示.觀察整個圖像，不難看出，油有一段放熱過程，因此，質(zhì)量相同的水和油升高相同的溫度，水需要吸收更多的熱量.

4?思考與啟示

本次實驗的改進過程主要通過科學(xué)實踐活動提

升學(xué)生的科學(xué)思維，主要表現(xiàn)在以下幾方面.

4.1?通過實驗方案評估，提升問題解決能力

評估設(shè)計實驗方案是學(xué)生在課堂教學(xué)中能夠經(jīng)歷科學(xué)發(fā)現(xiàn)的第一步，在設(shè)計實驗方案的過程中，每一個器材的選取及使用都有一定的要求和局限，并無好壞之分，教師要做的是引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注每一個器材的使用，每一個環(huán)節(jié)的設(shè)計，通過已有的知識及經(jīng)驗，對實驗方案進行有效評估.

4.2?借助實驗數(shù)據(jù)分析，提升科學(xué)論證能力

實驗數(shù)據(jù)不是結(jié)果和規(guī)律，而需要經(jīng)歷充分的分析與論證從大量數(shù)據(jù)信息中歸納出事物的客觀規(guī)律，沒有經(jīng)過分析與論證的數(shù)據(jù)必然會失去它們的科學(xué)價值.因此，在本次實驗過程中強調(diào)學(xué)生依據(jù)實驗數(shù)據(jù)進行分析，實際實驗結(jié)果是否符合自己按照當(dāng)前假設(shè)所做的預(yù)測，看實驗所積累的證據(jù)是否足以讓自己接受或拒絕當(dāng)前的假設(shè).如果當(dāng)前假設(shè)被拒絕，則需要重新搜索假設(shè)空間，如果當(dāng)前實驗結(jié)果還沒有得到確定性的結(jié)論，那就要繼續(xù)設(shè)計實驗來進一步檢驗假設(shè).

4.3?引導(dǎo)學(xué)生改進方案，培養(yǎng)科學(xué)創(chuàng)新能力

每一次方案改進的過程都是實踐、思考和創(chuàng)新的過程.過程是很艱辛，但每一次進步，都是一次創(chuàng)新的體驗.這樣的過程對學(xué)生而言無疑是刺激而又富有挑戰(zhàn)性，堅持到最后的學(xué)生，無疑會獲得創(chuàng)新能力的極大提升.雖然學(xué)生并沒有創(chuàng)造什么新的產(chǎn)品，但是他們在動手動腦過程中，做到了對教材的彌補甚至超越，這種創(chuàng)新的體驗過程，是無法用教學(xué)目標(biāo)（知識獲取）來描述的 .

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