分析物理實驗異常現象促進學生深度學習

徐善勇 孫福如

摘 要：物理學是一門以實驗為基礎的學科，初中學生在物理實驗過程中出現異常現象司空見慣.充分利用這些異常現象，促進學生深度學習，是值得初中物理教師研究的一個重要課題.通過對異常現象的分析，可以使學生認識實驗條件對結論的影響、掌握辨識問題的思路與方法、提高實驗操作能力和分析能力、熟悉科學探究的程序和方法、加深對知識的理解.

關鍵詞：初中物理;學生實驗;異常現象;分析;深度學習

文章編號：1008-4134（2020）06-0007 ? ?中圖分類號：G633.7 ? ?文獻標識碼：B

物理學是一門以實驗為基礎的學科，初中學生在物理實驗中，由于種種原因，出現與預期不一致的異常現象是常見的.如實驗設計異常、操作過程異常以及實驗現象異常等等，這都是極好的動態生成、培養學生良好科學素養的教學資源.實驗中的異常現象有時具有積極意義，我們知道，物理學史上許多發現源于對“異常現象”的探索.物理異常實驗現象中孕育著創新，有利于學生求異思維和創新精神的形成.教師應引導學生分析產生異常現象的原因，提出并清晰表達自己的觀點，讓學生在真實的問題情境中進行探究，親身體驗科學的研究過程，把握科學的研究方法，這樣不僅能培養學生的問題意識，促進學生對物理知識的理解和深度學習，而且能有效培養學生的實驗探究能力，甚至提出新的、富有創造性的實驗思路.通過對實驗中異常現象的分析，可以從以下幾方面促進學生的深度學習.

1 讓學生認識實驗條件對實驗結論的影響

科學知識和結論都是有條件的，物理知識也不例外.加強實驗教學，讓學生動手實驗，尤其是讓學生親自體驗并分析實驗中的異常現象，有助于學生理解條件和結論之間的關系，能夠使學生在應用結論和知識時考慮到它們的條件和局限性，還能幫助學生理解一些重要實驗方法與原理，如控制變量法等.

案例1 在探究“滑動摩擦力大小與什么因素有關”的實驗時，同學們猜想：滑動摩擦力大小可能跟接觸面的面積有關.于是大多數小組利用滑塊平面和側面粗糙程度相同的木塊，用彈簧測力計沿水平方向拉著木塊做勻速直線運動，如圖1所示，分別測出平放與側放時的摩擦力，發現滑動摩擦力大小與接觸面面積大小無關.但有兩個小組利用粗糙程度相同、大小不同的兩塊木塊，分別用彈簧測力計沿水平方向拉著木塊做勻速直線運動，分別測出它們平放時的摩擦力.這兩小組發現小木塊受到的摩擦力小于大木塊受到的摩擦力.由于小木塊的接觸面積小，于是他們得出的結論是：滑動摩擦力大小與接觸面的面積有關，滑動摩擦力的大小隨接觸面面積的減小而減小.在交流時他們發現自己的結論與他人不同，這時教師引導他們分析，要求他們小組敘述實驗的經過，在敘述過程中他們發現了問題所在，沒有控制變量，即沒有控制壓力一定.使他們懂得實驗條件對結論的影響.再讓全班同學思考，如果用大小不同的兩塊木塊探究，怎么做呢？許多同學立即想到，只要兩塊木塊上下交換疊放就可以了.使同學們有“眾里尋他千百度，驀然回首，那人卻在燈火闌珊處”的感覺，正確的方法就很自然地存在于我們腦中.

案例2 在探究“影響液體蒸發快慢的因素”時，為了探究蒸發的快慢與液體表面空氣流動快慢的關系，將酒精滴在玻璃上，分別觀察在自然狀態下和增大空氣流動速度的情況下的蒸發快慢情況，有的同學為了增大空氣流動速度，采用的方法是用嘴吹，此時雖然得到的結論是正確的，但方法是錯誤的，因為用嘴吹氣改變了溫度，沒有控制溫度不變，這時教師必須及時指出，引起同學們注意.

2 能培養學生辨識問題的思路和方法

實驗中異常現象的發生涉及諸多因素，如實驗的儀器、原理、條件、操作過程以及注意事項等因素的影響.要辨識出主要問題并提出有針對性的解決方案，需要一定的思路與方法，培養這種思路與方法，對培養學生良好的科學素養有很重要的作用，也更好地完善了物理實驗這一寶貴的物理教學資源的功能.這種思路與方法需要在解決復雜問題的過程中逐步培養，對實驗異常現象的分析就是很好的契機.

案例3 蘇科版八年級物理下冊“浮力”一節中的“探究影響浮力大小的因素”實驗，教材中的圖（b），當圓柱體逐漸浸入水中時，彈簧測力計的示數逐漸減小，說明浮力在增大;教材中的圖（c），改變圓柱體浸沒在水中的深度，彈簧測力計的示數不變，說明此時浮力大小不變.學生誤認為這是在探究浮力大小與深度的關系，所以學生很容易得出“浸沒前，深度增加，浮力增大;浸沒后，深度增加，浮力不變”的結論.而浮力大小與“物體排開液體的體積”有關這一因素，在學生已有的認知里，是很難猜想到的，這時需要教師引導學生對問題進行辨識與分析，這里仍用實驗探究的方法突破這一難點.

將教材中的圓柱體改為長方體鋁塊，首先將長方體鋁塊豎直懸掛在彈簧測力計的下端，并逐漸浸入水中，到浸入一半長為止，讀出此時測力計的示數（如圖2所示）;然后將長方體鋁塊橫放懸掛在彈簧測力計的下端，并逐漸浸入水中，到浸入一半厚為止，讀出此時測力計的示數（如圖3所示）.學生發現兩次測力計的示數相同，說明鋁塊受到的浮力相同.但學生也發現兩次鋁塊浸入水中的深度不同，出現了認知沖突.借此引導學生深度思考：兩次有什么物理量相同呢？學生分析發現兩次鋁塊浸入水中的體積相同.接著教師指出：我們把“物體浸在液體中的體積”叫做“排開液體的體積”.再讓學生解釋物體浸入水中時深度增加浮力不變的原因.到這里就可以分析得到影響浮力大小的一個因素“物體排開液體的體積”，而“浮力大小與深度無關”.直觀的實驗現象使這一因素的得出水到渠成.為了幫助學生更好地理解這一“陌生”的因素，再用溢水杯和收集溢出水的小桶進行實驗，使結論再次得到驗證，學生確信無疑.

3 讓學生熟悉科學探究的程序和方法

教學中實施科學探究旨在改變學生的學習方式，讓學生在自主探究學習中建構知識結構，以學生熟悉的事物為突破口，以實驗為載體，引導學生了解探究活動的過程和方法.科學探究有相對固定的模式：觀察或研究現象—提出問題—猜想與假設—確定研究方案—實驗—反思與矯正.科學探究的方法多種多樣.實驗的異常現象就是學生進行探究的好資源，讓學生在充滿好奇的氛圍中經歷科學探究的過程，熟悉科學探究的一般模式，在解決問題的過程中學習探究方法.