用對(duì)比實(shí)驗(yàn)構(gòu)建具有思維厚度的物理課堂

呂朝陽

(江蘇省前黃高級(jí)中學(xué)國(guó)際分校,江蘇 常州 213161)

俄國(guó)教育家烏申斯基說過：比較是一切理解和一切思維的基礎(chǔ)。在物理課堂中教師會(huì)經(jīng)常采用對(duì)比教學(xué)法，它指的是在課堂教學(xué)中，教師同時(shí)給學(xué)生提供兩種或多種相似或類似的材料、過程、現(xiàn)象或情境等，讓學(xué)生進(jìn)行觀察、判斷、合作、交流和分析，誘發(fā)興趣，形成動(dòng)力，啟迪智慧，以促進(jìn)深層思維形成的教學(xué)方法。

信息論認(rèn)為：思維是人們接受信息、存貯信息、加工信息及輸出信息，進(jìn)而概括地反映客觀現(xiàn)實(shí)的過程，也是大腦對(duì)客觀世界的本質(zhì)屬性和發(fā)展規(guī)律的自覺、間接和概括的反映。思維是在感性認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上抽象成概念，并在實(shí)踐中形成判斷、推理和論證的思考方式。一般來說，思維有深度、高度、廣度等多個(gè)維度，這些維度又決定了思維的效度和厚度。顯然，對(duì)比教學(xué)法是提升學(xué)生思維能力和思維水平的重要手段之一，本文運(yùn)用一些課堂教學(xué)案例，淺議利用對(duì)比實(shí)驗(yàn)構(gòu)建具有思維厚度的物理課堂的策略。

1 用對(duì)比實(shí)驗(yàn)導(dǎo)入新課，引發(fā)思維沖突

案例1:在高中物理選修3-5第十七章“波粒二象性”第二節(jié)“光的粒子性”的教學(xué)中，采用“神秘的光電實(shí)驗(yàn)”導(dǎo)入新課。教師將“神秘元件”(GD-28光電管)放在開有透光孔的不透明盒子中，再與音樂賀卡中的蜂鳴器及干電池連成如圖1所示的電路。

圖1

對(duì)比實(shí)驗(yàn)1：將強(qiáng)光手電筒的光通過小孔照射到“神秘元件”上時(shí)，蜂鳴器發(fā)出樂音；關(guān)閉手電筒開關(guān)時(shí)，蜂鳴器停止發(fā)聲。

對(duì)比實(shí)驗(yàn)2：用強(qiáng)光手電筒照射時(shí)，越靠近神秘元件，蜂鳴器發(fā)出的樂音越響亮。

對(duì)比實(shí)驗(yàn)3：用強(qiáng)光手電筒照射時(shí)，在透光孔前放置一紅色濾光片，相當(dāng)于用紅光照射，此時(shí)蜂鳴停止發(fā)聲。拿掉紅色濾光片，蜂鳴器再次發(fā)聲。

案例2:在高中物理選修3-2第五章“交變電流”第三節(jié)“電感和電容對(duì)交變電流的影響”的新授課中，采用“神奇的濾音電路”做導(dǎo)入實(shí)驗(yàn)。如圖2所示，教師在電腦里挑選一首既有渾厚低音又有金屬質(zhì)感悠揚(yáng)高音的樂曲，通過信號(hào)放大器、電源和揚(yáng)聲器播放。

對(duì)比實(shí)驗(yàn)1：在電路中加入如圖3所示的兩個(gè)神秘元件A(電容器)和B(電感線圈)后，跟圖2所示實(shí)驗(yàn)相對(duì)比，揚(yáng)聲器中低音部分明顯減弱，基本上只能聽到悠揚(yáng)的高音部分。

圖2

圖3

對(duì)比實(shí)驗(yàn)2：將兩個(gè)神秘元件A和B位置互換后重新接入電路，發(fā)現(xiàn)高音明顯減弱，基本上只剩下渾厚的低音部分。

評(píng)析:用新穎、有趣的對(duì)比實(shí)驗(yàn)導(dǎo)入新課，既能將抽象的問題直觀化、可視化，將物理學(xué)的神秘充分展示給學(xué)生，又能通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的對(duì)比，將課堂所要探究的重點(diǎn)內(nèi)容直接呈現(xiàn)給學(xué)生，引發(fā)學(xué)生在思維和認(rèn)知上的矛盾沖突，激發(fā)學(xué)生濃厚的學(xué)習(xí)欲望，促使學(xué)生自發(fā)地探尋物理規(guī)律。“光的粒子性”和“電容電感對(duì)交變電流的影響”這兩部分知識(shí)非常抽象，實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，用對(duì)比實(shí)驗(yàn)導(dǎo)入新課，學(xué)生開始時(shí)迷惑不解又興趣盎然，隨著一個(gè)個(gè)謎底的揭開，學(xué)生的思維活動(dòng)主動(dòng)、活躍，收到了很好的教學(xué)效果。

2 用對(duì)比實(shí)驗(yàn)巧設(shè)過渡，架構(gòu)思維橋梁

案例3:高中物理選修3-2第四章第六節(jié)“互感和自感”中的通電自感現(xiàn)象。

圖4

對(duì)比實(shí)驗(yàn)1：按如圖4所示連接好電路，觀察電鍵S閉合瞬間燈泡亮度變化情況。現(xiàn)將圖4中滑動(dòng)變阻器R換成自感系數(shù)較大、直流電阻與圖4中滑動(dòng)變阻器接入電路電阻相同的電感線圈L，其他不變，如圖5所示，觀察在電鍵S閉合瞬間燈泡亮度變化情況。

對(duì)比實(shí)驗(yàn)2：將圖4、圖5組合成圖6，所用器材完全相同，觀察電鍵S閉合瞬間、電路穩(wěn)定后燈泡A1、A2亮度變化情況。

圖5

圖6

案例4:高中物理選修3-2第四章第六節(jié)“互感和自感”中的斷電自感現(xiàn)象。

對(duì)比實(shí)驗(yàn)1：如圖7所示，用導(dǎo)線和電鍵將一節(jié)干電池跟一位同學(xué)的兩只手相連，電鍵閉合瞬間，該生沒有任何感覺。如圖8所示，將該生與一直流電阻較小、自感系數(shù)較大的線圈并聯(lián)后，接在同樣一節(jié)干電池上，在電鍵閉合的瞬間，學(xué)生的手會(huì)有較為明顯的觸電刺痛感。

圖7

圖8

圖9

對(duì)比實(shí)驗(yàn)2：如圖9所示，僅將圖8中的人換成一個(gè)小燈泡，觀察在電鍵斷開的瞬間，燈泡的亮度變化的情況。

評(píng)析:在教學(xué)過程中，當(dāng)思維跨度較大，學(xué)生難以直接逾越時(shí)，可架設(shè)思維橋梁，以實(shí)現(xiàn)從舊知到新知、從感性到理性的質(zhì)變。案例3和案例4中兩個(gè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)可謂匠心獨(dú)運(yùn)，將教材中的演示實(shí)驗(yàn)分解為逐漸遞進(jìn)、具有思維梯度的三個(gè)小實(shí)驗(yàn)，用知識(shí)問題化、問題直觀化、思維層次化的策略，給學(xué)生提供思考與討論、交流與合作的空間，讓學(xué)生親歷思維和探究的過程，領(lǐng)悟科學(xué)探究的方法，重點(diǎn)關(guān)注學(xué)生對(duì)知識(shí)形成過程的理解，實(shí)現(xiàn)從直觀到抽象、從現(xiàn)象到本質(zhì)的順應(yīng)和同化，以達(dá)成相應(yīng)的思維深度。

3 用對(duì)比實(shí)驗(yàn)建構(gòu)知識(shí)，生成思維方式

案例5:高中物理選修3-2第五章第三節(jié)中的“電感對(duì)交變電流的阻礙作用”。實(shí)驗(yàn)器材為：小燈泡(3.8V，0.3A)一只，直徑0.2mm的漆包線繞制的匝數(shù)分別為1050匝和1350匝的螺線管L1和L2兩個(gè)，鐵芯兩個(gè)，學(xué)生電源一個(gè)，信號(hào)發(fā)生器一個(gè)，連接成如圖10所示的電路。

圖10

圖11

對(duì)比實(shí)驗(yàn)1：A、B間接學(xué)生電源直流電壓6V擋，電鍵K2扳至電感L1，閉合電鍵K1，燈泡較亮；A、B間接學(xué)生電源交流電壓6V擋，電鍵K2仍扳至電感L1，閉合電鍵K1，燈泡亮度明顯減弱。

對(duì)比實(shí)驗(yàn)2：A、B間接學(xué)生電源交流電壓6V擋，電鍵K2扳至電感L1，閉合電鍵K1，燈泡發(fā)光；現(xiàn)將電鍵K2扳至電感L2，發(fā)現(xiàn)燈泡亮度減弱。

對(duì)比實(shí)驗(yàn)3：A、B間接學(xué)生電源交流電壓6V擋，電鍵K2仍扳至電感L1，燈泡發(fā)光；現(xiàn)將線圈L1中的鐵芯取出，燈泡明顯變亮。

對(duì)比實(shí)驗(yàn)4：A、B間接低頻信號(hào)發(fā)生器，電鍵K2仍扳至電感L1，調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器使小燈泡較亮。現(xiàn)緩慢調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器的旋鈕，使頻率緩慢增大，觀察到小燈泡的亮度明顯逐漸減弱。

案例6:高中物理選修3-2第五章第三節(jié)中的“電容對(duì)交變電流的阻礙作用”。實(shí)驗(yàn)器材為：小燈泡(3.8V，0.3A)一只，電容C1(25V，220μF)、電容C2(25V，3300μF)各一個(gè)，學(xué)生電源一個(gè)，信號(hào)發(fā)生器一個(gè)，連接成如圖11所示的電路。

對(duì)比實(shí)驗(yàn)1：A、B間接學(xué)生電源直流電壓4V擋，電鍵K2扳至電感C1，閉合電鍵K1，燈泡不亮；A、B間接學(xué)生電源交流電壓4V擋，電鍵K2仍扳至電容C1，閉合電鍵K1，燈泡發(fā)光。

對(duì)比實(shí)驗(yàn)2：A、B間接學(xué)生電源交流電壓4V擋，電鍵K2扳至電容C1，閉合電鍵K1，燈泡發(fā)光。現(xiàn)將電鍵K2扳至電容C2，發(fā)現(xiàn)燈泡明顯變亮。

對(duì)比實(shí)驗(yàn)3：A、B間接低頻信號(hào)發(fā)生器，電鍵K2仍扳至電容C1，調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器使小燈泡較亮。現(xiàn)緩慢調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器的旋鈕，使頻率逐漸降低，觀察到小燈泡的亮度明顯逐漸減弱。

評(píng)析:思維方式即思考問題的角度、方式和方法，包括分析與綜合、歸納與演繹、抽象與概括、因果與逆向、比較與遞推等。在上述兩個(gè)案例中，分別比較在不同的直流或交流電源、不同規(guī)格的元件、不同頻率的交流電源等條件下燈泡的亮度變化，讓學(xué)生在觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，運(yùn)用分析、歸納、概括等思維方法，自主建構(gòu)知識(shí)，給人以順理成章、水到渠成之感。

4 用對(duì)比實(shí)驗(yàn)釋疑解惑，突破思維難點(diǎn)

案例7:高中物理選修3-1第一章第八節(jié)中的“平行板電容器電容大小的決定因素”。實(shí)驗(yàn)器材為：鋁板兩塊，同尺寸厚度均勻的塑料板5塊，毫米刻度尺一把，萬用數(shù)字電表一只。

圖12

對(duì)比實(shí)驗(yàn)1：如圖12所示，在兩塊平行正對(duì)的矩形鋁板間放一塊同尺寸的塑料絕緣板，連接在萬用數(shù)字電表上，讀出電容大小。然后讓兩個(gè)極板依次錯(cuò)開，使正對(duì)面積分別減小為原來的3/4、1/2、1/4，讀出對(duì)應(yīng)電容大小進(jìn)行對(duì)比，得出結(jié)論。

對(duì)比實(shí)驗(yàn)2：如圖12所示，在兩極板正對(duì)面積不變的前提下，在兩個(gè)極板間分別放1塊、2塊、3塊、4塊、5塊相同厚度的塑料板，以增加兩板之間的距離，分別讀出對(duì)應(yīng)電容大小，進(jìn)行對(duì)比，得出結(jié)論。

圖13

案例8:高中物理必修一第四章第一節(jié)中的探究慣性與質(zhì)量大小間關(guān)系的“單手甩紙片實(shí)驗(yàn)”。實(shí)驗(yàn)器材為：被撕成A、B兩部分的答題卡一張(其中B部分較小，是跟A部分連在一起、沒有完全撕開的細(xì)長(zhǎng)條)，小鐵夾一個(gè)(如圖13)。

對(duì)比實(shí)驗(yàn)1：?jiǎn)问帜弥痤}卡的A部分，用力甩動(dòng)手腕，發(fā)現(xiàn)要想使B部分被甩掉，比較困難。若單手拿著B部分，然后用力甩動(dòng)手腕，發(fā)現(xiàn)很容易將A、B兩部分撕開。

對(duì)比實(shí)驗(yàn)2：用小鐵夾夾在B部分上，然后單手拿著A部分用力甩動(dòng)手腕，發(fā)現(xiàn)很容易將答題卡的A、B兩部分撕開。

評(píng)析:當(dāng)舊知與新知間有較大落差、目標(biāo)與實(shí)際間有較大距離時(shí)，學(xué)生學(xué)習(xí)的疑惑點(diǎn)也就產(chǎn)生了，而很多的疑惑點(diǎn)源于學(xué)生在認(rèn)知上存在思維障礙，此時(shí)，對(duì)比實(shí)驗(yàn)往往會(huì)有奇效。在案例7中，教師沒有采用教材上的做法——使用靜電計(jì)來輔助實(shí)驗(yàn)，因?yàn)殪o電計(jì)不僅不能直接測(cè)出平行板電容器電容的大小，其推理的過程學(xué)生更是難以理解和掌握，且只能定性分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不具有直觀性。用靜電計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象也不穩(wěn)定，極易受到濕度、絕緣性能的好壞等環(huán)境的影響而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗。使用萬用數(shù)字電表可直接讀出電容大小，直接、直觀，同時(shí)正對(duì)面積和板間距大小的改變也設(shè)計(jì)得非常巧妙，拉近了舊知與新知之間的距離，消除了思維障礙，實(shí)驗(yàn)的可操作性較好。

慣性大小的決定因素一直是教學(xué)的難點(diǎn)，學(xué)生死記結(jié)論是容易的，但往往存有疑惑。在案例8中，利用一張答題卡和一個(gè)小鐵夾，單手甩動(dòng)的部位不同，或在被撕開的小紙條上夾上一只鐵夾，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象就會(huì)變得十分明顯，學(xué)生也非常容易理解，正應(yīng)驗(yàn)了朱正元老先生的一句話：“千言萬語道不清，一做實(shí)驗(yàn)就分明”。

俄國(guó)作家托爾斯泰認(rèn)為：“知識(shí)，只有當(dāng)它靠積極的思維得來，而不是憑記憶得來的時(shí)候，才是真正的知識(shí)。”物理是對(duì)學(xué)生的思維能力要求很高的一門學(xué)科，一些物理概念、規(guī)律或原理深?yuàn)W抽象，與日常生活往往有較大的距離，如果僅采用“紙上談兵”的方式組織教學(xué)，學(xué)生被動(dòng)“生吞活剝”，容易引起“消化不良”，會(huì)產(chǎn)生較大的思維障礙，更談不上靈活運(yùn)用。在課堂教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)精心設(shè)計(jì)演示或分組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，既可以培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和主動(dòng)參與意識(shí)，也可以通過對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的對(duì)比引發(fā)思維沖突，激發(fā)興趣動(dòng)力，消除思維障礙，讓學(xué)生真正掌握科學(xué)思維方法，提升課堂教學(xué)的思維品質(zhì)，從而構(gòu)建具有思維深度和厚度的課堂。