基于初中物理概念教學難點突破的實驗設計

摘 要：初中物理中科學概念的確立、定律和原理的發現，無不有著堅實的實驗基礎.精心設計的實驗具有高度的藝術性，可以把許多學生感覺相對抽象和復雜的科學概念，在實驗中轉化為直觀、清晰的科學道理，易學易懂，促進學生理解和思維發展.

關鍵詞：物理概念;教學難點;實驗設計

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）04-0063-03

作者簡介：鄭建新（1974-），男，本科，中學高級教師，研究方向：初中物理、化學、生物教學.

初中物理中科學概念的確立、定律和原理的發現，是在大量觀察實驗基礎上運用一定的邏輯思維的方法，把事物的本質特征和共性集中起來，加以概括而形成的.精心設計的實驗具有高度的藝術性，可以把許多學生感覺相對抽象和復雜的科學概念，在實驗中轉化為直觀、清晰的科學道理，易學易懂，促進學生理解和思維發展.

1 撥云見日，從突破前概念角度設計

在教學中我們無法回避前概念的干擾，既然無法回避就不妨設計實驗將這些前概念暴露出來，在實驗過程中讓學生產生認知沖突，最后通過實驗糾正學生頭腦中錯誤的前概念，重新建構起新的科學概念，通過這樣一個實驗過程，學生獲取知識是主動的、自己發現的，而不是強加給學生的，學生對知識的理解和接受以及科學概念的掌握必然更加牢固.

1.1 重力的方向

在七年級物理教學中，發現學生對重力方向的表述在垂直于地面向下和豎直向下的兩種表達中有很大的爭議.課前學生的預習中有近八成的學生選用的是垂直于地面向下而非豎直向下，筆者從未想過對于該概念的理解居然會有這么多的誤解.

“重力的方向總是豎直向下的”，究竟是一個什么方向呢？可以通過一個實驗設計得到答案.用一個透明的水槽裝有顏色的水，靜止時水面是怎樣的？（水平）那就是我們常說的水平面.重力的方向與它是否有關呢？請學生討論思考，之后把掛有重物的繩子掛在剛才的水槽上，馬上可以發現兩者互相垂直.若把整個裝置傾斜一定角度呢？繩子的方向會發生變化嗎？

實驗后，同學們可以發現水面一直是水平方向，而且繩子的方向也始終與水平面垂直.學生順理成章就得到了結論：重力的方向與水平面方向垂直.通過這個實驗化解了學生心中的疑團，破解了學生的錯誤理解，學生對重力方向的認識和表達也更清晰明了.

重力的方向是一個看似簡單的問題，通過學生親歷實驗探究過程，去發現已有的生活經驗和新發現的現象之間的不一致，引發矛盾沖突，才能使學生不斷反思并且修正自己的認識和經驗，接受或提出更為科學的新假設、新解釋、新概念.

1.2 滑動變阻器

轉變前概念不能是簡單的交換概念，而是新舊知識和經驗之間的更新過程，即順應和轉化的過程.學生在進行學習之前在日常生活和學習過程中會積累大量的生活經驗，有的經驗反映了客觀事物的本質，是正確的，有些經驗則是違背客觀事實和規律的.教學中教師應充分了解學生的前概念，設計實驗實現科學概念與學生前概念之間的順利轉化.

滑動變阻器是建立在電阻的概念基礎上，學生通過上節課的學習，很容易設計出改變電阻絲的長度來改變燈泡亮度的電路，激活學生頭腦中已有的有用的前概念非常有利于新概念的形成和建立.在分析電流“路徑”以理解“接入電路的有效長度”時，電流從哪里流進滑動變阻器，從滑動變阻器的哪個部分流出來？對于初學電學的八年級學生來說，非常抽象難以理解.

如圖3所示，學生觀察燈條上電流流過的路徑，并在結構示意圖中畫出電流路徑，從而得出判斷“接入電路的有效長度”的方法.利用上述自制教具，接入三個接線柱，觀察電流的流過路徑，然后進一步分析短路的部分，從而讓學生信服地接受這種連接，真正接入電路的有效長度是哪一部分.通過巧妙的安排和實驗，把不容易理解的概念，轉化為易接受的模型，自主建構知識.

課堂中，學生的許多前概念對科學概念的形成是有積極作用的，幫助學生實現從前概念到科學概念認知上的轉變，有效的方法就是給學生準備與前概念沖突的材料，設計實驗順利實現了概念的同化，在觀察實驗現象、分析數據的基礎上，獲得更多的信息，去發現實驗現象或現實和已有的生活經驗之間的不一致，讓學生反思、審視并修正自己的認識和經驗，從而去積極地建立新的物理概念.

2 別具匠心，使抽象的概念直觀具體

在物理教學中，有許多概念是不能直接被學生感受到的，往往成為大家在學習過程中的難點，教師在教學中從學生的認知“難點”出發，通過實驗引導認知沖突，幫助學生直觀理解概念、原理等，使知識形象化，便于運用.

2.1 虛像（平面鏡成像）

平面鏡成虛像看得見卻摸不著，對于初一的學生來說是一個比較抽象的概念，如果沒有一個具體直觀的實驗幫助學生理解，很容易造成學生對平面鏡成像特點和原理的機械式記憶，突破難點的關鍵在于幫助學生理解虛像的概念.

如圖4所示，貼著玻璃板放一張不透光的黑紙，從點燃蠟燭A的一側向玻璃板中看，可以看到蠟燭在玻璃板中成清晰的像，這個像上沒有實際光線通過，所以平面鏡成虛像.如圖5所示，把蠟燭A放在玻璃板的前面.點燃蠟燭A，在玻璃板后用白紙板光屏接收蠟燭A的像，看不到“A”的像，同樣說明沒有實際光線經過像，平面鏡成的是虛像.

2.2 對流

教材中利用蚊香的煙做對流實驗，現象不是很明顯，即使后面用上背景紙，看上去也不是很清楚.而且學生會認為蚊香的煙受熱上升，和對流沒有關系.改進后的實驗如圖6所示，用到的器材有U型PPR管（兩側為玻璃管） 、鐵架臺（底座帶開關）、蚊香、紙條或小風扇、電熱絲.當給電熱絲通電后，就可以看到比較明顯的現象：蚊香的煙被吸入U型管內，因為熱氣流上升，推動小風扇轉動，U型管左側開口處空氣進來補充，就出現了上述明顯的對流現象.

學生在實驗中從感性認識過渡到理性分析，更好地促進學生對物理重要概念、事實、原理的透徹理解.

3 深思熟慮，讓概念變得深刻形象

通過巧妙的實驗設計幫助學生建構物理知識，加深對概念的理解和深化，將思維難點逐步分解，從易到難，由淺入深，在實驗中使學生獲得啟發、頓悟，由感性的直觀認知逐漸引向理性的抽象概括，進而能夠達到準確、嚴密、深刻地理解和掌握所學概念的目的.

3.1 液化放熱

初中物理課本有液化放熱，但缺乏直觀演示，學生感覺比較抽象，理解上存在一定困難.

如圖7所示，在U型管中裝入適量溶有碘酒的酒精，兩端用雙孔橡皮塞密封，兩孔中各插入電子溫度計和一端開口的玻璃管，注意保持良好的氣密性.在左側玻璃管中加入適量冷水，在右側玻璃管中加入等量35℃左右的溫水.

將U型管底部放入盛有40℃左右熱水的水槽中，促使底部酒精汽化，一段時間后可觀察到左側玻璃管上不斷有棕黃色液滴滴下，左側傳感器顯示溫度顯著上升，而右側玻璃管和右側傳感器顯示溫度均無明顯變化.取材方便，操作簡單，現象直觀;便于學生理解遇冷液化，液化放熱問題.

3.2 氣體對外做功

課本中氣體對外做功實驗，不能觀察過程中瓶內溫度的變化.在大礦泉水瓶下端裝一個氣門芯，在瓶蓋上開孔，將數顯溫度計的探頭放入空礦泉水瓶中，用打氣筒給密閉空礦泉水瓶打氣，觀察到數顯溫度計示數快速上升.打開氣門芯放氣，出現白霧的同時，觀察到數顯溫度計緩慢下降.氣體對外做功，應該是內能減少，溫度下降，但因為氣體在溫度計探頭表面液化放熱，使溫度下降緩慢.

極具趣味性現象的實驗設計，生動有趣的現象能吸引學生的注意，促進學生思考，讓學生在探討問題的過程中產生靈感和頓悟，促使學生在深入的思考后，多方位地理解科學概念.

3.3 比熱容

浙教版教材利用砂石和水來引出比熱容的概念，但是砂石和水的變量較多如狀態不同，水有對流而砂石沒有等.作為演示實驗，應盡可能控制好實驗變量，選用質量相同的砂石和食鹽，在狀態、導熱性、固體無對流等方面的變量能得到控制，做到單一變量.熱源選用水浴加熱，操作性強，同一杯熱水中變量統一，熱水熱源較穩定，實驗時間較快效果明顯.在實驗過程中達到了對比熱容概念的理解和深化.

如圖8所示：取相同質量的食鹽和砂石放入小燒杯中，蓋上帶有溫度計的單孔橡皮塞，在大燒杯中加入熱水，將兩個小燒杯同時放入熱水中，水浴加熱.觀察讀數.

科學概念是對科學現象和過程的高度概括和抽象的思維形式.教師依據教學內容，從學生的實際出發，挖掘實驗潛能設計實驗，平常中出新，新意中促思，設計一個個符合初中學生思維特點的生動、有趣、形象的實驗，在實驗設計過程中，注重提升學生思維的嚴謹性，讓物理概念形象直觀，可以取得更好的效果.

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（收稿日期：2020-11-17）