基于初中物理概念教學(xué)難點(diǎn)突破的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

摘 要：初中物理中科學(xué)概念的確立、定律和原理的發(fā)現(xiàn)，無(wú)不有著堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ).精心設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)具有高度的藝術(shù)性，可以把許多學(xué)生感覺(jué)相對(duì)抽象和復(fù)雜的科學(xué)概念，在實(shí)驗(yàn)中轉(zhuǎn)化為直觀、清晰的科學(xué)道理，易學(xué)易懂，促進(jìn)學(xué)生理解和思維發(fā)展.

關(guān)鍵詞：物理概念;教學(xué)難點(diǎn);實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1008-4134（2021）04-0063-03

作者簡(jiǎn)介：鄭建新（1974-），男，本科，中學(xué)高級(jí)教師，研究方向：初中物理、化學(xué)、生物教學(xué).

初中物理中科學(xué)概念的確立、定律和原理的發(fā)現(xiàn)，是在大量觀察實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上運(yùn)用一定的邏輯思維的方法，把事物的本質(zhì)特征和共性集中起來(lái)，加以概括而形成的.精心設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)具有高度的藝術(shù)性，可以把許多學(xué)生感覺(jué)相對(duì)抽象和復(fù)雜的科學(xué)概念，在實(shí)驗(yàn)中轉(zhuǎn)化為直觀、清晰的科學(xué)道理，易學(xué)易懂，促進(jìn)學(xué)生理解和思維發(fā)展.

1 撥云見(jiàn)日，從突破前概念角度設(shè)計(jì)

在教學(xué)中我們無(wú)法回避前概念的干擾，既然無(wú)法回避就不妨設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)將這些前概念暴露出來(lái)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中讓學(xué)生產(chǎn)生認(rèn)知沖突，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)糾正學(xué)生頭腦中錯(cuò)誤的前概念，重新建構(gòu)起新的科學(xué)概念，通過(guò)這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，學(xué)生獲取知識(shí)是主動(dòng)的、自己發(fā)現(xiàn)的，而不是強(qiáng)加給學(xué)生的，學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和接受以及科學(xué)概念的掌握必然更加牢固.

1.1 重力的方向

在七年級(jí)物理教學(xué)中，發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)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(dá)中有很大的爭(zhēng)議.課前學(xué)生的預(yù)習(xí)中有近八成的學(xué)生選用的是垂直于地面向下而非豎直向下，筆者從未想過(guò)對(duì)于該概念的理解居然會(huì)有這么多的誤解.

“重力的方向總是豎直向下的”，究竟是一個(gè)什么方向呢？可以通過(guò)一個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)得到答案.用一個(gè)透明的水槽裝有顏色的水，靜止時(shí)水面是怎樣的？（水平）那就是我們常說(shuō)的水平面.重力的方向與它是否有關(guān)呢？請(qǐng)學(xué)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(fā)現(xiàn)兩者互相垂直.若把整個(gè)裝置傾斜一定角度呢？繩子的方向會(huì)發(fā)生變化嗎？

實(shí)驗(yàn)后，同學(xué)們可以發(fā)現(xiàn)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(xué)生順理成章就得到了結(jié)論：重力的方向與水平面方向垂直.通過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)化解了學(xué)生心中的疑團(tuán)，破解了學(xué)生的錯(cuò)誤理解，學(xué)生對(duì)重力方向的認(rèn)識(shí)和表達(dá)也更清晰明了.

重力的方向是一個(gè)看似簡(jiǎn)單的問(wèn)題，通過(guò)學(xué)生親歷實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程，去發(fā)現(xiàn)已有的生活經(jīng)驗(yàn)和新發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象之間的不一致，引發(fā)矛盾沖突，才能使學(xué)生不斷反思并且修正自己的認(rèn)識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，接受或提出更為科學(xué)的新假設(shè)、新解釋、新概念.

1.2 滑動(dòng)變阻器

轉(zhuǎn)變前概念不能是簡(jiǎn)單的交換概念，而是新舊知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)之間的更新過(guò)程，即順應(yīng)和轉(zhuǎn)化的過(guò)程.學(xué)生在進(jìn)行學(xué)習(xí)之前在日常生活和學(xué)習(xí)過(guò)程中會(huì)積累大量的生活經(jīng)驗(yàn)，有的經(jīng)驗(yàn)反映了客觀事物的本質(zhì)，是正確的，有些經(jīng)驗(yàn)則是違背客觀事實(shí)和規(guī)律的.教學(xué)中教師應(yīng)充分了解學(xué)生的前概念，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)科學(xué)概念與學(xué)生前概念之間的順利轉(zhuǎn)化.

滑動(dòng)變阻器是建立在電阻的概念基礎(chǔ)上，學(xué)生通過(guò)上節(jié)課的學(xué)習(xí)，很容易設(shè)計(jì)出改變電阻絲的長(zhǎng)度來(lái)改變燈泡亮度的電路，激活學(xué)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(zhǎng)度”時(shí)，電流從哪里流進(jìn)滑動(dòng)變阻器，從滑動(dòng)變阻器的哪個(gè)部分流出來(lái)？對(duì)于初學(xué)電學(xué)的八年級(jí)學(xué)生來(lái)說(shuō)，非常抽象難以理解.

如圖3所示，學(xué)生觀察燈條上電流流過(guò)的路徑，并在結(jié)構(gòu)示意圖中畫出電流路徑，從而得出判斷“接入電路的有效長(zhǎng)度”的方法.利用上述自制教具，接入三個(gè)接線柱，觀察電流的流過(guò)路徑，然后進(jìn)一步分析短路的部分，從而讓學(xué)生信服地接受這種連接，真正接入電路的有效長(zhǎng)度是哪一部分.通過(guò)巧妙的安排和實(shí)驗(yàn)，把不容易理解的概念，轉(zhuǎn)化為易接受的模型，自主建構(gòu)知識(shí).

課堂中，學(xué)生的許多前概念對(duì)科學(xué)概念的形成是有積極作用的，幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)從前概念到科學(xué)概念認(rèn)知上的轉(zhuǎn)變，有效的方法就是給學(xué)生準(zhǔn)備與前概念沖突的材料，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)順利實(shí)現(xiàn)了概念的同化，在觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、分析數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，獲得更多的信息，去發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象或現(xiàn)實(shí)和已有的生活經(jīng)驗(yàn)之間的不一致，讓學(xué)生反思、審視并修正自己的認(rèn)識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，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(xué)中，有許多概念是不能直接被學(xué)生感受到的，往往成為大家在學(xué)習(xí)過(guò)程中的難點(diǎn)，教師在教學(xué)中從學(xué)生的認(rèn)知“難點(diǎn)”出發(fā)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)認(rèn)知沖突，幫助學(xué)生直觀理解概念、原理等，使知識(shí)形象化，便于運(yùn)用.

2.1 虛像（平面鏡成像）

平面鏡成虛像看得見(jiàn)卻摸不著，對(duì)于初一的學(xué)生來(lái)說(shuō)是一個(gè)比較抽象的概念，如果沒(méi)有一個(gè)具體直觀的實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生理解，很容易造成學(xué)生對(duì)平面鏡成像特點(diǎn)和原理的機(jī)械式記憶，突破難點(diǎn)的關(guān)鍵在于幫助學(xué)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(diǎn)燃蠟燭A的一側(cè)向玻璃板中看，可以看到蠟燭在玻璃板中成清晰的像，這個(gè)像上沒(méi)有實(shí)際光線通過(guò)，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(diǎn)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(shuō)明沒(méi)有實(shí)際光線經(jīng)過(guò)像，平面鏡成的是虛像.

2.2 對(duì)流

教材中利用蚊香的煙做對(duì)流實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)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(xué)生會(huì)認(rèn)為蚊香的煙受熱上升，和對(duì)流沒(méi)有關(guān)系.改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)如圖6所示，用到的器材有U型PPR管（兩側(cè)為玻璃管） 、鐵架臺(tái)（底座帶開(kāi)關(guān)）、蚊香、紙條或小風(fēng)扇、電熱絲.當(dāng)給電熱絲通電后，就可以看到比較明顯的現(xiàn)象：蚊香的煙被吸入U(xiǎn)型管內(nèi)，因?yàn)闊釟饬魃仙苿?dòng)小風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)，U型管左側(cè)開(kāi)口處空氣進(jìn)來(lái)補(bǔ)充，就出現(xiàn)了上述明顯的對(duì)流現(xiàn)象.

學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中從感性認(rèn)識(shí)過(guò)渡到理性分析，更好地促進(jìn)學(xué)生對(duì)物理重要概念、事實(shí)、原理的透徹理解.

3 深思熟慮，讓概念變得深刻形象

通過(guò)巧妙的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)幫助學(xué)生建構(gòu)物理知識(shí)，加深對(duì)概念的理解和深化，將思維難點(diǎn)逐步分解，從易到難，由淺入深，在實(shí)驗(yàn)中使學(xué)生獲得啟發(fā)、頓悟，由感性的直觀認(rèn)知逐漸引向理性的抽象概括，進(jìn)而能夠達(dá)到準(zhǔn)確、嚴(yán)密、深刻地理解和掌握所學(xué)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(xué)生感覺(jué)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(jì)和一端開(kāi)口的玻璃管，注意保持良好的氣密性.在左側(cè)玻璃管中加入適量冷水，在右側(cè)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(shí)間后可觀察到左側(cè)玻璃管上不斷有棕黃色液滴滴下，左側(cè)傳感器顯示溫度顯著上升，而右側(cè)玻璃管和右側(cè)傳感器顯示溫度均無(wú)明顯變化.取材方便，操作簡(jiǎn)單，現(xiàn)象直觀;便于學(xué)生理解遇冷液化，液化放熱問(wèn)題.

3.2 氣體對(duì)外做功

課本中氣體對(duì)外做功實(shí)驗(yàn)，不能觀察過(guò)程中瓶?jī)?nèi)溫度的變化.在大礦泉水瓶下端裝一個(gè)氣門芯，在瓶蓋上開(kāi)孔，將數(shù)顯溫度計(jì)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(shù)顯溫度計(jì)示數(shù)快速上升.打開(kāi)氣門芯放氣，出現(xiàn)白霧的同時(shí)，觀察到數(shù)顯溫度計(jì)緩慢下降.氣體對(duì)外做功，應(yīng)該是內(nèi)能減少，溫度下降，但因?yàn)闅怏w在溫度計(jì)探頭表面液化放熱，使溫度下降緩慢.

極具趣味性現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，生動(dòng)有趣的現(xiàn)象能吸引學(xué)生的注意，促進(jìn)學(xué)生思考，讓學(xué)生在探討問(wèn)題的過(guò)程中產(chǎn)生靈感和頓悟，促使學(xué)生在深入的思考后，多方位地理解科學(xué)概念.

3.3 比熱容

浙教版教材利用砂石和水來(lái)引出比熱容的概念，但是砂石和水的變量較多如狀態(tài)不同，水有對(duì)流而砂石沒(méi)有等.作為演示實(shí)驗(yàn)，應(yīng)盡可能控制好實(shí)驗(yàn)變量，選用質(zhì)量相同的砂石和食鹽，在狀態(tài)、導(dǎo)熱性、固體無(wú)對(duì)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(qiáng)，同一杯熱水中變量統(tǒng)一，熱水熱源較穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)時(shí)間較快效果明顯.在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中達(dá)到了對(duì)比熱容概念的理解和深化.

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

科學(xué)概念是對(duì)科學(xué)現(xiàn)象和過(guò)程的高度概括和抽象的思維形式.教師依據(jù)教學(xué)內(nèi)容，從學(xué)生的實(shí)際出發(fā)，挖掘?qū)嶒?yàn)潛能設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，平常中出新，新意中促思，設(shè)計(jì)一個(gè)個(gè)符合初中學(xué)生思維特點(diǎn)的生動(dòng)、有趣、形象的實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中，注重提升學(xué)生思維的嚴(yán)謹(jǐn)性，讓物理概念形象直觀，可以取得更好的效果.

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國(guó)教育部.全日制義務(wù)教育科學(xué)（7-9年級(jí)）課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)稿）[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2001.

[2]張玉峰，郭玉英.科學(xué)概念層次分析：價(jià)值、變量與模型[J].物理教師，2015，36（11）：2-6+10.

[3]白璐，白少民.美國(guó)新一代K-12科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)中的物理學(xué)核心概念及啟示[J].物理教師，2016，37（03）：2-5.

[4]胡曉琦.劉炳昇中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教育思想研究[D].南京：南京師范大學(xué)，2017.

[5]毛嚇梅.運(yùn)用自制教具提高中學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)有效性教學(xué)的研究[D].福建：福建師范大學(xué)，2014.

（收稿日期：2020-11-17）