巧設(shè)創(chuàng)新實驗 凸顯科學思維

袁超

摘? ?要：在初中物理光學實驗教學中，以三個初中物理光學創(chuàng)新實驗，從改“抽象問題”為“直觀實驗”，改“觀察現(xiàn)象”為“體驗過程”，改“平面實驗”為“立體實驗”，三個視角出發(fā)，闡述如何通過設(shè)計創(chuàng)新實驗培養(yǎng)學生科學思維。。

關(guān)鍵詞：創(chuàng)新實驗;光學實驗;自制教具、科學思維

引言

初中物理實驗具有真實、直觀、形象、生動的特點，通過物理創(chuàng)新實驗?zāi)軌驅(qū)⒊橄蟮奈锢碛^念具體化，激發(fā)學生的學習興趣。此外，教師在巧設(shè)創(chuàng)新實驗的過程中，還可以讓學生自己動手，體驗“解決問題，獲得成功”的喜悅[ 1 ]，這對學生科學思維的培養(yǎng)具有至關(guān)重要的作用。基于此，筆者以三個初中物理光學創(chuàng)新實驗教具的制作為例，從改“抽象問題”為“直觀實驗”、改“觀察現(xiàn)象”為“體驗過程”、改“平面實驗”為“立體實驗”三個視角出發(fā)，闡述了如何通過設(shè)計創(chuàng)新型實驗培養(yǎng)學生的科學思維，旨在為一線物理教師在進行自制實驗教具培養(yǎng)學生科學思維的教學改革方面提供參考。

1? 改“抽象問題”為“直觀實驗”，培養(yǎng)學生建模能力

物理實驗?zāi)軌蜃寣W生從直觀的現(xiàn)象中體驗到物理知識的本質(zhì)，在抽象的問題中提煉出其中所蘊含的道理。但現(xiàn)行教材中有些物理問題的呈現(xiàn)較為抽象，僅依靠教師講解或動畫演示，難以實現(xiàn)培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維的教學效果。因此，通過對抽象的物理問題進行實物模型的建構(gòu)方式，將“抽象問題”轉(zhuǎn)化為“直觀實驗”，能夠在激發(fā)學生學習興趣的同時，助力學生思維的過渡，進而培養(yǎng)了學生模型建構(gòu)的能力。

案例1：日食、月食演示儀

1.1? 教材處理

在滬科版“光的反射”一節(jié)中，雖未提及日食、月食的相關(guān)內(nèi)容，但是，日食、月食作為光沿直線傳播的較為抽象的重要典例，如采用傳統(tǒng)的講授式教學，學生理解難度大。因此，筆者依據(jù)改“抽象問題”為“直觀實驗”的原則，制作了如下裝置進行教學。

1.2? 實驗改進

（1）制作材料

地理演示教具——“三球儀”、手電筒、小反光鏡。

（2） 制作方法

如圖1所示，在三球儀中的“太陽”上裝一盞手電筒;在“月亮”上黏一塊小鏡片。

1.3? 實驗過程

（1）模擬日食——旋轉(zhuǎn)平臺，讓“月亮”剛好處于“太陽”和“地球”之間，手電筒發(fā)出來的光剛好被“月球”擋住，這時在地球上就能看到一個黑斑。

（2）模擬月食——繼續(xù)旋轉(zhuǎn)平臺，使“太陽”處于“月球”和“地球”之間，這時“月球”上小鏡片反射的光被“太陽”擋住后，就無法形成完整的光斑。

1.4? 實驗創(chuàng)新

（1）通過實物模型的建構(gòu)將抽象、復雜的問題，變成一個直觀的演示實驗進行突破，讓學生真正明白到底是：“誰”把“誰”的光擋住了。

（2）取材方便，制作簡單。

2? 改“觀察現(xiàn)象”為“體驗過程”，增強學生探究意識

探究性實驗是指學生通過實驗、探索、分析、研究得出結(jié)論，形成科學概念的一種認知活動[ 2 ] 。將傳統(tǒng)的教師“做實驗”、學生“看實驗”的演示實驗方式轉(zhuǎn)化為學生自主的探究過程，讓學生在教師的啟發(fā)與引導下，從實驗材料、實驗方法、實驗步驟等方面進行探究，自主發(fā)現(xiàn)并解決問題，對學生探究能力的培養(yǎng)具有重要意義。

案例2：探究眼球成像原理實驗

2.1? 教材處理

眼球的晶狀體變焦過程及視力的矯正，是滬科版《神奇的眼睛》的重點和難點。但是教材中卻無相關(guān)的探究實驗，僅有幾張插圖，教師在處理這部分內(nèi)容時大多只是用水透鏡進行演示實驗，但該實驗器材可視性較差，不能夠有效地激發(fā)學生的探究欲望和探究意識。基于此，筆者依據(jù)改“觀察現(xiàn)象”為“體驗過程”的原則，通過設(shè)置分組探究性實驗，來提高學生的創(chuàng)新能力。

2.2? 實驗改進

（1）制作材料

圓珠筆芯、礦泉水瓶、凸透鏡、PE膜、LED燈源、眼球結(jié)構(gòu)模型、攝像頭、大小夾子。

（2）制作方法

如圖2，此裝置包括F型LED燈源（模擬觀察的物體）、自制水透鏡（模擬晶狀體和睫狀肌）、眼球結(jié)構(gòu)模型（模擬視網(wǎng)膜）等。其中水透鏡是將兩個凸透鏡中的玻璃鏡片用PE膜替換，然后粘貼在一起，中間利用圓珠筆芯與礦泉水瓶相連，擠壓水瓶，水便進入水透鏡中，從而鼓起（如圖3）。

2.3? 器材功能

（1）通過手擠壓瓶子調(diào)節(jié)水透鏡的焦距，模擬晶狀體。

（2）手用力擠壓，模擬睫狀肌緊張用力的過程。

（3）睫狀肌長期緊張用力，就像瓶子被擠壓變形無法恢復原狀，模擬近視眼的形成。

（4）在矯正近視眼時，此套裝置還用于模擬所需要用到的可變焦凹透鏡。（只需在灌水時，先將瓶子捏扁一點再旋上蓋子，就成了可變焦凹透鏡）。

（5）在矯正遠視眼時，此套裝置還用于模擬所需要用到的可變焦凸透鏡。

（6）在沒有條件做到分組實驗的情況下，也可以通過眼球內(nèi)的攝像頭，將視網(wǎng)膜上成的像投影出來。

2.4? 實驗過程

2.4.1? 通過投影演示，讓學生了解眼球成像儀的工作原理

在教學過程中，學生認識眼球的結(jié)構(gòu)后，又會產(chǎn)生了新的疑問“為什么眼球能夠看清遠、近不同的物體呢？也就是說物距發(fā)生改變了，像為何還呈現(xiàn)在視網(wǎng)膜上”。所以，教師為了突破此難點，應(yīng)引導學生理解晶狀體的調(diào)節(jié)作用——晶狀體在睫狀肌的作用下可以使其球面曲度發(fā)生改變。為了讓學生更好的理解水透鏡曲度與成像的關(guān)系，筆者利用眼球模型內(nèi)的攝像頭進行演示：當瓶內(nèi)的水擠入水透鏡時，可變焦晶狀體的球面曲度增大;松手，水又從水透鏡內(nèi)倒流進入瓶內(nèi)，則晶狀體的球面曲度減小，視網(wǎng)膜上的像清晰程度就因此發(fā)生了變化。92F9E5FE-9192-4AB4-BECC-04D2DE2161A3

2.4.2? 探究眼睛如何看清遠近不同的物體（如圖4）

組織學生分別將物體放置在距離眼球遠近不同的位置開展實驗，同時通過擠壓瓶子改變晶狀體的曲度使其清晰成像。通過實驗學生可發(fā)現(xiàn)：要看清近處物體時，擠入的水較多，晶狀體曲度變大;反之要看清遠處物體時，曲度變小。最后，通過實驗探究，引導學生總結(jié)出：

（1）所成的像是倒立的。

（2）看近處物體時晶狀體的曲度較大，看遠處物體時晶狀體的曲度較小。

（3）眼睛看物體時，像是近大遠小。

2.4.3? 探究近視眼的成因及矯正方法（如圖5）

由于近視眼是長時間看近處物體而引起，因此用大夾子擠壓瓶子使液體推入水透鏡中，水透鏡曲度過大，從而模擬近視眼的晶狀體。此時將LED燈源推向遠處時，因近視眼的晶狀體曲度不能及時恢復，會聚能力過強，視網(wǎng)膜上的像變模糊，實際所成像落在視網(wǎng)膜的前方（驗證：拿一個光屏放在視網(wǎng)膜前方，可見清晰倒立的F字）。最后，在眼球前方放置一個自制變焦凹透鏡（跟模擬晶狀體的自制水透鏡一樣，只是裝水時先將瓶子稍微捏扁一點，蓋上蓋子后膜內(nèi)的水被吸入瓶內(nèi)，薄膜因此向內(nèi)變凹，就成了可變焦的凹透鏡），像又可以落到視網(wǎng)膜上了。從而說明近視眼可用凹透鏡矯正。

2.4.4? 探究遠視眼的成因及矯正方法（如圖6）

由于老年人睫狀肌松弛，張力不夠，看近處的物體時，晶狀體曲度不夠，教師可引導學生利用小夾子擠壓瓶子使液體推入水透鏡中，水透鏡的曲度較小，從而模擬遠視眼的晶狀體。而將LED燈源推向近處時，因遠視眼的睫狀肌張力不夠，晶狀體曲度不足，會聚能力弱，視網(wǎng)膜上的像變模糊，實際所成像應(yīng)落在視網(wǎng)膜的后方（驗證：將視網(wǎng)膜上的開口打開，拿一個光屏放在視網(wǎng)膜后方，可見清晰倒立的F字）。最后在眼球前方放置一個自制變焦水透鏡，擠壓瓶子、調(diào)節(jié)水透鏡的曲度，像又可以落到視網(wǎng)膜上了。從而說明遠視眼可用凸透鏡矯正。

2.5? 實驗創(chuàng)新

同傳統(tǒng)的水透鏡相比，該實驗儀器優(yōu)勢在于：

（1）裝水方便，膜內(nèi)不容易有氣泡：一開始往膜內(nèi)灌水時，有些許氣泡，只需將塑料瓶倒置，將膜內(nèi)的氣泡抖入瓶內(nèi)，再倒置回來后，氣泡就停留在瓶蓋的下方。因瓶蓋下方的管子較長（如圖7），所以無論如何擠壓瓶子，都只有水進出透鏡，氣泡不會進入到水透鏡內(nèi)部。

（2）可用手擠壓瓶子，模擬睫狀肌的工作原理：瓶子壓久了，需要一段時間才能恢復原狀，模擬近視眼的形成，從而培養(yǎng)學生科學的用眼習慣。

（3）結(jié)合眼球模型，形象生動，學生易于理解。

（4）可利用攝像頭進行投影，增加可視性：在條件受限不方便分組實驗時，可利用儀器內(nèi)的攝像頭進行投影演示。

（5）制作簡易，成本低廉，操作簡單。

3? 改“平面實驗”為“立體實驗”，拓展學生空間思維

物理觀念的形成總是和理想模型密不可分，而理想模型的構(gòu)建需要一定的空間思維能力。在平時的教學中，教師應(yīng)該注重拓展學生的空間思維，這對于學生學習物理有很大的幫助] 3 ]。光學的學習難點在于光線是在一個立體空間內(nèi)，看不見又摸不著的物理模型，傳統(tǒng)實驗也只是將光線呈現(xiàn)在一個平面空間內(nèi)，不利于學生空間思維的培養(yǎng)。因此，筆者嘗試將“平面實驗”改為“立體實驗”，來拓展學生空間思維。

案例3：探究光的折射規(guī)律實驗

3.1? 教材處理

在探究光的反射規(guī)律時，滬科版教材中提到的將（如圖8）教具中光屏的右半部向后折，在右半邊光屏上無法看到折射光線，就證明三線在同一平面內(nèi)。筆者認為這種驗證方法不夠嚴謹，因為當右半邊光屏向后折時，光屏上承接不到折射光線，只能說明折射光線沒有射向光屏的后方，但光屏的其他方位呢？所以，為了提高本實驗探究的嚴密性，筆者是利用如下創(chuàng)新實驗組織教學。

3.2? 實驗改進

3.2.1? 制作材料

鐵架臺、平底燒瓶、重垂線、橡膠塞、滴有牛奶的水、香、激光筆。

3.2.2? 制作方法

如圖9，將裝有適量水（水中滴加幾滴牛奶）的平底燒瓶固定在鐵架臺上，瓶內(nèi)掛有重垂線，起到法線的作用。瓶的兩側(cè)印有角度，用來測量折射時的入射角和折射角。

3.3? 實驗過程

（1）用香在平底燒瓶中添加煙霧。

（2）探究光從空氣斜射入水時角度的變化規(guī)律——用激光筆分別從瓶上方的不同角度，對準分界面與重垂線（法線）的交點入射，記錄入射角、折射角。

（3）探究光從水中斜射入空氣時角度的變化規(guī)律——改變激光筆的位置，讓激光分別從瓶下方不同角度，對準分界面與重垂線（法線）的交點入射，記錄入射角、折射角。

（4）探究光路可逆——用另一根激光筆逆著原來的折射光線射回去，觀察此時折射后的光線是否能和原來的入射光線重合。

3.4? 實驗創(chuàng)新

（1）制作簡單、成本低廉。

（2）將光的折射現(xiàn)象呈現(xiàn)在立體空間內(nèi)，拓展學生的空間思維能力。

（3）可視性高，可以讓各個方向的學生都能觀察到清晰的實驗現(xiàn)象。

結(jié)束語

課堂教學不僅要提高學生的學習成績，更重要的是要培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)，提高學生的科學思維。在課堂教學中巧用創(chuàng)新實驗，能夠使教師真正做到以學生為主體，引導學生在發(fā)現(xiàn)和探索問題的過程中，把握問題的實質(zhì)，增強探究體驗，激發(fā)創(chuàng)新能力，從而促使其科學思維得到發(fā)展。

參考文獻：

[1] 張娜.注重創(chuàng)新能力培養(yǎng)的中學物理實驗教學設(shè)計研究[D]. 長沙：湖南理工學院，2018.

[2] 黃玉婷.淺談如何在初中物理探究性實驗教學中開展小組合作學習[J].新課程（中學），2018（5）：148.

[3] 肖紫珍，廖婷.物理教學中空間形象思維能力的培養(yǎng)[J].中學物理教學參考，2018（14）：8-9.92F9E5FE-9192-4AB4-BECC-04D2DE2161A3