從實驗方法的角度引導學生自主設計實驗

郭梅帶

(廣東省中山市中山紀念中學火炬一中, 廣東 中山 528400)

《義務教育物理課程標準(2022年版)》中提出:“引導學生經歷科學探究過程,學習科學研究方法,培養科學思維習慣,進而學會學習……”.由此可見,“引導學生自主設計實驗并進行實驗”在新課程改革的背景下已是迫在眉睫[1].筆者結合自己多年的教學實踐,將從多種實驗方法的角度來引導學生自主設計實驗展開討論.

1 從控制變量法的角度,引導學生進行自主設計實驗

控制變量法是科學探究中的重要思想方法,它在物理學的科學探究和科學實驗中應用特別廣泛.控制變量法是指:在研究某個問題(如物理量等)與兩種或兩種以上因素的關系時,每次只改變一個因素,其他因素保持不變,通過分析這個改變的因素與所研究問題之間的關系,再綜合分析得出結論(或規律).

例如在“研究液體壓強大小的實驗”活動中,學生猜想:①可能跟浸入液體的深度有關;②可能跟液體密度大小有關;③可能跟方向有關.要驗證上述猜想是否正確,如何設計實驗呢?先讓學生討論,然后教師引導提問:怎樣判斷液體壓強大小?要驗證猜想①該怎樣做?要驗證猜想②又如何設計?引導:要用兩種液體,只改變液體密度,而控制深度和方向均不變;要驗證猜想③就要控制液體密度和深度不變,只改變橡皮膜的方向做實驗.引導學生分析后選擇器材:兩種或以上密度不同的液體、液體壓強計、燒杯.通過教師恰當的引導,學生就能設計出完整且科學合理的實驗方案,在設計實驗的過程中又兼顧了思維方法.通過以上問題的提出和分析討論,學生對整個設計實驗的過程和方法都有了清晰的認識,接下來的實驗和收集數據就相對容易完成,也為接下來的科學探究過程奠定了基礎.

2 從轉換法的角度,引導學生進行自主設計實驗

在保證效果不變的前提下,物理學中對于一些看不見摸不著的現象或不易直接測量的物理量,通常用一些非常直觀的現象去認識或用易測量的物理量間接測量,這種研究問題的方法叫轉換法.

初中物理利用轉換法進行實驗探究的實例很多,例如探究阻力對物體運動的影響實驗中,引導學生通過小車在不同表面上運動的距離來反映阻力對物體運動的影響情況,探究電磁鐵磁性的強弱實驗中,引導學生通過吸引大頭針的多少來反映磁性強弱,探究影響壓力作用效果的因素實驗中,利用小桌陷入海綿的深度來判斷壓力的作用效果等.在上述測液體壓強大小與什么因素有關的實驗中,我們將液體的壓強轉換成我們能看到的液柱高度差的變化.再如,在探究不同物質吸熱情況的實驗中,水和食用油吸收熱量的多少無法直接觀測和比較,在引導設計實驗過程中如何將“兩種物質吸收熱量的多少”反映出來,這就需要用到轉換法.首先引導學生思考選擇的加熱器是相同還是不相同?為什么選相同?學生就會思考到:選規格相同的電加熱器目的是使水和食用油每秒鐘吸收的熱量相同.因此,學生在設計實驗時自然就想到物質吸熱的多少轉換成加熱時間的長短來表示.接著,再進一步引導學生思考:如何判斷物質的吸熱能力?學生討論得出結果:①加熱相同的時間,比較升高的溫度;②升高相同的溫度,比較加熱的時間.通過這樣引導學生思考,轉換的思維方法得到訓練,學生自主設計實驗的能力也同時提高.

3 從比值替換法的角度,引導學生進行自主設計實驗

很多測量型的實驗設計需要用比值替換法來思考.在引導學生設計實驗時,教師提出疑問:實驗中要測量的物理量如果無法直接測量應該怎么辦?引導學生改變角度,用另外兩個可以直接測量的物理量之“比”來替換這個難以直接測量的物理量,在初中物理實驗中的電阻、功率、壓強、密度、速度等物理量的測量,都應用了比值替換法.

例如,在“伏安法測小燈泡的電阻”實驗中,學生實驗器材中沒有測量電阻的電阻表這個儀器,教師引導學生思考要根據現有的實驗器材或能夠直接測量的物理量來替換小燈泡的電阻這個物理量.教師可以提出以下問題來引領學生思考,并自主設計完整的實驗方案.①這個實驗的實驗原理,即電阻的計算公式是什么?②根據這個公式,要測出小燈泡的電阻,需要測出相關的物理量有哪些?③測這兩個物理量需要用到什么儀器?④在什么條件下測出的電阻才是小燈泡的額定電阻?⑤如何改變小燈泡兩端的電壓?我們需要用到什么實驗器材?⑥滑動變阻器與小燈泡是串聯還是并聯?最后要求學生根據上述提示,來設計測量小燈泡電阻的電路圖和實驗方案,并依據設計的電路圖連接實驗器材完成測量.教師通過循序漸進的設問,指引學生巧妙深入地探究,使學生逐漸認識到如何依據實驗原理中需要測量的物理量來進行實驗設計.同時,學生在思考要素的過程中,也能對實驗設計方法有完整且清晰的認識,自然形成了分析問題的方法.

4 從等效替代法的角度,引導學生進行自主設計實驗

研究某一個物理現象和規律時,在保證某種效果(特性和關系)相同的前提下,將實際的、陌生的、復雜的物理問題和物理過程用等效的、簡單的、易于研究的物理問題和物理過程來代替研究和處理的方法得到結論,這種方法叫“等效替代法”[2].此方法如果運用恰當,不僅能簡化研究問題,更容易得出結論,而且易被學生接受和理解.

例如在“測量固體的密度”實驗中,小礦石的體積不規則,不能直接用公式計算出它的體積,從數學的角度難以測量.教師可以引導學生討論得到小礦石所占空間大小就是它的體積,并得出用液體的體積來等效替代固體的體積.具體做法是:學生先用量筒測出一部分水的體積,然后把細線系好的小礦石緩慢放入裝水的量筒中,所增加的體積就等于小礦石的體積.采用等效替代法測量的體積簡潔而精確.在初中物理課堂上,教師應有意識地培養和發展學生的等效替代思維,這樣有利于提升學生對物理現象和問題實質的理解,同時也有助于物理課堂教學目標的達成.另外,應用等效替代法有助于培養學生的科學思維和激發學生科學探究的欲望,提升學生的物理學科核心素養.

5 從對比法的角度,引導學生進行自主設計實驗

初中物理更多的是視覺認知,物理教材中有大量演示實驗和學生實驗,這些實驗的結論大部分都是通過對比法得出的:通過實驗現象的對比提出猜想,通過改變前后的條件,對比實驗現象,得出結論.

例如,探究“阻力對物體運動的影響”實驗,牛頓第一定律的內容與學生日常生活體驗的認知完全相反,為了讓學生更快地理解并通過實驗探究得出牛頓第一定律,如圖1所示,通過在斜面相同高度滑下的同一小車,對比小車在鋪毛巾、鋪棉布以及鋪玻璃表面滑行距離的長短,引導學生得出小車滑行過程中受到的阻力越小,運動的距離越長.引導學生進一步推理出在理想狀態下:如果小車在絕對光滑的水平面上運動,即沒有受到任何阻力的情況下,小車將會一直運動下去,即保持勻速直線運動狀態不變.讓學生在對比中得出結論,符合新課改讓學生在自主學習、探究學習和交流合作中 ,經歷知識獲取的過程.

6 從放大法的角度,引導學生進行自主設計實驗

有些實驗現象我們能看到,但是不容易觀察,我們需要將產生的效果進行放大再進行研究.

例如,正在發聲的音叉其震動難以觀察,教師可以先讓學生觸摸發聲的音叉,感受發聲的物體在震動,接著演示把震動的音叉放進水中,讓學生觀看水被濺起,引發學生思考:如何把微小的音叉震動放大?學生很容易想到利用乒乓球或小泡沫球將現象放大.發聲的音叉輕觸系在細繩上的乒乓球,球被彈起說明音叉正在振動,用力敲音叉響度大,乒乓球彈的遠,輕敲音叉響度小,彈的近,說明響度大小與振幅有關.再如,觀察壓力對玻璃瓶的作用效果時我們將玻璃瓶密閉,裝水,插上一個細玻璃管,將玻璃瓶的形變引起的液面變化放大成細玻璃管液面的變化.放大法與比較法一樣,也是物理實驗中最普遍、最基本的實驗方法之一.

7 綜合運用多種研究方法,引導學生進行自主設計實驗

除了上述討論到的實驗方法外,初中物理實驗教學中還會用到很多其它方法,例如圖像法、模型法、科學推理法等.有些比較復雜的物理問題,不能用一種方法來解決,而要用到多種物理研究方法.

例如,在“探究電磁鐵磁性的強弱”教學中,難點是電磁鐵磁性的強弱怎么體現?學生猜想出電磁鐵磁性強弱可能跟電流大小和線圈匝數有關后,引導學生思考:

(1)如何判斷電磁鐵磁性的強弱?讓學生明白在這個實驗中要用到兩種探究方法:控制變量法和轉換法.當研究電磁鐵磁性的強弱跟電流大小的關系時,要控制線圈匝數相同;當研究電磁鐵磁性的強弱跟線圈匝數的關系時,要控制電流大小相同;而電磁鐵磁性的強弱不能直接看出,如何判斷強弱?通過每次實驗的引導,學生很容易就能想到通過吸引大頭針的數量來反映.

(2)要選用哪些實驗器材?引導學生思考:實驗時,怎樣改變電流大小?(串聯滑動變阻器來調節);改變線圈匝數時又如何保持電流相同?(把兩個電磁鐵串聯),而保持電流相同時又如何改變線圈匝數?(用兩個匝數不同的電磁鐵).通過以上引導分析,學生容易正確地選擇實驗器材.讓學生掌握物理研究方法,容易明白制定計劃與設計實驗的整個過程,順利完成實驗.

通過多種實驗方法從多方面引導,讓學生去經歷過程,是做好實驗教學的第一步,也是培養學生自主設計實驗能力的關鍵一步.初中物理教學中要增強物理實驗教學,注重培養學生的探究能力,使學生由被動的“要我學”轉變為主動的“我要學”,使學生的思維能力、實踐能力和探究能力得到真正的提高,最終提升學生的綜合能力.