“高見度”實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的靈感策略研究

蔣德明 黃建林

(1. 河北省張家口市第十九中學(xué),河北 張家口 075000；2. 紹興市柯橋區(qū)蘭亭鎮(zhèn)中學(xué),浙江 紹興 312041)

物理實(shí)驗(yàn)特別是高見度創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)具有培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣、利于培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力、利于激發(fā)學(xué)生對物理的好奇心和求知欲等的作用.筆者通過調(diào)查、聽課等形式發(fā)現(xiàn),現(xiàn)在物理課堂上好多教師還在用一些過時(shí)的、方法不可取、操作不便、可見度低、成功率不高的演示實(shí)驗(yàn).他們也知道這些實(shí)驗(yàn)在課堂上教學(xué)的有效性很低,但又苦于找不到創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的靈感,對此,筆者通過實(shí)踐,找到了幾種高見度實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的靈感,供一線教師參考．

1 從實(shí)驗(yàn)缺陷中找靈感

無論是科學(xué)概念的建立,還是科學(xué)規(guī)律的探索與驗(yàn)證,都離不開實(shí)驗(yàn)．實(shí)驗(yàn)在物理教學(xué)上有著不可替代的作用,教科書上好多知識(shí)也都是通過實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行建構(gòu)和承載的,但書上有的實(shí)驗(yàn)如晶體的熔化與凝固,水的沸騰實(shí)驗(yàn)等,本身在方法上或設(shè)計(jì)上或操作上就存在著缺陷,使得學(xué)生很難得出正確的結(jié)論或基本的規(guī)律,甚至根本看不到我們所要的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象．

案例1.晶體熔化與凝固實(shí)驗(yàn).

圖1 晶體熔化實(shí)驗(yàn)

(1) 實(shí)驗(yàn)存在的缺陷及導(dǎo)致的結(jié)果.

① 北師大版上的海波熔化實(shí)驗(yàn)耗時(shí)較長,又由于海波熔點(diǎn)較低,而加熱時(shí)水浴溫度較高,導(dǎo)致熔化過程一閃而過,根本得不出晶體熔化時(shí)溫度保持不變的規(guī)律．同時(shí),由于實(shí)驗(yàn)采用冷水加熱,導(dǎo)致時(shí)間過長,嚴(yán)重影響教學(xué)進(jìn)度．

② 有的版本如華師大版上的晶體熔化用的材料是用冰來代替海波的,用冰代替海波做這個(gè)實(shí)驗(yàn),雖然固液共存態(tài)比較明顯,而且熔化時(shí)溫度保持不變的規(guī)律也很容易得出,但這個(gè)實(shí)驗(yàn)往往存在二個(gè)問題,一是因?yàn)楸亲匀粻顟B(tài)下熔化,所以時(shí)間也很長;二是因?yàn)樽鲞@個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)往往是夏天,水凝固成冰這個(gè)實(shí)驗(yàn)不成功．

(2) 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)措施.

針對這個(gè)實(shí)驗(yàn)可以從二方面來進(jìn)行改進(jìn).第一種方法:加料法．針對水浴溫度高,而海波熔化過程一閃而過的現(xiàn)象,經(jīng)分析,可以讓海波熔化過程慢下來,即在試管里放入更多的海波,約為大試管容積的1/3;計(jì)時(shí)間隔稍短一些,教材上采用的是30 s,建議每10-20 s,比如15 s讀數(shù)一次,并記錄海波熔化的情況,及固液變化的情況．熔化之后,教師一邊引導(dǎo)學(xué)生歸納總結(jié)海波熔化的特點(diǎn),一邊讓海波慢慢冷卻,節(jié)省時(shí)間．第二種方法:控溫法．針對水浴加熱溫度升溫太快,可以用控溫法,把水浴的溫度控制在一定的范圍內(nèi),即當(dāng)水浴溫度到達(dá)55℃時(shí)撤去下面的酒精燈,溫度下降到51℃時(shí)再繼續(xù)加熱．[1]

當(dāng)教科書上的實(shí)驗(yàn)存在缺陷時(shí),包括操作性、安全性、成功性、可見度等某一方面導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)論難得出或易失敗時(shí),我們就要對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行大膽改進(jìn).當(dāng)然對于上面的實(shí)驗(yàn),如果能從方法上來改進(jìn)的,盡量用方法上改進(jìn).這樣既可以保留原教材實(shí)驗(yàn),又能提高實(shí)驗(yàn)的成功率,但當(dāng)實(shí)驗(yàn)缺陷太大,無法從方法上進(jìn)行改進(jìn)時(shí),就要把整體進(jìn)行改進(jìn).利用身邊的生活器材開發(fā)高見度實(shí)驗(yàn),來彌補(bǔ)教材中的實(shí)驗(yàn)不足,提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)有效性．

2 從思維難點(diǎn)中找靈感

物理學(xué)科的素養(yǎng)中要求學(xué)生理性思維、批判質(zhì)疑、勇于探究．而理性思維最直接的培養(yǎng)途徑就是通過實(shí)驗(yàn)．但教科書上有幾個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)置太難,如覆杯實(shí)驗(yàn),有的甚至沒有實(shí)驗(yàn),如靜摩擦力和滑動(dòng)摩擦力的大小比較等.這些實(shí)驗(yàn)太過抽象,思維含量過高,使學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中感到焦慮,不利于學(xué)生思維習(xí)慣的形成和批判性思維的養(yǎng)成．

案例2.覆杯實(shí)驗(yàn).

(1) 思維難點(diǎn)和導(dǎo)致的結(jié)果.

教師在演示覆杯實(shí)驗(yàn),當(dāng)把盛滿水并在杯子口放上一張紙板的杯子倒過來時(shí),說是因?yàn)榇髿鈮旱拇嬖诙辜埌鍥]有掉下來．但在學(xué)生的回答中,有好多人認(rèn)為是水粘著下面的紙板,從而使紙板沒掉下來,要說是大氣壓壓著紙板,他們腦中怎么也轉(zhuǎn)不過彎．如果這時(shí)不及時(shí)糾正他們的錯(cuò)誤前概念,不引發(fā)他們的認(rèn)知沖突,導(dǎo)致的結(jié)果是以后碰到類似的情況還會(huì)說是因?yàn)樗鸭埌褰o吸?。⑶以谝院蟮恼n堂中,學(xué)生會(huì)推測教師需要的答案,而言不由衷,說出來的不是他們的真實(shí)想法．

圖2 覆杯實(shí)驗(yàn)

(2) 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)及措施.

弄一根玻璃管,上端用橡皮塞塞住,并在中間打個(gè)孔,裝個(gè)玻璃活塞,如圖2所示.當(dāng)學(xué)生說下面的紙板是水吸住時(shí),教師只要把上面的玻璃活塞撥掉,紙和水都掉下來了．

案例3.靜摩擦力和滑動(dòng)摩擦力的關(guān)系.

(1) 思維難點(diǎn)和導(dǎo)致的結(jié)果.

在教師講到用力推桌子,推不動(dòng),再用幾次力后,終于推動(dòng)了桌子,問學(xué)生前后的摩擦力分別是什么,哪個(gè)大?學(xué)生回答為前面的不動(dòng)時(shí)為靜摩擦力,后面為滑動(dòng)摩擦力,靜摩擦力小于滑動(dòng)摩擦力．學(xué)生的理由是:不動(dòng)時(shí),我用力不大,所以摩擦力不大,而動(dòng)時(shí)用力大,摩擦力大．教師告訴學(xué)生,是最大靜摩擦力大于滑動(dòng)摩擦力．學(xué)生無奈接受教師的結(jié)論,但心理認(rèn)為他們自己想的是正確的,因?yàn)樯罱?jīng)驗(yàn)就是這樣的．教師這樣的結(jié)論會(huì)導(dǎo)致學(xué)生對結(jié)論半信半疑,而且對結(jié)論產(chǎn)生疑惑時(shí),不用實(shí)驗(yàn)去解決,以后慢慢會(huì)失去實(shí)證意識(shí)和實(shí)證精神．

(2) 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)及措施.

用一個(gè)拉力傳感器,一個(gè)小木塊,一塊木板,一個(gè)鐵架臺(tái),如圖3所示,把傳感器固定在鐵架臺(tái)上,然后用數(shù)據(jù)線聯(lián)接電腦,在電腦上調(diào)零．然后用手慢慢地拉著下面的木板從靜止開始向左運(yùn)動(dòng)．這時(shí)在電腦上就會(huì)自動(dòng)繪制如圖3所示的圖形,分析圖形可知,滑動(dòng)摩擦力小于最大靜摩擦力．

(a) (b)

碰到類似像覆杯實(shí)驗(yàn)與靜摩擦和滑動(dòng)摩擦這樣比較抽象且思維難度高的實(shí)驗(yàn)時(shí),就需要對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn),積極開發(fā)一些成本低、探究性強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)．特別是碰到數(shù)據(jù)難采集或一般實(shí)驗(yàn)難以勝任時(shí),我們可以用DIS(現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)技術(shù)數(shù)字化信息系統(tǒng)),用傳感器等這些實(shí)驗(yàn)化儀器為物理教學(xué)服務(wù),使得實(shí)驗(yàn)由定性變定量,提高實(shí)驗(yàn)的可見度、可信度、可探度等．

3 從“平行”實(shí)驗(yàn)中找靈感

所謂“平行”實(shí)驗(yàn),其實(shí)就是一般的探究性且有多個(gè)變量的實(shí)驗(yàn),如在探究壓力產(chǎn)生的作用效果跟什么因素有關(guān)的實(shí)驗(yàn),書上用的是通過用一個(gè)椅子正放時(shí)和倒放時(shí)的,以及加不加砝碼來進(jìn)行比較的如圖4所示.有的參考書上是通過在一張白紙上放一塊磚,通過這塊磚的正放,倒放,側(cè)放來比較的．

圖4 壓力的作用效果實(shí)驗(yàn)

案例4.影響壓力的作用效果實(shí)驗(yàn).

(1) 實(shí)驗(yàn)問題和導(dǎo)致的結(jié)果.

用沙子做實(shí)驗(yàn),效果不明顯,而且一個(gè)砝碼比較不出沙子凹陷程度,即無法比較壓力大小對壓力的作用效果的影響,同理受力面積大小對壓力的作用效果的影響也不明顯．導(dǎo)致的結(jié)果是結(jié)論不正確或出現(xiàn)假探究,最后的結(jié)論抄書上的．

(2) 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)及措施.

豎井掘進(jìn)機(jī)的偏斜控制系統(tǒng)工作原理如圖3所示，包括測斜系統(tǒng)和糾偏系統(tǒng)。測斜系統(tǒng)由位移測量系統(tǒng)和姿態(tài)測量系統(tǒng)組成。位移測量系統(tǒng)包含井筒上部的激光發(fā)射器和掘進(jìn)機(jī)上部的PSD光電位移傳感器平板，可以從光電傳感器平板讀取豎井掘進(jìn)機(jī)軸線與井筒設(shè)計(jì)軸線的偏斜量；姿態(tài)測量系統(tǒng)包含2個(gè)高精度角度傳感器，可實(shí)時(shí)監(jiān)測豎井掘進(jìn)機(jī)主軸傾角。

圖5 壓力的作用效果改進(jìn)實(shí)驗(yàn)

可以改成如圖5所示的實(shí)驗(yàn),下面放一塊木板,在木板上訂了一些鐵釘(把鐵釘適當(dāng)磨平一點(diǎn)),上面放一塊木板．這時(shí),可以看到,有鐵釘那邊氣球明顯比上面木板的那邊形變厲害.這說明壓力的作用效果跟受力面積有關(guān).在壓力一定時(shí),受力面積越小,壓力的作用效果越明顯．保持面積不變,讓學(xué)生還是觀察下面跟鐵釘接觸的那氣球面,在上面壓一點(diǎn)力,可以明顯看到,形變更強(qiáng)了．這說明:受力面積一定時(shí),壓力越大,壓力的作用效果越明顯．

當(dāng)碰到好多平行實(shí)驗(yàn)時(shí),特別是需要很多儀器的那種實(shí)驗(yàn),我們可以把這些平行實(shí)驗(yàn)整合起來,如像上面研究的影響壓力作用效果的實(shí)驗(yàn),還有像研究摩擦力實(shí)驗(yàn)時(shí),使得碎片化實(shí)驗(yàn)成整體化實(shí)驗(yàn),不但可以減少儀器和材料,同時(shí)大大提高了實(shí)驗(yàn)效果．當(dāng)然在制作選材時(shí),我們可以尋求低成本的生活器材,來自制教具,使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯且利于比較,提高教學(xué)效率．

4 從習(xí)題資源中找靈感

習(xí)題是為了鞏固學(xué)生學(xué)科知識(shí),通過習(xí)題的練習(xí)加深對知識(shí)的理解,形成技能、技巧和思維的能力,同時(shí)提高學(xué)生應(yīng)用學(xué)科知識(shí),解決實(shí)際問題的能力．但好多習(xí)題過于抽象,初中學(xué)生形象思維能力比較強(qiáng),而抽象思維能力相對較弱,為了降低習(xí)題的難度,我們可以通過分析習(xí)題,開發(fā)相應(yīng)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn),來降低學(xué)生的思維難度,化抽象為形象．

案例5.重1 N的水可以產(chǎn)生的最大浮力為

(A) 一定小于1 N. (B) 一定大于1 N.

(C) 一定等于1 N. (D) 可以大于1 N.

(1) 習(xí)題的思維障礙和導(dǎo)致的結(jié)果.

這個(gè)題的思維障礙在于學(xué)生對排開和排掉兩個(gè)概念存在一定的混淆,在學(xué)生的前概念中,排掉和排開是同一概念,哪怕教師在演示浮力大小實(shí)驗(yàn)時(shí)也無形中誤導(dǎo)學(xué)生這二個(gè)概念是一樣的．最終導(dǎo)致的結(jié)果,既然水是1 N,那么最多可以排掉的水就是1 N,所以產(chǎn)生的最大浮力想當(dāng)然就是1 N,[2]很多學(xué)生的答案是選(C)的．

如圖6所示,找2個(gè)一次性塑料杯,在甲中倒入1 N的水,在乙杯中倒入大于1 N的水,如3 N左右并滴入幾滴紅墨水(便于區(qū)分是甲杯中的水還是乙杯中的水),然后把乙杯放入甲杯中,學(xué)生看到乙杯是漂浮在甲杯水中的.通過受力分析,可以知道1 N的水產(chǎn)生的浮力可以大于1 N,至于大到多少.這個(gè)可以拓展,讓學(xué)生說可以到多少.通過分析得出,如果甲和乙之間的間隙只有一層水膜時(shí),這個(gè)值可以很大．還要進(jìn)一步拓展,如果不用乙來做這個(gè)實(shí)驗(yàn),可以用什么來代替,學(xué)生討論發(fā)現(xiàn),可以用一個(gè)可以漂浮的圓柱體,但這個(gè)圓柱體的直徑要小于甲杯的直徑,重量要大于1 N,也可以用一些直徑小于甲杯的一些小瓶子(如奶瓶)做這個(gè)實(shí)驗(yàn)．

圖6 1 N產(chǎn)生多大的壓強(qiáng)實(shí)驗(yàn)

案例6.摩擦力類型題.

圖7 摩擦力類型題

如圖7所示,在甲圖的A上和乙圖的B上都施加一個(gè)水平向右的一個(gè)拉力,使得他們水平向右做勻速直線運(yùn)動(dòng),問A與B的摩擦力的有無及方向?

(1) 習(xí)題的思維障礙和導(dǎo)致的結(jié)果.

在A物體上用F的拉力和在B物體上用F的拉力,對于學(xué)生來說都差不多,他們認(rèn)為都有摩擦,要么都認(rèn)為沒有摩擦,即使認(rèn)為有摩擦但不知道方向如何,因?yàn)檫@種題目是要通過受力分析才能分析出來,但對于剛學(xué)摩擦力的初中學(xué)生來說,沒有給他們搭建一個(gè)好的“腳手架”,思維出現(xiàn)障礙.像這樣的題目,即使教師講過,學(xué)生也是似懂非懂狀態(tài),長此以往,會(huì)對這種題目感到困惑而失去信心,甚至對物理學(xué)科失去信心．

(2) 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)措施.

如圖8用一把毛刷和一個(gè)本子(最好是封面粗糙一點(diǎn)的),把毛刷放在本子上(注:忽略毛刷因?yàn)樽陨碇亓κ姑冃?.當(dāng)它放在本子上,讓學(xué)生回答這時(shí)毛刷跟本子之間有沒有摩擦力．學(xué)生馬上就能說出是沒有摩擦力的,因?yàn)樗麄冎栏鶕?jù)毛的形變來判斷摩擦力的有無和方向．接著用手拉著本子水平向右做勻速直線

運(yùn)動(dòng),學(xué)生根據(jù)毛的形變情況,得出沒有摩擦力．把刷子看作物體A,把本子看作物體B,通過建立一個(gè)抽象模型后就變成了圖．同理,在刷子上水平向右作用一個(gè)拉力(如圖9所示),讓學(xué)生判斷摩擦力的有無及大小,學(xué)生根據(jù)毛的形變及方向,馬上能得出結(jié)論．如果把刷子看成是一個(gè)物體,把本子看成是傳送帶,我們又可以研究傳送帶上的物體的摩擦力隨傳送帶的運(yùn)動(dòng)狀況變化的變化情況(注:做這個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí),那毛刷的毛最好長點(diǎn)、軟點(diǎn),這樣實(shí)驗(yàn)效果會(huì)更好)．

圖8 毛刷靜止在本子上

圖9 毛刷受到一個(gè)水平向右的拉力作用

我們可以通過習(xí)題,特別是學(xué)生難理解的、比較抽象的類型題時(shí),可以開發(fā)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn),給學(xué)生一個(gè)理解的“腳手架”,通過習(xí)題教學(xué)中引人科學(xué)實(shí)驗(yàn),化抽象為形象,化繁為簡,化難為易,使得實(shí)驗(yàn)跟習(xí)題有效融合起來,用實(shí)驗(yàn)來突破習(xí)題難點(diǎn),[3]并用實(shí)驗(yàn)特有的現(xiàn)象使結(jié)論更有說服力．在難題中應(yīng)用創(chuàng)新實(shí)驗(yàn),使得本來枯燥的物理習(xí)題不再枯燥,相反,學(xué)生還特喜歡這樣的習(xí)題.在以后碰到這樣的習(xí)題時(shí),他們會(huì)自己設(shè)計(jì)并制作創(chuàng)新實(shí)驗(yàn).通過習(xí)題創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的制作,不但理解了習(xí)題蘊(yùn)含的物理知識(shí),還培養(yǎng)了學(xué)生的興趣和動(dòng)手能力．

實(shí)驗(yàn)是為教學(xué)服務(wù)的,在課上和課外,當(dāng)學(xué)生學(xué)習(xí)有難度或錯(cuò)誤前概念很難打破時(shí),應(yīng)積極地想盡一切辦法,改進(jìn)一些實(shí)驗(yàn),也包括創(chuàng)新一些小實(shí)驗(yàn),用實(shí)驗(yàn)強(qiáng)有力的視覺沖擊,引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突.通過實(shí)驗(yàn),引導(dǎo)學(xué)生理性思維、積極探究、勇于質(zhì)疑．當(dāng)然在創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)時(shí),適當(dāng)?shù)貙滩牡木幣胚M(jìn)行一定的重組,這也是我們值得思考的問題,真正做到用教材而不是教教材,為提高物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)有效性而努力．