注重实验过程教学 培养学生创新能力

闫增宁 田成良

(1. 唐山市开滦一中,河北 唐山 063000; 2. 海淀区教师进修学校,北京 100080)



注重实验过程教学 培养学生创新能力

闫增宁1田成良2

(1. 唐山市开滦一中,河北 唐山 063000; 2. 海淀区教师进修学校,北京 100080)

理想的科学教育应是沿着前人的足迹,重演科学知识探究的过程,让学生亲历知识形成的过程,才会符合学生的认知水平．实验是物理教学的基础,在仪器教学中要从仪器的制作需求开始,以解决问题为主线,亲历仪器制作过程,才能培养创新能力;在经典实验的教学中,要让学生亲历实验设计和改进的过程,感悟科学家们勇于攀登,不怕失败的科学精神,才能提高科学素养．

仪器制作; 实验教学; 创新能力

物理教学的关键是优化教学过程,以过程为主线,让学生亲历知识形成的过程,才能符合学生的认知水平．在物理仪器的教学中,教师一般仅注重仪器的原理、结构和使用等内容,忽视仪器发明创造的过程,以至于学生的思维得不到发散,创造能力得不到锻炼,对仪器的巧妙作用或特殊功能没有深刻的认识．所以,仪器教学要从制作需求开始,创设物理问题情境,以解决问题为主线,亲历仪器制作过程,发散学生思维,培养创造能力．一些物理经典实验设计非常巧妙,能简洁地解决物理问题,是前人智慧的结晶,在经典实验的教学中,也要让学生亲历实验设计和改进的过程,感悟科学家们勇于攀登,不怕失败的科学精神,抓住物理学科的本质,提升学生的科学素养．

1 遵循仪器制作过程,培养创新能力

在物理仪器教学中,不仅要学习仪器的使用方法,更要注重培养学生的创新能力,解决问题的能力．按照学生的认知,搭建思维台阶,层层递进,逐步讲清制造过程,渗透科学方法,培养不怕困难,追求真理的科学精神．

1.1 多用电表

欧姆表一个重要的物理仪器,学习欧姆表不仅仅是掌握其测量原理、注意事项等问题,更要让学生经历电表的改装过程,具体教学过程如下.

(1) 抓住认知起点,引入探究问题.

根据“伏安法”测电阻的知识,可知测未知电阻,需要电流表测电流,用电压表测电压,利用公式R=U/I求出未知电阻,这种测量属于间接测量，实验结果需要通过计算得出.此时可以设置以下问题:能不能找到一种简单的测量方法,直接测量电阻呢?

(2) 利用已知电阻,渗透替代思想.

图1

在图1所示的电路中,调节电阻R0,接入未知电阻Rx,若电流表的示数为I,为了确定电阻Rx的大小,可用电阻箱替代Rx,调节电阻箱也使电路中的电流示数为I．这时Rx的电阻就等于电阻箱的连接的电阻大小．按照这个思路,在电路中接入不同的电阻(已知),电路中就会有不同的电流,当电路中接入未知电阻时,根据电流表所指示数,就可以确定未知电阻的大小．

(3) 经历替代过程,体会改装原理.

按照以上思路,在图1所示的电路中接入电阻箱,改变电阻箱的阻值,分别读出电流表的示数,并在对应的电流表的示数上标上电阻的值,依次连接电阻的刻度线,就会形成如图2所示的一个电阻的刻度盘,此刻度盘与电流的示数一一对应．这种经历调节电阻,读电流示数,画出刻度线的系列操作,能让学生深刻体验改装欧姆表的过程,欧姆表的表盘是如何刻画出来的,从而理解整个改装过程．

图2 制作欧姆表盘

(4) 通过实践检验,总结测量技巧.

利用改装的欧姆表,分别测量已知电阻的大小(覆盖阻值标记),20Ω、150Ω、1000Ω的电阻．当把这些电阻接到改装的电表中时,接20Ω电阻时,指针在表盘的右端,接1000Ω电阻时指针在表盘的左端,发现这两个电阻的示数与真实值差别较大;接50Ω电阻时,指针在刻度盘的中间,与真实值相差较小．由此可见,测量电阻时,应使指针在表盘的中间位置,以便减小误差．由以上改装和测量总结出欧姆表表盘的特点: 零刻度在右边,左边为无限大，刻度顺序与电流表、电压表的刻度顺序相反； 刻度不均匀．

(5) 基于实际问题,突破调零难点.

对于上面测量中出现的问题,20Ω和1000Ω的电阻,由于不在表盘的中间,误差较大．如何解决以上问题,如何使不同阻值的指针都能呈现在刻度盘的中间位置,从而提高测量的精确度?此时,教师可以让学生观察图3并思考:指针指在刻度盘的中间位置代表什么?换用不同的电阻,指针指示相同又说明什么?如何能实现以上想法?从而引导学生理解电路中接入不同电阻,调节滑动变阻器R0能使电流保持不变,从而理解每次测量不同电阻,都需要调零,才能提高测量的准确度．

图3

(6) 多种电表整合,凸显科学智慧.

由于电流表和电压表的改装过程及原理已在前面学习,所以分析完欧姆表的改装后,可以进行全面回顾,总结电流表、电压表、欧姆表都是在一个电流表的基础上进行的改装,示数都是由电流表的指针偏转而实现,连接方式不同,电流表所起的功能不同．为方便测,可以把电流表、电压表、欧姆表进行整合,利用切换的方式进行转换,实现电流、电压、电阻的测量．在以上基础上,再介绍多用电表的读数、使用及注意事项等问题．

1.2 滑动变阻器

滑动变阻器是电路中的核心仪器,能方便地调节电压、电流,对电路有着重要保护作用,它是前人解决改变电阻大小时的智慧结晶．具体教学过程如下.

(1) 创设情境,引入主题.

图4

小明学习时需要台灯亮一些,看电视时需要灯暗一些,如何才能使实现这一设想呢?在电路电压不变的情况下,若能改变电路中的电阻可解决这一问题．利用小灯泡、干电池、开关、铅笔芯、导线等器材,完成如图4的实验,演示灯泡亮度变化的过程．由此总结,改变导体长度是改变导体电阻的有效方法,从而引入本节主题．

(2) 搭建台阶,引领思维.

若由以上实验直接引入滑动变阻器,则思维跨度太大,学生并不能真正掌握滑动变阻器的工作原理．可逐渐搭建思维台阶,引领学生的思维,让学习过程更符合学生的认知水平．

① 由直线到曲线.

图5

在图4实验中,若需得到更大的电阻,怎么办?学生自然会想到继续增加电阻丝的长度,可出示一根2m左右的电阻丝,显然操作不方便,受电缆线的启示(如图5所示),可把电阻丝绕起来使用．

② 由导体到绝缘体.

图6

依据以上思路,按图6所示,把电阻丝接在电路中,尝试改变灯泡的亮度,发现改变线圈电阻丝在电路中的长度,灯泡的亮度变化并不明显,这是什么原因呢?让学生观察直导线和线圈有什么变化,学生发现电阻丝是导体,绕成线圈后相互接触,成为一个阻值较小的大线圈,可见这种方式并不能有效改变电阻的大小．

③ 由绝缘再到导通.

如何解决以上绕线电阻变小的问题呢?学生自然会想到给电阻丝“穿上”绝缘外衣．然后把图7所示的线圈接入电路中,改变线圈长度,灯泡的亮度变化不明显,不能改变电阻的大小．这是因为线圈完全封闭绝缘,滑动改变电阻的长度,并不能接入电路．于是引导学生,在线圈中刻画一条便于接触的凹槽,如图8所示,便可解决以上问题．

图7

图8

④ 由粗糙到精细.

图9

按图8所示,制作的滑动变阻器,导线的绝缘层相对较粗,易造成线路接触不良,因此常用漆包线代替带有绝缘层的导线．所谓漆包线是在电阻丝上镀一层绝缘漆,代替普通导线的绝缘层．为增加滑片与线圈接触的稳定性,用横杆和支架固定滑片,用接线柱固定导线接头,这样就制作成实验用的滑动变阻器了,如图9所示．

在以上思维台阶的引领下,会更符合学生的认知规律,更有利于培养学生的创新能力和创新意识,更能抓住学科本质,培养学生的学科能力．

2 遵循经典实验设计,渗透科学精神

物理学中的一些经典实验,是前人智慧的结晶,能非常巧妙地突破实验难点,解决实际问题．学习中不仅要融入思维方法,还要体现不怕困难追求真理的科学精神．如托里拆利实验第1次测出了大气压的值,是研究大气压中的里程碑事件．但该实验相对抽象,在学习中学生常存在诸多疑点,如水银柱上方为什么是真空、水银柱为什么不下落、水银柱的压强为什么就等于大气压等问题?往往学生只能被动记忆,不会真正理解和掌握托里拆利实验的本质内容．若教师尊重学生的认知水平,注重知识形成的过程,结合具体生活事例,巧设问题,引领学生的思维,就能抓住知识的本质,突破以上问题．

问题1.水柱为什么不下落？

图10

在如图10所示的桶中装满水,然后倒立水槽中,水没有下落,而且充满整个水桶,向上缓慢提桶(桶口没有脱离水面),水仍然充满桶,水为什么不下落呢?

为了解答以上问题,可以用细玻璃管、橡胶管、注射器等器材进行实验,继续追问．

问题2.水柱为什么上升？

图11

(1) 取一根较长且两端开口的细玻璃管,竖直插入装有墨水的烧杯中,让学生观察管内外水面有什么关系?(如图11所示)并思考为什么?

生:管内外水面相平.

生:管内外的水面上方都跟大气接触,受到的大气压相等．

(2) 在细管的上端套上橡皮管,然后接上大注射器,用注射器抽出管中的一部分空气,用夹子把橡皮管夹住,有什么现象发生?

图12

生:管内水柱上升(如图12所示)．

图13

生:抽气时,抽走了管内部分空气,管内空气压强小于管外大气压,在大气压的作用下,水柱上升．

师:也就是说管内外气压的差支撑住了一定高度的水柱．

(3) 继续从管中抽气,管内水柱有什么变化,说明了什么?

生:水柱继续上升(如图13所示)．

生:管内外气压的差越大,可支撑的水柱更高．

(4) 如果不断从管中抽气,最终会产生什么情况呢?

生:继续抽气,最终会把管内的空气抽尽,玻璃管上方就没空气了．

师:管内没空气,就没有气压了,这时水柱的高度完全由外界大气压支撑着(假设管子足够长)．

师:这时管中水柱产生的压强与大气压有什么关系?

生:相等.

师:利用这个等量关系,能否测出大气压的值呢?

生:算出水柱产生的压强大小就等于大气压的大小．

问题3.为什么用水银代替水做实验？

以上是我们在实验的基础上进行的推理,实际上采用抽气的方法不可能将管内空气抽尽,比较可行的方法是“排气法”．

演示:取一根较长的玻璃管装满水,用手堵住管口后倒置在水槽中,大气压可以支撑很高的水柱．在测量水柱的高度,计算大气压的值时,非常不方便．有没有更好的方法减小液柱的高度呢?由p大气=p液体=ρ液gh可知,若想操作简单,在压强一定时,可以降低液柱高度,就必须增大液体的密度,液体密度最大的物质是水银,ρ水银=13.6×103kg/m3,可以利用水银代替水进行实验,测量大气压的值．

事实上早在1643年6月20日,意大利科学家托里拆利首先进行了这个实验(如图14所示),故称之为“托里拆利”实验．这个实验测出了1个标准大气压的大小为约760mm汞柱或10.3m水柱,这样就很自然地引入了托里拆利实验,也解决了学生的心中疑惑,为测量大气压的值奠定的了基础．

总之,物理教学的关键就是优化教学过程,以过程为主线,让学生亲历知识形成的过程,才能抓住物理教学的本质．物理实验教学要创设问题情景,用问题情境引入主题,顺着学生的思维搭建台阶,这样才能使学生的思维得到发展,创新能力得到锻炼,问题得到解决．相信,在物理教学中,若遵循知识形成的过程,一定会更符合新课标理念,能为实现学科育人奠定良好基础．

图14

1 赵忠兵，田成良.物理仪器教学要遵循制作过程[J].物理教学，2016(8)：30-31.

2 田成良.遵循知识形成过程 突破学生思维障碍[J]．中学物理教学参考，2015(9)：14-16.

2017-01-11)