初中物理实验的改进与创新

王燕红

(台州市路桥区新桥镇初级中学，浙江 台州 318055)

初中物理实验的改进与创新

王燕红

(台州市路桥区新桥镇初级中学，浙江 台州 318055)

科学是以实验为基础的学科．在科学课堂教学中,实验已经从从前的从属地位转变为一个重要的教学手段,但是教材实验存在一定的缺陷．因此教材实验创新的研究对提高学生的学科素养、创新能力尤为重要．笔者对教材中的部分实验进行了改进和创新,帮助学生针对抽象概念的形成、科学规律的得出、解决实际问题等难点进行突破,取得一定效果．

教材实验； 创新实验； 设计； 教学难点

2011版的浙教版《科学》教材中共有各类实验318个,新教材里的实验不仅在数量上有了大幅度的增加,而且内容取材新颖、生动活泼、趣味性强、贴近生活、适合于广大学校的普遍实施．教材中几乎每一节都设置了演示实验或学生实验.在实验的形式上,无论是演示实验还是学生分组实验、课外实验,则没有严格的界限,只是用“实验”、“活动”、“探究”来说明,给一线教师的教学提供了较大的自由度．但在实际教学中,有些实验步骤复杂、周期长,有些学校器材老旧,实验教学往往达不到理想的效果．因此,我们需要对教材中的一些实验进行改进和创新,使实验设计更加合理,步骤更加严谨,具有更好的可操作性．从而弥补一些课本实验设计的不足,便于学生更加直观地理解课本中的新知识,提高每个学生的科学素养．

1 化繁为简，帮助学生认知抽象概念

初中学生抽象思维和逻辑思维能力正在不断形成与发展,对抽象的概念还不易理解和接受．创新实验能为学生学习科学概念提供符合认知的环境,通过实验使科学现象反复再现,化无形为有形,使抽象的概念形象化,降低学习的难度,使学生通过最简捷的思维活动形成概念,从而突破知识本身的难点．

案例1.杠杆的力臂.

问题分析： 杠杆力臂概念比较抽象,学生潜意识把支点到力的作用点的距离当作力臂．为了解决这个问题,设计了如下两个实验．

改进实验1： 让学生体验力臂的大小．取一支铅笔,一端用绳子吊上钩码,中间系上细绳,另一端吊上橡皮筋,学生一手拿细绳,另一手分两次不同方向的力拉橡皮筋,为了使铅笔保持水平状态,体验两次拉的时候所用力的大小．学生体验到拉力大小不但跟支点与力的作用点的距离有关,还与拉力的方向有关，如图1所示．

改进实验2： 将直尺固定在飞镖盘上,代替杠杆,在直尺的左端挂上一定数目的钩码,在右侧尺子某一点用弹簧秤拉来保持杠杆平衡,改变弹簧秤拉力方向进行多次实验,每次读出拉力的大小同时,还测出支点到拉力作用点的距离以及支点到拉力作用线的距离,如图2盘上的同心圆的半径当力臂,并把数据列在表格里进行比较．

图1 拉力与方向关系

效果对比： 通过实验1的活动,学生感受了杠杆动力大小,拉力大小不但与拉力到支点之间的距离有关,还与拉力的方向有关．通过比较实验2所测的数据,学生会恍然大悟,拉力大小原来是由支点到拉力的作用线的距离决定的，只要支点到拉力的作用线的距离不变,其拉力的大小是不变的．由此得出力臂的概念,他们不但能画出各种力臂图示，也为杠杆的平衡条件、杠杆的应用打下了良好地基础．

在科学教学中有很多诸如比热、密度、压强等抽象的概念学生难以理解,教材设计的实验往往难以达到预设的效果,教师如果对这些实验进行改进,让学生参与体验,采用控制变量的方法测出多组实验数据,让学生在这些数据中发现规律,对前概念的有效转换将起重要作用．

2 步步为营，解决学生思维障碍

教师认为简单的推理,对于学生来说却可能存在很大的思维障碍．因为初中学生空间想象能力与抽象思维能力较差,需要用简单、直观的实验解决复杂、抽象的科学问题,从而有效培养学生学习兴趣、训练大脑思维和提高科学素养．通过学生参与动手实验创新,引导学生操作、观察,归纳概括而得出规律．通过实验使科学现象呈现,为学生创设思维的台阶,降低学生的学习难度,从而达到课标要求．正如美国心理学斯滕伯格说的“教育的最重要的目标就是引导学生的思维,这也是教育的最令人欢欣的目标．[1]”

案例2.做功改变内能.

问题分析： 做功改变内能,当压缩活塞,看到乙醚燃烧,给密封盛少量水的锥形瓶内充气,充到一定程度时,突然瓶塞跳起,瓶口出现白雾．学生存在思维难点:第一次接触乙醚,有学生可能认为压强增大导致乙醚燃烧,很难把压缩气体与容器中内能变化联系在一起．其次,学生认为给瓶内充气使其压强增大,压强大到一定程度后气体把塞子冲出,他们很难把白雾与内能变化联系在一起．

改进1： 在锥形瓶容器内放入温度传感器,相连的显示器在瓶外面,当给锥形瓶打气的时候,传感器上的温度显示器示数上升．当瓶塞跳起的时候,显示器上的温度示数下降．通过温度示数的变化,非常直观地显示了做功和内能变化的关系．

改进2： 如图3装置,在注射器低端安装带活塞的玻璃管．靠近活塞的注射器安装温度传感器,为了防止手对注射器温度的影响,改用压玻璃胶的金属支架来压缩注射器,阀门关闭时,对注射器中的气体进行压缩做功,发现温度计示数上升．打开阀门,被压缩的高压气体冲出，能使放在玻璃管口的小纸片吹动,同时温度计示数也降低．

图3 做功改变热能实验

效果对比:用改进1的实验是通过温度示数的变化来表达内能的变化,对学生来说没有思维障碍．改进2的实验是注射器压缩气体的过程中,温度计的示数逐渐上升,本装置不但能得出压缩空气做功内能增加的结论,还可以利用此装置通过得出气体对外做功,内能减少的结论．这个装置把教材提供的“压缩空气发热”和“气体对外做功”的两个实验整合在一起,不但实验现象明显,成功率高,操作简便,并且可以重复利用．

学生通过参与实验的改进过程,不仅可以体会到知识的应用过程,提高实验技能,而且能独立反思感悟,从而加深对相关知识的认识和理解．

3 就地取材，搭建生活和科学的桥梁

科学与生活紧密结合,很多的器材来源于生活中常见的物品,如各式包装品、塑料制品及一些废料,都能制成一些简易的实验仪器．这些仪器使学习妙趣横生,更有成效，能将科学知识应用于解决生活中的实际问题,麦克斯韦曾经说过“一项演示实验,使用的材料越简单,学生就越熟悉,就越想透彻地获得所验证的结果”[2]．对于难以理解的概念教学,从学生熟悉的生活器材来设计改变教材一些实验,能帮助学生更好地建构和理解相关概念．

案例3.压力与重力的辨别.

问题分析： 压力是个教学难点,在学生的前概念中就认为压力是由于重力产生的,其大小也等于物体的重力．虽然教师用图示、受力分析等途径进行解释,仍有较多的学生存在疑惑．为了解决这些问题,尝试以下 实验设计．

实验改进： 把物体平放在电子秤上如图4,读出读数;接着把电子秤一边抬起,在抬起的过程中发现读数逐渐减少．“为什么会减少呢?”学生会恍然大悟,原来压力在减少,并且还知道同一物体倾斜的角度越大,对支撑面的压力就越小．

效果对比： 教材提供体验压力的图片比较多,但“压力的大小”这一节内容没有安排实验,教师经常用图在黑板上进行分析,学生难以接受．电子秤是学生熟悉的称量工具,电子秤测出的虽然是物体的质量大小,但是电子秤在倾斜过程中示数变化,学生知道是物体对秤盘的压力发生变化引起的．在这个实验里学生明白生活皆科学,生活用品可以成为科学实验器材,拉近了生活与科学的距离．

学生在学习过程中难以理解教材中的内容,如果教材又没有提供相应的实验,教师可以设计实验帮助学生加以理解,所设计的实验尽量贴近学生生活．例如沉没的物体有无浮力,可以让学生在水井中打水等,让学生在实验过程中获得亲自动手、实践的机会,减少学生对科学实验的神秘感和陌生感．

4 技术辅助，“凸显”科学规律

科学原理规律需要几代科学家共同努力才能得出,而在科学的课堂教学中,大多数在1节课45min内就要学生得出其规律．学生缺少亲身体验来完成科学的探究活动，不但得不出规律,并且对教材中提到的规律也难以理解．现在数字化传感器等信息技术正在飞速发展,如把这些技术成果用于课堂实验,使传统测量各点的数据变为整个实验过程的温度变化,并自动以图像显示规律,由定性实验变为定量实验．

案例4.熔化和凝固.

图5 晶体的熔解和凝固实验装置

问题分析： 熔化、凝固属于物态变化内容,学生在小学就接触过三态变化,在生活中也有丰富的经验,但是学生大多数认为熔化过程中物体温度是升高的．教材提供的实验材料是海波．海波比热比较小,熔化的时间比较短,如果每隔0.5min读一次温度计,可能测得温度计示数一直上升．

实验改进： 用红外线代替酒精灯加热(图5),用温度传感器代替普通温度计,温度的变化通过电脑自动测出并把所测的数据转化成图像(图6)．

图6 电脑显示温度图像

效果对比：根据实验熔化和凝固的图像,得出晶体与非晶体的熔化特点,归纳熔化和凝固的规律．把定性的实验用定量直观的图像形式表现出来,充分发挥数字化实验优点，有利于规律的得出,有利于学生对知识的掌握,提高了学习效率．

把传感器等信息技术应用于初中科学教学,该技术的应用改变了以定性实验为主的实验教学现状,实现了数据采集与分析一体化的系统,实现了数据处理的微机化,简化了传统定量实验繁琐的操作步骤,简便了获得定量操作的途径．

按照教材中提供的方法和装置进行实验操作,实验效果不理想时,则尝试对实验方式、器材、情境、过程等进行改进和优化．在改进的过程中,要以科学、严谨、合理为前提,体现器材安全、方法新颖、操作简便、实验效率高的特点,还要从学生角度来考虑问题,充分调动学生积极性和创造性,让学生的创新意识得到充分的发挥,使学生亲自体验探究过程的乐趣,也就是在实验改进过程中尽量引导学生自己设计实验过程、改进实验装置,培养学生的创造性思维．

1 高付元.浅谈在“生物科技实践活动”中的引导技能[J].中国教育科技，2005(3)：8-10.

2 方红峰.实验教学在新课程中地位和作用的再认识[J].中国教育技术装备,2006(10):3-7.

3 陈苍鹏.例析初中物理微实验设计创新几个方法[J].物理教师，2017(4)： 34-35.

2017-03-29)