“高见度”实验改进的灵感策略研究

蒋德明 黄建林

(1. 河北省张家口市第十九中学,河北 张家口 075000；2. 绍兴市柯桥区兰亭镇中学,浙江 绍兴 312041)

物理实验特别是高见度创新实验具有培养学生学习物理的兴趣、利于培养学生的动手实践能力、利于激发学生对物理的好奇心和求知欲等的作用.笔者通过调查、听课等形式发现,现在物理课堂上好多教师还在用一些过时的、方法不可取、操作不便、可见度低、成功率不高的演示实验.他们也知道这些实验在课堂上教学的有效性很低,但又苦于找不到创新实验的灵感,对此,笔者通过实践,找到了几种高见度实验改进的灵感,供一线教师参考．

1 从实验缺陷中找灵感

无论是科学概念的建立,还是科学规律的探索与验证,都离不开实验．实验在物理教学上有着不可替代的作用,教科书上好多知识也都是通过实验来进行建构和承载的,但书上有的实验如晶体的熔化与凝固,水的沸腾实验等,本身在方法上或设计上或操作上就存在着缺陷,使得学生很难得出正确的结论或基本的规律,甚至根本看不到我们所要的实验现象．

案例1.晶体熔化与凝固实验.

图1 晶体熔化实验

(1) 实验存在的缺陷及导致的结果.

① 北师大版上的海波熔化实验耗时较长,又由于海波熔点较低,而加热时水浴温度较高,导致熔化过程一闪而过,根本得不出晶体熔化时温度保持不变的规律．同时,由于实验采用冷水加热,导致时间过长,严重影响教学进度．

② 有的版本如华师大版上的晶体熔化用的材料是用冰来代替海波的,用冰代替海波做这个实验,虽然固液共存态比较明显,而且熔化时温度保持不变的规律也很容易得出,但这个实验往往存在二个问题,一是因为冰是自然状态下熔化,所以时间也很长;二是因为做这个实验时往往是夏天,水凝固成冰这个实验不成功．

(2) 实验改进措施.

针对这个实验可以从二方面来进行改进.第一种方法:加料法．针对水浴温度高,而海波熔化过程一闪而过的现象,经分析,可以让海波熔化过程慢下来,即在试管里放入更多的海波,约为大试管容积的1/3;计时间隔稍短一些,教材上采用的是30 s,建议每10-20 s,比如15 s读数一次,并记录海波熔化的情况,及固液变化的情况．熔化之后,教师一边引导学生归纳总结海波熔化的特点,一边让海波慢慢冷却,节省时间．第二种方法:控温法．针对水浴加热温度升温太快,可以用控温法,把水浴的温度控制在一定的范围内,即当水浴温度到达55℃时撤去下面的酒精灯,温度下降到51℃时再继续加热．[1]

当教科书上的实验存在缺陷时,包括操作性、安全性、成功性、可见度等某一方面导致实验结论难得出或易失败时,我们就要对实验进行大胆改进.当然对于上面的实验,如果能从方法上来改进的,尽量用方法上改进.这样既可以保留原教材实验,又能提高实验的成功率,但当实验缺陷太大,无法从方法上进行改进时,就要把整体进行改进.利用身边的生活器材开发高见度实验,来弥补教材中的实验不足,提高实验教学有效性．

2 从思维难点中找灵感

物理学科的素养中要求学生理性思维、批判质疑、勇于探究．而理性思维最直接的培养途径就是通过实验．但教科书上有几个实验设置太难,如覆杯实验,有的甚至没有实验,如静摩擦力和滑动摩擦力的大小比较等.这些实验太过抽象,思维含量过高,使学生在学习的过程中感到焦虑,不利于学生思维习惯的形成和批判性思维的养成．

案例2.覆杯实验.

(1) 思维难点和导致的结果.

教师在演示覆杯实验,当把盛满水并在杯子口放上一张纸板的杯子倒过来时,说是因为大气压的存在而使纸板没有掉下来．但在学生的回答中,有好多人认为是水粘着下面的纸板,从而使纸板没掉下来,要说是大气压压着纸板,他们脑中怎么也转不过弯．如果这时不及时纠正他们的错误前概念,不引发他们的认知冲突,导致的结果是以后碰到类似的情况还会说是因为水把纸板给吸住．并且在以后的课堂中,学生会推测教师需要的答案,而言不由衷,说出来的不是他们的真实想法．

图2 覆杯实验

(2) 实验改进及措施.

弄一根玻璃管,上端用橡皮塞塞住,并在中间打个孔,装个玻璃活塞,如图2所示.当学生说下面的纸板是水吸住时,教师只要把上面的玻璃活塞拨掉,纸和水都掉下来了．

案例3.静摩擦力和滑动摩擦力的关系.

(1) 思维难点和导致的结果.

在教师讲到用力推桌子,推不动,再用几次力后,终于推动了桌子,问学生前后的摩擦力分别是什么,哪个大?学生回答为前面的不动时为静摩擦力,后面为滑动摩擦力,静摩擦力小于滑动摩擦力．学生的理由是:不动时,我用力不大,所以摩擦力不大,而动时用力大,摩擦力大．教师告诉学生,是最大静摩擦力大于滑动摩擦力．学生无奈接受教师的结论,但心理认为他们自己想的是正确的,因为生活经验就是这样的．教师这样的结论会导致学生对结论半信半疑,而且对结论产生疑惑时,不用实验去解决,以后慢慢会失去实证意识和实证精神．

(2) 实验改进及措施.

用一个拉力传感器,一个小木块,一块木板,一个铁架台,如图3所示,把传感器固定在铁架台上,然后用数据线联接电脑,在电脑上调零．然后用手慢慢地拉着下面的木板从静止开始向左运动．这时在电脑上就会自动绘制如图3所示的图形,分析图形可知,滑动摩擦力小于最大静摩擦力．

(a) (b)

碰到类似像覆杯实验与静摩擦和滑动摩擦这样比较抽象且思维难度高的实验时,就需要对实验进行改进,积极开发一些成本低、探究性强的实验．特别是碰到数据难采集或一般实验难以胜任时,我们可以用DIS(现代实验技术数字化信息系统),用传感器等这些实验化仪器为物理教学服务,使得实验由定性变定量,提高实验的可见度、可信度、可探度等．

3 从“平行”实验中找灵感

所谓“平行”实验,其实就是一般的探究性且有多个变量的实验,如在探究压力产生的作用效果跟什么因素有关的实验,书上用的是通过用一个椅子正放时和倒放时的,以及加不加砝码来进行比较的如图4所示.有的参考书上是通过在一张白纸上放一块砖,通过这块砖的正放,倒放,侧放来比较的．

图4 压力的作用效果实验

案例4.影响压力的作用效果实验.

(1) 实验问题和导致的结果.

用沙子做实验,效果不明显,而且一个砝码比较不出沙子凹陷程度,即无法比较压力大小对压力的作用效果的影响,同理受力面积大小对压力的作用效果的影响也不明显．导致的结果是结论不正确或出现假探究,最后的结论抄书上的．

(2) 实验改进及措施.

竖井掘进机的偏斜控制系统工作原理如图3所示，包括测斜系统和纠偏系统。测斜系统由位移测量系统和姿态测量系统组成。位移测量系统包含井筒上部的激光发射器和掘进机上部的PSD光电位移传感器平板，可以从光电传感器平板读取竖井掘进机轴线与井筒设计轴线的偏斜量；姿态测量系统包含2个高精度角度传感器，可实时监测竖井掘进机主轴倾角。

图5 压力的作用效果改进实验

可以改成如图5所示的实验,下面放一块木板,在木板上订了一些铁钉(把铁钉适当磨平一点),上面放一块木板．这时,可以看到,有铁钉那边气球明显比上面木板的那边形变厉害.这说明压力的作用效果跟受力面积有关.在压力一定时,受力面积越小,压力的作用效果越明显．保持面积不变,让学生还是观察下面跟铁钉接触的那气球面,在上面压一点力,可以明显看到,形变更强了．这说明:受力面积一定时,压力越大,压力的作用效果越明显．

当碰到好多平行实验时,特别是需要很多仪器的那种实验,我们可以把这些平行实验整合起来,如像上面研究的影响压力作用效果的实验,还有像研究摩擦力实验时,使得碎片化实验成整体化实验,不但可以减少仪器和材料,同时大大提高了实验效果．当然在制作选材时,我们可以寻求低成本的生活器材,来自制教具,使实验现象明显且利于比较,提高教学效率．

4 从习题资源中找灵感

习题是为了巩固学生学科知识,通过习题的练习加深对知识的理解,形成技能、技巧和思维的能力,同时提高学生应用学科知识,解决实际问题的能力．但好多习题过于抽象,初中学生形象思维能力比较强,而抽象思维能力相对较弱,为了降低习题的难度,我们可以通过分析习题,开发相应的创新实验,来降低学生的思维难度,化抽象为形象．

案例5.重1 N的水可以产生的最大浮力为

(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) 习题的思维障碍和导致的结果.

这个题的思维障碍在于学生对排开和排掉两个概念存在一定的混淆,在学生的前概念中,排掉和排开是同一概念,哪怕教师在演示浮力大小实验时也无形中误导学生这二个概念是一样的．最终导致的结果,既然水是1 N,那么最多可以排掉的水就是1 N,所以产生的最大浮力想当然就是1 N,[2]很多学生的答案是选(C)的．

如图6所示,找2个一次性塑料杯,在甲中倒入1 N的水,在乙杯中倒入大于1 N的水,如3 N左右并滴入几滴红墨水(便于区分是甲杯中的水还是乙杯中的水),然后把乙杯放入甲杯中,学生看到乙杯是漂浮在甲杯水中的.通过受力分析,可以知道1 N的水产生的浮力可以大于1 N,至于大到多少.这个可以拓展,让学生说可以到多少.通过分析得出,如果甲和乙之间的间隙只有一层水膜时,这个值可以很大．还要进一步拓展,如果不用乙来做这个实验,可以用什么来代替,学生讨论发现,可以用一个可以漂浮的圆柱体,但这个圆柱体的直径要小于甲杯的直径,重量要大于1 N,也可以用一些直径小于甲杯的一些小瓶子(如奶瓶)做这个实验．

图6 1 N产生多大的压强实验

案例6.摩擦力类型题.

图7 摩擦力类型题

如图7所示,在甲图的A上和乙图的B上都施加一个水平向右的一个拉力,使得他们水平向右做匀速直线运动,问A与B的摩擦力的有无及方向?

(1) 习题的思维障碍和导致的结果.

在A物体上用F的拉力和在B物体上用F的拉力,对于学生来说都差不多,他们认为都有摩擦,要么都认为没有摩擦,即使认为有摩擦但不知道方向如何,因为这种题目是要通过受力分析才能分析出来,但对于刚学摩擦力的初中学生来说,没有给他们搭建一个好的“脚手架”,思维出现障碍.像这样的题目,即使教师讲过,学生也是似懂非懂状态,长此以往,会对这种题目感到困惑而失去信心,甚至对物理学科失去信心．

(2) 实验改进措施.

如图8用一把毛刷和一个本子(最好是封面粗糙一点的),把毛刷放在本子上(注:忽略毛刷因为自身重力使毛变形).当它放在本子上,让学生回答这时毛刷跟本子之间有没有摩擦力．学生马上就能说出是没有摩擦力的,因为他们知道根据毛的形变来判断摩擦力的有无和方向．接着用手拉着本子水平向右做匀速直线

运动,学生根据毛的形变情况,得出没有摩擦力．把刷子看作物体A,把本子看作物体B,通过建立一个抽象模型后就变成了图．同理,在刷子上水平向右作用一个拉力(如图9所示),让学生判断摩擦力的有无及大小,学生根据毛的形变及方向,马上能得出结论．如果把刷子看成是一个物体,把本子看成是传送带,我们又可以研究传送带上的物体的摩擦力随传送带的运动状况变化的变化情况(注:做这个实验时,那毛刷的毛最好长点、软点,这样实验效果会更好)．

图8 毛刷静止在本子上

图9 毛刷受到一个水平向右的拉力作用

我们可以通过习题,特别是学生难理解的、比较抽象的类型题时,可以开发创新实验,给学生一个理解的“脚手架”,通过习题教学中引人科学实验,化抽象为形象,化繁为简,化难为易,使得实验跟习题有效融合起来,用实验来突破习题难点,[3]并用实验特有的现象使结论更有说服力．在难题中应用创新实验,使得本来枯燥的物理习题不再枯燥,相反,学生还特喜欢这样的习题.在以后碰到这样的习题时,他们会自己设计并制作创新实验.通过习题创新实验的制作,不但理解了习题蕴含的物理知识,还培养了学生的兴趣和动手能力．

实验是为教学服务的,在课上和课外,当学生学习有难度或错误前概念很难打破时,应积极地想尽一切办法,改进一些实验,也包括创新一些小实验,用实验强有力的视觉冲击,引发学生的认知冲突.通过实验,引导学生理性思维、积极探究、勇于质疑．当然在创新实验时,适当地对教材的编排进行一定的重组,这也是我们值得思考的问题,真正做到用教材而不是教教材,为提高物理实验教学有效性而努力．