中学物理演示实验资源的开发与应用研究

(南京师范大学教师教育学院,江苏 南京 210097)

1 引言

演示实验是以教师为主导者的示范实验,其目的在于引导学生观察,使学生对物理现象有清晰的了解,这是教师讲解物理概念和规律的基础,是培养学生物理学科核心素养的重要手段，[1]演示实验资源的有效开发与合理利用应成为物理教师深入思考的问题。在科技日益发达的现代社会,一些包含物理教育价值的科普节目和讲座为物理教师开发实验资源提供了新思路，从中开发物理演示实验资源,不仅可以让物理教师获得灵感,提升教师的专业素养和实践能力,还可以丰富教学内容,提高课堂教学效果。

2 从科普节目和讲座中开发物理演示实验资源的路径

科普节目、讲座中提供的实验素材丰富多样,如何有效地将其用到课堂实验教学中?教师可以将借鉴到的创意与教学实际相结合,根据教学目标、学生特点、教学重难点、器材要求等因素合理开发实验资源,具体来讲有下面几种路径。

2.1 以教学目标为导向

教学目标是预期的学生学习成果,是教学的出发点，也是教学的最终归宿。[2]课堂上开展的实验教学活动应当紧紧围绕教学目标,这就意味着教师需要以教学目标为导向开发实验资源。

《普通高中物理课程标准(2017年版)》对选择性必修3中“液体”的教学提出的要求为：观察液体的表面张力现象,了解表面张力产生的原因,知道毛细现象,并且给出生活中与表面张力相关的实例。[3]中央电视台《是真的吗》20170617期节目中介绍了“装满水的杯子倒置后放入牙签也不会漏水”实验：在装满水的杯子的杯口处覆盖一层纱网并用橡皮筋固定,把一块塑料板罩在杯口然后将杯子倒置,缓慢撤去塑料板,水不会漏出来。若向杯中戳入牙签,牙签上浮且水也不会漏出。这个实验利用牙签不会让水漏出，巧妙地展示了水的表面张力现象,如果将其应用到“液体”教学中可以把抽象的概念形象化,使学生在观察的基础上理解表面张力概念,符合本节的教学目标。

2.2 以学生学情为依据

课程改革倡导课堂教学要充分发挥学生的主体作用,打造“以生为本”的课堂，要求教师对学生的学情有一定的了解,因此教师在开发实验资源、组织教学活动时需要以学生学情为依据,这样教学才能真正做到有的放矢。

2.2.1 激发学生的学习兴趣

生动形象的演示实验会给学生强烈的感官刺激,进而激发他们浓厚的学习兴趣。初二学生在学习“声音”这一章时,课本中介绍了敲鼓弹起小纸片的实验,证明了声音是由物体的振动产生的,并且振幅越大,响度越大。对于现在的中学生而言,上述的实验已经无法有效激发起他们的兴趣。笔者在一次科普讲座中接触到了更富有创意性的趣味实验：将一个塑料筒的一端封上一层橡皮膜,并在橡皮膜的中央粘上一个小平面镜(如图1)。拿一只激光笔斜射在平面镜上使反射光斑呈现在墙壁上,当人对着圆筒的空心端发声时,可以看到墙壁上的光斑变幻出不同形状的图案,并且随着声音响度变大,图案上的振幅也在变大。再如,利用家中洗衣机上的排水管可以探究音调与频率的关系：手拿排水管一端，另一只手在水管某处将其甩动,可以听到空气振动发出的声音,并且甩动的转速越快,音调越高。

图1

高中生在学习“光的偏振”时教师可以引入“穿墙而过的小球”实验,取一根透明有机玻璃管，在其左右两半部分分别贴上偏振方向相互垂直的偏振薄膜，在管外会看到管中部有一不透光的“墙”，把一只小球放入管内，可以观察到小球可以毫无阻碍从一端运动到另一端(如图2)。在“光的偏振”的教学中，教师可以将其作为课堂引入实验,以此激发学生的好奇心和求知欲，为接下来的学习奠定基础。

图2

2.2.2 关注学生的思维活动

由于初中生还处于形象思维为主的阶段,“大气压强”对于他们来说是一个极为抽象的概念,对于大气压强到底有多大更是难以把握,这就要求教师在开展教学时应当利用具体可感的手段来辅助学生认识大气压。

《是真的吗》20170107期节目中展示了一个视觉效果非常震撼的高脚杯提重物实验,具体实验过程是：将纸巾逐一铺在玻璃板上并用水打湿,连续操作，直至将5张纸巾全部铺上,再拿一张纸巾揉成小球放入酒精中润湿,取出后放在铺好的纸巾上。用打火机将纸团点燃,并用高脚杯罩在纸团上方稍作停顿,然后紧压在纸上。提起高脚杯的同时玻璃板也被吸了起来。将总重为5kg的10瓶矿泉水置于玻璃板两侧,最终高脚杯也能将其稳稳提住。这是因为酒精燃烧排出、加热杯中的空气,待杯的温度降低后导致高脚杯的内外产生了气压差,因此大气压就将重物托了起来。如果教师能够在讲解大气压概念时，将该实验与教材中的马德堡半球实验相结合,给学生提供视觉上巨大冲击的同时也能帮助学生加深对大气压的感性认识。图3是笔者完成该实验时拍摄的照片,与节目中有所区别的是笔者选用的燃烧物是酒精棉球,材料易得且操作方便，由于实验器材有所不同，笔者最终用高脚杯提起了总质量约为3.3kg的6瓶550ml的矿泉水。实验中要注意的是将高脚杯倒置在燃烧的酒精棉球上方时,停留的时间不宜过长,否则空气又会回到杯中。高脚杯盖在湿纸巾上时一定要用力按压并稍作停留,让湿纸巾充分起到密封效果,避免漏气。

图3

2.3 以教学重难点为突破对象

教学重难点的确定是教师在备课中必不可少的环节,针对教学中的重难点展开的实验教学活动会让课堂教学事半功倍。因此教师在开发实验资源时需要以教学重难点为关注对象,让实验教学有效服务于重难点的突破。

初中物理“浮力”这一节中浮力产生的原因是教学的难点,因此教师要有针对性地开展实验教学活动，帮助学生了解浮力是如何产生的。《是真的吗》20170812期节目中介绍了“两个乒乓球放入水中会一沉一浮”的实验,具体操作如下：将两个乒乓球放在漏斗形的塑料瓶中,向瓶中加水后一球上浮,一球沉在瓶口处,旋紧瓶盖后沉在瓶口的小球也上浮(如图4)。不加瓶盖时下面的小球底部的水从瓶口流了出去,因此其顶部的水将其压在瓶口,而上面的小球顶部和底部都受到水的压力,且存在压力差,因此它能上浮。利用这个对比实验巧妙地运用直观的实验现象,帮助学生理解浮力产生的原因。

图4

2.4 以易得材料为首选

科普节目有时为了呈现震撼的实验效果,选取的部分实验器材是经过专门设计和加工的,而在实际教学中教师无法轻易获得,这就要求教师在开发实验教学资源时合理选取生活中的易得材料替代节目中的高精尖仪器。

《是真的吗》20161224期节目中介绍了“钢珠隔空击倒塑料瓶”实验,主持人将一颗小钢珠放在中间被遮挡的轨道上,轻推钢珠使其进入遮挡区域,然后钢珠以较大的速度从遮挡区穿出并击倒了轨道一端的塑料瓶。揭秘后发现遮挡区域放置了由几个环形磁铁组成的磁铁组,中间插有铁棍,铁棍的另一端放有一颗钢珠。当第一颗钢珠被磁铁吸引后能量得到补充,它又将能量传递给下一颗钢珠,因此最后飞出去的钢珠拥有较大的速度，可击倒塑料瓶。节目中精心设计的实验装置在实际教学中难以实现,笔者将实验简化后进行了尝试(如图5)。图5中的轨道选择了用砂纸打磨过的铝合金轨道,表面尽可能光滑以减小摩擦,磁铁组的右端放置了四颗钢珠,轻推左侧钢珠,最后可以观察到最右边的钢珠飞出,并且能够击倒塑料瓶。这个实验可以用于高中物理必修2“能量守恒定律与能源”这一节,由于能量这个概念比较抽象,学生很难正确理解,因此利用实验来创造物理情境，启发学生探究钢珠加速的原因,同时也可以组织学生课后了解高斯加速器的原理,使学生通过理论联系实际，对能量和能量守恒有更深入的理解。

图5

浮沉子实验是初中经典物理实验,如何利用简单材料推陈出新，展示物理实验的奇妙?科普讲座提供了一种新方案：在一个小塑料瓶中倒入少量有色液体,并在瓶口处密封一个透明塑料袋。将塑料瓶放入盛满水的水瓶中,用力挤压瓶子可以看到有色液体上升且塑料瓶下沉,松手后塑料瓶上浮(如图6)。利用这个实验可以形象反映出挤压瓶子时塑料袋中气体被压缩,有色液体上升,从而便于学生理解浮沉子中浮力变化的原因。

图6

3 结语

实验资源的开发是探索有可能进入物理课程、可用于实验教学所用的资源，实验资源的利用是指将被开发出来的实验资源的教学功能最大化。[4]教师从科普节目和科普讲座中得到启发，需要根据教学实际情况合理开发与应用演示实验资源,以有效地培育学生的核心素养。