立足实验改进 培养科学思维

李育红 石尧

摘 要：本文以比较不同物质吸热能力强弱实验为例，探讨如何在实验教学中引导学生在实验的过程中大胆质疑，对实验方案进行改进，并在真实的实验情境中，解决出现的问题;探讨如何引导学生在解决问题的过程中，通过查阅资料，实验验证等方式寻找证据，以支持自己的观点.在整个实验改进的教学过程中，注重师生间及生生间的合作交流，发挥好教师的主导作用，从而提升学生的探究能力及创新能力.为了解决实验过程中出现的问题，提倡学生自制教具改进实验器材，改进实验方案，使实验达到真实有效的效果，为物理概念的建立提供有价值的数据支持.

关键词：实验改进;科学思维;自制教具

文章编号：1008-4134（2019）18-0036中图分类号：G633.7文献标识码：B

实验在整个物理教学过程中的作用不言而喻，但教材中所安排的部分实验在教学实践中却存在着一定的问题，问题产生的原因有很多，如实验器材过于陈旧，实验设计存在纰漏等.如果教师只是一味地等待教材的改进，实验器材的更新，那么教师在教学过程所起的主导作用将大打折扣.同时在实验教学中，教师如果不能引导学生大胆质疑，发现问题，并积极地解决问题，而只是注重知识的传授，那么必将丧失培养学生物理核心素养的主阵地.接下来，我们以比较不同物质吸热能力的实验为例，探讨如何在实验教学中引导学生敢于质疑，查阅资料，改进实验，从而辅助其科学思维的形成.

1 实验设计方案的偏误及改进

比较不同物質吸热情况的实验是利用两种规格相同的热源对质量相同的两种物质进行加热，从而比较相同加热时间下物质的温度变化情况，或升高相同温度比较物质的加热时间，由此得到两种不同物质的吸热能力强弱情况.大体而言，在教学过程中主要存在两种实验方案.

方案一：利用相同的电加热器对水和油两种物质进行加热的演示实验.

方案一要求使用相同规格的电加热器作为热源，优势是热源规格相对容易保持一致，缺点是实验所用温度计难于演示观察（如图1所示），即学生观察温度变化存在困难.针对这一问题，学生提出了温度计的改进意见.如使用液柱较粗，显示效果较好的温度计进行演示.为此，我们选用了玻璃泡较大，液柱较粗的温度计（如图2所示），并将刻度标记在刻度盘上，从而改进显示效果，但又出现了新的问题，刻度盘框架较大，无法用电加热器进行内部加热，只能用酒精灯进行外部加热;也有同学提出直接采用电子数显温度计，将温度数据直接显示出来，改进后显示效果更加直观（如图3所示）.

方案二：利用酒精灯对水和沙子两种物质进行加热的学生分组实验（如图4所示）.

如果采用方案二进行学生分组实验（如图4所示），对热源要求较高，实验中要求两个酒精灯必须规格相同.但我们显然不能保证酒精灯规格的相同，因此该方案存在严重缺陷.在采用此方案进行实际操作时，学生提出了这一困惑，并针对该困惑提出了两种改进方案，一是用同一酒精灯对两种不同物质加热（如图5所示），只要控制好平底试管摆放的位置，基本就能解决热源规格必须相同的问题;二是在石棉网上做出标记，然后对装有不同物质的试管逐一加热（如图6所示）.可见，改进后的方案使得热源规格相同的问题得以解决，利用这个装置可以进行学生分组实验.

2 实验方案改进后仍然存在问题

虽然此次经过改进的实验方案确实解决了一些实验中出现的问题，但在实际操作过程中学生仍会发现一些不足之处.

2.1 热源问题

在进行实验时，学生会发现无论是采用相同规格的电加热器加热，还是改进后方案中利用酒精灯加热，由于物质受热的不均匀，总会造成数据前后不一致的弊病.即在加热初期的一段时间内，水的温度变化比油的温度变化快，而一段时间后，油的温度变化又快于水的温度变化.而如果受热物质是水和沙子，利用酒精灯或电加热器加热，沙子由于无法快速均匀受热，数据不一致的现象更为突显.这无疑给学生带来了困扰，对于后续比热容概念的得出平添了障碍.

2.2 数据的显示问题

本次实验既然可以利用电子温度传感装置直接显示温度示数的变化，因此，我们可以利用数据传感方式将两种物质温度随时间的变化关系以图像的形式直观的显示出来.

3 利用自制教具，改进实验方案

针对以上方案中存在的问题，学生提出了自己的看法，并在教师的引导下自制了新的教具，对该实验再次进行了改进.

3.1 热源改进

考虑到实际生活中海滩的沙子比海水的温度变化快这一实例，同学们提出是否可以采用辐射热源来解决实验数据不一致的问题.于是在教师的引导下，同学们查阅了辐射热源的优点，并找到了生活中的辐射热源——美容灯.即在本次实验中采用美容灯红外热源（如图7所示），对相同质量的水和油（或水和沙子）进行加热（如图8所示），由于辐射热源效率较高，从实验伊始，在相同的加热时间内油的温度就出现显著变化.

3.2 利用温度传感器采集数据

在本次器材改进中采用了温度传感器上传物质温度变化的方式.使用温度传感器的优点在于读数方便，且便于数据采集，即显示屏上的温度显示条可以非常直观地显示出两种物质温度的变化示数，并借助于数据采集器，可以将整个过程中两种物质温度随加热时间的变化直接以图像的形式展示.如图9所示，油的温度通过1号温度传感器上传至数据采集器，红色线条显示，水的温度通过2号温度传感器上传至数据采集器，蓝色线条显示.

通过数据采集器，我们可以直观看到油温度变化得快，如图10所示.为了使水的温度变化与油的相等，我们停止对油的加热，而对水进行继续加热，图像显示，在此过程中油的温度下降，水的温度继续上升，直至两者温度变化相同，如图11所示.观察整个图像，不难看出，油有一段放热过程，因此，质量相同的水和油升高相同的温度，水需要吸收更多的热量.

4 思考与启示

本次实验的改进过程主要通过科学实践活动提

升学生的科学思维，主要表现在以下几方面.

4.1 通过实验方案评估，提升问题解决能力

评估设计实验方案是学生在课堂教学中能够经历科学发现的第一步，在设计实验方案的过程中，每一个器材的选取及使用都有一定的要求和局限，并无好坏之分，教师要做的是引导学生关注每一个器材的使用，每一个环节的设计，通过已有的知识及经验，对实验方案进行有效评估.

4.2 借助实验数据分析，提升科学论证能力

实验数据不是结果和规律，而需要经历充分的分析与论证从大量数据信息中归纳出事物的客观规律，没有经过分析与论证的数据必然会失去它们的科学价值.因此，在本次实验过程中强调学生依据实验数据进行分析，实际实验结果是否符合自己按照当前假设所做的预测，看实验所积累的证据是否足以让自己接受或拒绝当前的假设.如果当前假设被拒绝，则需要重新搜索假设空间，如果当前实验结果还没有得到确定性的结论，那就要继续设计实验来进一步检验假设.

4.3 引导学生改进方案，培养科学创新能力

每一次方案改进的过程都是实践、思考和创新的过程.过程是很艰辛，但每一次进步，都是一次创新的体验.这样的过程对学生而言无疑是刺激而又富有挑战性，坚持到最后的学生，无疑会获得创新能力的极大提升.虽然学生并没有创造什么新的产品，但是他们在动手动脑过程中，做到了对教材的弥补甚至超越，这种创新的体验过程，是无法用教学目标（知识获取）来描述的 .

参考文献：

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