用对比实验构建具有思维厚度的物理课堂

吕朝阳

(江苏省前黄高级中学国际分校,江苏 常州 213161)

俄国教育家乌申斯基说过：比较是一切理解和一切思维的基础。在物理课堂中教师会经常采用对比教学法，它指的是在课堂教学中，教师同时给学生提供两种或多种相似或类似的材料、过程、现象或情境等，让学生进行观察、判断、合作、交流和分析，诱发兴趣，形成动力，启迪智慧，以促进深层思维形成的教学方法。

信息论认为：思维是人们接受信息、存贮信息、加工信息及输出信息，进而概括地反映客观现实的过程，也是大脑对客观世界的本质属性和发展规律的自觉、间接和概括的反映。思维是在感性认识的基础上抽象成概念，并在实践中形成判断、推理和论证的思考方式。一般来说，思维有深度、高度、广度等多个维度，这些维度又决定了思维的效度和厚度。显然，对比教学法是提升学生思维能力和思维水平的重要手段之一，本文运用一些课堂教学案例，浅议利用对比实验构建具有思维厚度的物理课堂的策略。

1 用对比实验导入新课，引发思维冲突

案例1:在高中物理选修3-5第十七章“波粒二象性”第二节“光的粒子性”的教学中，采用“神秘的光电实验”导入新课。教师将“神秘元件”(GD-28光电管)放在开有透光孔的不透明盒子中，再与音乐贺卡中的蜂鸣器及干电池连成如图1所示的电路。

图1

对比实验1：将强光手电筒的光通过小孔照射到“神秘元件”上时，蜂鸣器发出乐音；关闭手电筒开关时，蜂鸣器停止发声。

对比实验2：用强光手电筒照射时，越靠近神秘元件，蜂鸣器发出的乐音越响亮。

对比实验3：用强光手电筒照射时，在透光孔前放置一红色滤光片，相当于用红光照射，此时蜂鸣停止发声。拿掉红色滤光片，蜂鸣器再次发声。

案例2:在高中物理选修3-2第五章“交变电流”第三节“电感和电容对交变电流的影响”的新授课中，采用“神奇的滤音电路”做导入实验。如图2所示，教师在电脑里挑选一首既有浑厚低音又有金属质感悠扬高音的乐曲，通过信号放大器、电源和扬声器播放。

对比实验1：在电路中加入如图3所示的两个神秘元件A(电容器)和B(电感线圈)后，跟图2所示实验相对比，扬声器中低音部分明显减弱，基本上只能听到悠扬的高音部分。

图2

图3

对比实验2：将两个神秘元件A和B位置互换后重新接入电路，发现高音明显减弱，基本上只剩下浑厚的低音部分。

评析:用新颖、有趣的对比实验导入新课，既能将抽象的问题直观化、可视化，将物理学的神秘充分展示给学生，又能通过实验现象的对比，将课堂所要探究的重点内容直接呈现给学生，引发学生在思维和认知上的矛盾冲突，激发学生浓厚的学习欲望，促使学生自发地探寻物理规律。“光的粒子性”和“电容电感对交变电流的影响”这两部分知识非常抽象，实践发现，用对比实验导入新课，学生开始时迷惑不解又兴趣盎然，随着一个个谜底的揭开，学生的思维活动主动、活跃，收到了很好的教学效果。

2 用对比实验巧设过渡，架构思维桥梁

案例3:高中物理选修3-2第四章第六节“互感和自感”中的通电自感现象。

图4

对比实验1：按如图4所示连接好电路，观察电键S闭合瞬间灯泡亮度变化情况。现将图4中滑动变阻器R换成自感系数较大、直流电阻与图4中滑动变阻器接入电路电阻相同的电感线圈L，其他不变，如图5所示，观察在电键S闭合瞬间灯泡亮度变化情况。

对比实验2：将图4、图5组合成图6，所用器材完全相同，观察电键S闭合瞬间、电路稳定后灯泡A1、A2亮度变化情况。

图5

图6

案例4:高中物理选修3-2第四章第六节“互感和自感”中的断电自感现象。

对比实验1：如图7所示，用导线和电键将一节干电池跟一位同学的两只手相连，电键闭合瞬间，该生没有任何感觉。如图8所示，将该生与一直流电阻较小、自感系数较大的线圈并联后，接在同样一节干电池上，在电键闭合的瞬间，学生的手会有较为明显的触电刺痛感。

图7

图8

图9

对比实验2：如图9所示，仅将图8中的人换成一个小灯泡，观察在电键断开的瞬间，灯泡的亮度变化的情况。

评析:在教学过程中，当思维跨度较大，学生难以直接逾越时，可架设思维桥梁，以实现从旧知到新知、从感性到理性的质变。案例3和案例4中两个对比实验的设计可谓匠心独运，将教材中的演示实验分解为逐渐递进、具有思维梯度的三个小实验，用知识问题化、问题直观化、思维层次化的策略，给学生提供思考与讨论、交流与合作的空间，让学生亲历思维和探究的过程，领悟科学探究的方法，重点关注学生对知识形成过程的理解，实现从直观到抽象、从现象到本质的顺应和同化，以达成相应的思维深度。

3 用对比实验建构知识，生成思维方式

案例5:高中物理选修3-2第五章第三节中的“电感对交变电流的阻碍作用”。实验器材为：小灯泡(3.8V，0.3A)一只，直径0.2mm的漆包线绕制的匝数分别为1050匝和1350匝的螺线管L1和L2两个，铁芯两个，学生电源一个，信号发生器一个，连接成如图10所示的电路。

图10

图11

对比实验1：A、B间接学生电源直流电压6V挡，电键K2扳至电感L1，闭合电键K1，灯泡较亮；A、B间接学生电源交流电压6V挡，电键K2仍扳至电感L1，闭合电键K1，灯泡亮度明显减弱。

对比实验2：A、B间接学生电源交流电压6V挡，电键K2扳至电感L1，闭合电键K1，灯泡发光；现将电键K2扳至电感L2，发现灯泡亮度减弱。

对比实验3：A、B间接学生电源交流电压6V挡，电键K2仍扳至电感L1，灯泡发光；现将线圈L1中的铁芯取出，灯泡明显变亮。

对比实验4：A、B间接低频信号发生器，电键K2仍扳至电感L1，调节信号发生器使小灯泡较亮。现缓慢调节信号发生器的旋钮，使频率缓慢增大，观察到小灯泡的亮度明显逐渐减弱。

案例6:高中物理选修3-2第五章第三节中的“电容对交变电流的阻碍作用”。实验器材为：小灯泡(3.8V，0.3A)一只，电容C1(25V，220μF)、电容C2(25V，3300μF)各一个，学生电源一个，信号发生器一个，连接成如图11所示的电路。

对比实验1：A、B间接学生电源直流电压4V挡，电键K2扳至电感C1，闭合电键K1，灯泡不亮；A、B间接学生电源交流电压4V挡，电键K2仍扳至电容C1，闭合电键K1，灯泡发光。

对比实验2：A、B间接学生电源交流电压4V挡，电键K2扳至电容C1，闭合电键K1，灯泡发光。现将电键K2扳至电容C2，发现灯泡明显变亮。

对比实验3：A、B间接低频信号发生器，电键K2仍扳至电容C1，调节信号发生器使小灯泡较亮。现缓慢调节信号发生器的旋钮，使频率逐渐降低，观察到小灯泡的亮度明显逐渐减弱。

评析:思维方式即思考问题的角度、方式和方法，包括分析与综合、归纳与演绎、抽象与概括、因果与逆向、比较与递推等。在上述两个案例中，分别比较在不同的直流或交流电源、不同规格的元件、不同频率的交流电源等条件下灯泡的亮度变化，让学生在观察实验现象的基础上，运用分析、归纳、概括等思维方法，自主建构知识，给人以顺理成章、水到渠成之感。

4 用对比实验释疑解惑，突破思维难点

案例7:高中物理选修3-1第一章第八节中的“平行板电容器电容大小的决定因素”。实验器材为：铝板两块，同尺寸厚度均匀的塑料板5块，毫米刻度尺一把，万用数字电表一只。

图12

对比实验1：如图12所示，在两块平行正对的矩形铝板间放一块同尺寸的塑料绝缘板，连接在万用数字电表上，读出电容大小。然后让两个极板依次错开，使正对面积分别减小为原来的3/4、1/2、1/4，读出对应电容大小进行对比，得出结论。

对比实验2：如图12所示，在两极板正对面积不变的前提下，在两个极板间分别放1块、2块、3块、4块、5块相同厚度的塑料板，以增加两板之间的距离，分别读出对应电容大小，进行对比，得出结论。

图13

案例8:高中物理必修一第四章第一节中的探究惯性与质量大小间关系的“单手甩纸片实验”。实验器材为：被撕成A、B两部分的答题卡一张(其中B部分较小，是跟A部分连在一起、没有完全撕开的细长条)，小铁夹一个(如图13)。

对比实验1：单手拿着答题卡的A部分，用力甩动手腕，发现要想使B部分被甩掉，比较困难。若单手拿着B部分，然后用力甩动手腕，发现很容易将A、B两部分撕开。

对比实验2：用小铁夹夹在B部分上，然后单手拿着A部分用力甩动手腕，发现很容易将答题卡的A、B两部分撕开。

评析:当旧知与新知间有较大落差、目标与实际间有较大距离时，学生学习的疑惑点也就产生了，而很多的疑惑点源于学生在认知上存在思维障碍，此时，对比实验往往会有奇效。在案例7中，教师没有采用教材上的做法——使用静电计来辅助实验，因为静电计不仅不能直接测出平行板电容器电容的大小，其推理的过程学生更是难以理解和掌握，且只能定性分析实验结果，实验现象不具有直观性。用静电计进行实验的现象也不稳定，极易受到湿度、绝缘性能的好坏等环境的影响而导致实验失败。使用万用数字电表可直接读出电容大小，直接、直观，同时正对面积和板间距大小的改变也设计得非常巧妙，拉近了旧知与新知之间的距离，消除了思维障碍，实验的可操作性较好。

惯性大小的决定因素一直是教学的难点，学生死记结论是容易的，但往往存有疑惑。在案例8中，利用一张答题卡和一个小铁夹，单手甩动的部位不同，或在被撕开的小纸条上夹上一只铁夹，实验现象就会变得十分明显，学生也非常容易理解，正应验了朱正元老先生的一句话：“千言万语道不清，一做实验就分明”。

俄国作家托尔斯泰认为：“知识，只有当它靠积极的思维得来，而不是凭记忆得来的时候，才是真正的知识。”物理是对学生的思维能力要求很高的一门学科，一些物理概念、规律或原理深奥抽象，与日常生活往往有较大的距离，如果仅采用“纸上谈兵”的方式组织教学，学生被动“生吞活剥”，容易引起“消化不良”，会产生较大的思维障碍，更谈不上灵活运用。在课堂教学的各个环节精心设计演示或分组对比实验，既可以培养学生的动手能力和主动参与意识，也可以通过对实验现象的对比引发思维冲突，激发兴趣动力，消除思维障碍，让学生真正掌握科学思维方法，提升课堂教学的思维品质，从而构建具有思维深度和厚度的课堂。