例谈物理教学中的实验器材探究

摘要：实验器材的探究内嵌于整个物理实验教学过程中，与教学的各个环节相互融合。当前物理教学中，存在对实验器材探究不够重视的现象。对此，应根据学习内容和教学重点，选择合适的、有利于学生思维发展的重要器材进行突破，突出对其选用原因、构造过程或设计原理的探究。以斜面、滑动变阻器、压强计为例，分别加以说明。

关键词：实验器材 选用原因 构造过程 设计原理

实验器材的探究内嵌于整个物理实验教学过程中，与教学的各个环节相互融合。日常的物理实验教学中，经常可见“直接呈现实验器材—介绍操作方法—学生实验探究”的“高效”教学活动。这样的教学看起来很流畅，但学生对实验器材的作用、构造、原理和操作方法难以产生深刻的认识，也就限制了思维能力和创新能力的发展。对此，笔者认为，应延缓重要实验器材的出场时间，根据教学内容，有针对性地突出对其选用原因、构造过程或设计原理的探究。下面，以斜面、滑动变阻器、压强计为例，分别加以说明。

一、探究实验器材的选用原因

对于“探究阻力对物体运动的影响”实验，苏科版初中物理教材提供的器材是斜面、木板、玻璃板、棉布和小车。小车从斜面的相同高度处滑下，到达水平面时速度相同。其中，斜面的作用显而易见，用其来探究似乎理所当然。但如果不给定器材，而让学生根据探究目标自主确定器材呢？我们可以这样展开教学——

师根据研究目标，需要选择哪些器材？

生产生不同阻力需要粗糙程度不同的水平面，可以选择的器材有玻璃板、木板、棉布、毛巾等。

师运动的物体呢？

生选择小车。小车与接触面摩擦力小，运动距离较远，便于观察比较。

师请说说实验的大致思路。

生运用控制变量法，让小车以相同速度在不同水平面上运动，比较小车运动的路程。

师怎么保证小车的初始速度相等？

（学生思考。）

生直接用手推，每次用相同大小的力。

生將弹簧一端固定，另一端和小车接触，每次将弹簧压缩相同的距离。

……

学生从探究目标出发，自主选择器材，生成了原生态问题：直接推，很难控制手的推力相同;用弹簧，固定和操作都比较麻烦。学生意识到，看似简单的问题实现起来却有很多困难。此时，让学生拿出抽屉里的斜面，与自己提出的方案比较可行性和简易性，深刻体会到斜面的巧妙作用。

二、探究器材的构造过程

苏科版初中物理九年级上册中有专门的“学习使用滑动变阻器”的探究活动。传统教学一般是先出示滑动变阻器，然后介绍结构和接法，强调滑动变阻器的使用方法。这使得学生缺少对这一实验器材“为什么有这些部件”“这些部件的作用是什么”的深度思考与探究。对此，可“拆解”滑动变阻器，这样展开教学——

师我们学习了导体电阻与材料、长度、横截面积和温度有关。（展示铅笔芯）要改变铅笔芯接入电路的电阻大小，改变哪个因素比较方便？

生长度。

师现在就用这种方法改变电阻，以改变通过灯泡的电流，进而调节灯泡亮度。

（教师提供器材：干电池两节、小灯泡、开关、电流表、铅笔芯、导线若干、带鳄鱼夹的导线两根。学生实验。）

师用铅笔芯改变电阻能在电路中推广使用吗？为什么？

生不能，因为铅笔芯在使用过程中容易折断。

师怎么改进？从稳定可靠和使用方便两个方面考虑。

生用金属丝代替铅笔芯，如铜丝。

（教师提供一小段铜丝，学生实验时发现问题：改变长度时，灯泡亮度基本不变。）

师为什么会出现这种情况？

生铜丝的电阻（率）太小了，长度变化不能明显改变其电阻，需要电阻（率）比较大的材料。

师镍铬合金线就是这样一种材料。

（教师提供一小段镍铬合金线，学生继续实验。）

生灯泡明暗变化不明显。

师原因是什么？

生可能是电阻变化区间太小。

师怎样使灯泡亮度变化更显著？

生增加线的长度。

（教师提供2米左右的镍铬合金线，学生实验后发现：电阻丝过长，易缠绕在一起，且对实验操作干扰大，使用非常麻烦;如果需要更大变化范围的电阻，电阻丝将更长，改变电阻极不方便，且携带不便。）

师怎样改进？

生可将镍铬合金线绕在一段塑料管上。

（学生继续实验，灯泡亮度变化还是不明显。）

师大家注意看一下绕线，每匝镍铬合金线是彼此接通的，所以电流并不是沿电阻丝螺旋式导通，而是横向导通，相当于接入阻值较小的金属圆筒。如何解决这一问题？

生每匝镍铬合金线之间要彼此绝缘。

（教师提供表面涂有绝缘漆的镍铬合金线，学生制作“滑动变阻器”。教师引导学生在线圈中部刮出一条便于接通的通道，滑动变阻器核心部件就构造出来了。）

电阻丝是滑动变阻器的核心。从铅笔芯容易折断，到铜丝电阻率太小，再到镍铬合金线太长不方便，层层深入，学生经历了滑动变阻器从萌芽到雏形，再臻于完善，最后整体构造出来的过程。这与科学家发明创造的思维路径很相似，能使学生在形成对滑动变阻器深刻认识的同时，发展科学思维。

三、探究实验器材的设计原理

“探究影响液体内部压强的因素”实验的核心器材是压强计。掌握压强计的操作方法并不难，这些程序性知识难以提高学生的思维水平。而通过对压强计设计原理的自主探究，能帮助学生在头脑中建构压强计的模型，提升思维能力和创新意识。我们可以这样展开教学——

（教师提供器材：底部或侧壁粘了橡胶薄膜的矿泉水瓶、空的保鲜袋、封闭且有水的保鲜袋、装水的圆柱体容器。学生利用这些器材，寻找液体产生压强的证据。图1、图2为部分学生找到的证据。）

师（展示图1中的器材）能用这个工具探究吗？试试看。

（学生尝试。）

生深度变化时，橡胶薄膜凹凸程度的变化不容易观察到;而深度相同时，改变橡胶薄膜的方向比较困难。

师优化后要达到什么目标？

生橡胶薄膜能大角度转动，橡胶薄膜形变能放大。

生为使橡胶薄膜在水中灵活转动，装有橡胶薄膜装置的体积要尽量小一些。

……

（教师展示压强计的一部分，如图3，演示可转动的橡胶薄膜;然后，借助实物投影讲解，当橡胶薄膜压向液体时，小金属盒里的空气通过小孔和橡皮管排出;接着，出示压强计的U形管，如图4，将吹灰球接上左端橡皮管，轻轻一捏，液面高度差变得很大。）

师有什么放大橡胶薄膜形变的办法吗？

生将U形管的橡皮管套在小金属盒的排气孔上。

（学生实验。）

师这里运用了组合法，它是创新的一种重要方法。看来，创新也是有“套路”可循的。另外，将橡胶薄膜的形变转换成U形管的高度差，体现了转换法的思想。这是一种重要的科学探究思想。

探究液体压强与哪些因素有关，首先要解决的问题是如何反映液体的压强大小。通过液体产生压强的体验活动，学生获得了“用橡皮薄膜形变程度反映压强大小”这一经验。将矿泉水瓶插入水中，不同深度时，难以直观比较形变程度;相同深度时，很难灵活改变橡皮薄膜方向。这无形中激发了学生发明一种适宜的探究工具的需求。这种工具既能在水中自由转动，又能清楚地反映橡皮薄膜的形变程度。学生的创造因子被激活。这一探究任务颇具挑战性，需要教师适当地指导，尤其在学生缺乏创造方法时，更需要教师铺设台阶，避免学生产生畏難情绪。如果时间充裕，学生又具有较高的物理素养，则可以完全放开，让他们创造出自己心目中的压强计，并利用其进行深入探究。

综上可见，强调实验器材探究的教学，彰显了实验教学的价值，对促进学生深度学习、发展学生物理学科核心素养有着积极的作用。需要注意的是，并不是每个实验器材都要采用这种探究式的教学方法，而是要根据学习内容和教学重点，选择合适的、有利于学生思维发展的重要器材进行突破。同时，对实验器材的探究是一个“慢教学”的过程，要规划好教学时间，使其真正地为物理教学服务。

参考文献：

[1] 白孝忠.初中物理课堂活动教学应重视的几个问题——基于促进“深度学习”视角说明[J].中学物理教学参考，2018（21）.