实验教学的深度生成

江苏省无锡市刘潭实验学校(214046) 宋怀甫

科学探究是学习物理的重要环节，科学探究主要包含7个步骤：提出问题、猜想与假设、设计实验与制定计划、进行实验与收集证据、分析与论证、评估、交流与合作。实验是科学探究的核心，通过实验不仅能帮助学生建立物理观念，寻找并归纳物理规律，还可以促进学生科学思维的形成，做好实验至关重要。课堂教学中教师应充分利用实验，让学生可以根据实验中的操作、现象、数据和困惑生成实验的深度学习，让课堂教学走向深入，深度开发学生的科学思维。

1 根据实验现象深度生成

物理实验就是在教师的启发、指导下进行有目的、有步骤地操作活动。如果只能利用直观的实验现象解决简单的问题，这样的课堂是肤浅的课堂。如果能充分挖掘实验现象，透过现象看本质，这样的课堂是深度课堂。

案例一：比较纸锥下落的快慢

(1)如图1所示，剪2个大小一致的圆纸片，制成2个锥角不同的纸锥(扇形的圆心角不要剪掉)。将2个纸锥从同一高度同时静止释放，哪一个纸锥下落的快？你是怎样比较纸锥运动快慢的？

(2)有没有其他比较物体运动快慢的方法？

(3)如果将2个纸锥从不同的高度同时释放，怎样比较它们运动的快慢？

如果按照教材的编排进行实验，第(1)个问题学生凭借一己之力还能勉强解决，第(2)个问题就无法解决了。为了根据实验现象促成深度生成，实验前不仅要提醒学生认真观察纸锥的下落过程，还要把纸锥下落的过程和落地的先后进行截屏，如图2所示和图3所示。采用问题串的形式深入浅出，降低学生学习的难度，促进学生深度学习。

师：根据图2，你能判断哪个纸锥下落得快？你判断的依据是什么？你是采用什么方法比较纸锥运动快慢的？

生：小纸锥下落较快，因为相同时间内小纸锥通过的路程长。这种比较物体运动快慢的方法可以称为“相同时间比路程”。

师：根据图3，你发现哪个纸锥先落地？你能判断哪个纸锥下落得快？你判断的依据是什么？你是采用什么方法比较纸锥运动快慢的？

生：小纸锥先落地，小纸锥下落得快，通过相同的路程，小纸锥运动时间较短。这种比较物体运动快慢的方法可以称为“相同路程比时间”。

师：把较高处的小纸锥和较低处的大纸锥静止释放，怎样比较纸锥运动的快慢？

生：可以分别测量出纸锥下落的高度和时间，分别计算出小纸锥和大纸锥在单位时间内通过的路程，比较单位时间内通过的路程可以比较纸锥运动的快慢。

师：物体在单位时间内通过的路程叫速度，比较速度可以比较物体运动的快慢，速度可用来表示物体运动得快慢。

通过纸锥下落的实验现象，学生学习了比较物体运动快慢的方法，教师引入了速度这个物理量，可见用好实验现象可以促进深度生成。

2 根据实验操作深度生成

没有精准的实验操作，有时甚至不可能完成实验。现在的考试也重视了实验过程的考查，在实验教学中要重视实验操作，更要重视实验操作的深度生成。

案例二：探究平面镜成像的特点

师：如图4甲所示，利用茶色薄玻璃板、2只相同的蜡烛、白纸、刻度尺、铅笔，探究平面镜成像的特点。点燃蜡烛A，眼睛在A一侧观察蜡烛A的像在哪里？怎样确定蜡烛A的像的位置？请同学们进行实验。

生：蜡烛A的像在玻璃板的后方，手拿蜡烛B在玻璃板后的水平桌面上移动，直到蜡烛B与蜡烛A的像重合，这样蜡烛B就可以代替蜡烛A的像。

师：如图4乙所示，玻璃板倾斜放在桌面上，观察蜡烛A的像在哪里？手拿蜡烛B在玻璃板后的水平桌面上移动，蜡烛B还能与蜡烛A的像重合吗？

生：实验发现，玻璃板倾斜放在桌面上，蜡烛A的像在玻璃板后水平桌面的斜上方，在水平桌面上无论怎样移动蜡烛B，都不能与蜡烛A的像完全重合。

师：探究平面镜成像特点的实验，薄玻璃板应该怎样放置？

生：薄玻璃板要垂直于桌面放置。

在复习巩固环节，教师可以请2个学生在黑板上分别画出图5甲、乙、丙中物体AB通过平面镜所成的像。

师：根据甲、乙、丙3张图，探究平面镜成像特点的实验中，薄玻璃板和蜡烛A要怎么放置？

生：玻璃板和蜡烛A都要垂直于桌面放置，这样手拿蜡烛B在玻璃板后的水平桌面上移动，蜡烛B才能与蜡烛A的像完全重合。

通过这样的深度学习，学生感悟出探究平面镜成像特点时要想确定像的位置，玻璃板和蜡烛都必须垂直于桌面放置。

3 根据实验数据深度生成

实验教学中为了深度生成，教师有时要预设陷阱，先让学生陷进去，然后再想办法让学生走出来。学生根据设计好的实验，有步骤的认真做完了实验，教师要重视实验数据的收集。可以让学生分析实验数据，归纳结论，还可以利用实验数据进行深度教学。

案例三：复习“探究电流与电阻的关系”

课前准备了下列实验器材：干电池2节，滑动变阻器(20 Ω，1 A)、电流表、电压表、开关各1个，导线若干，5 Ω、10 Ω、20 Ω的定值电阻。

实验前设计了电路图，如图6所示，实验步骤如下：

(1)根据电路图连接好电路；

(2)调节滑动变阻器，测量出5 Ω的电阻两端的电压和通过它的电流，并填入表格；

(3)分别换用10 Ω和20 Ω的电阻重复上述实验。

学生进行实验，教师精心收集证据。第一组实验数据见表1。

表1 第一组实验数据

师：分析实验数据，你能得出什么结论？

学生甲：电压一定时，电流与电阻成反比。

学生乙：电压一定时，电阻与电流成反比。

师：电阻与哪些因素有关？电阻与什么无关？

生：电阻与导体的材料、长度、横截面积和温度有关。电阻与电压和电流无关。

师：既然电阻与电流无关，能说电阻与电流成反比吗？电流与电阻的关系应该怎样表述？

生：不能说电阻与电流成反比，应该说电压一定时，电流与电阻成反比。

第二组实验数据见表2。

表2 第二组实验数据

师：该同学在实验中控制电阻两端的电压为1.0 V，他测量了2组数据，第3组数据为什么没有测量出来呢？

生：把20 Ω的电阻接入电路，无论怎样调节滑动变阻器，电阻两端的电压都不能调节到1.0 V。

师：看来探究电流与电阻的关系时，电阻两端的预设电压不能随意设定。把5 Ω的电阻接入电路，调节滑动变阻器的滑片，使电压表示数为1 V；取下5 Ω的电阻，把10 Ω的电阻接入电路，闭合开关，滑片P怎样移？

生：每次更换较大的电阻后，滑动变阻器的滑片P都要向阻值增大的方向移动。

师：把20 Ω的电阻接入电路，滑片P怎样移？滑片P移到阻值最大处，电压还是大于预设电压，你的预设电压最小只能是多少？

生：把20 Ω的电阻接入电路，滑片P移到阻值最大处，此时电阻两端的电压就是最小预设电压。

师：电阻两端的预设电压最大是多少？

生：根据串联分压，电阻两端的电压最大，滑动变阻器两端的电压最小。滑动变阻器接入电路的电阻为0 Ω时，电阻两端的电压最大，等于电源电压。

师：2节干电池串联，电源电压是3 V。如果分别把5 Ω、10 Ω和20 Ω的电阻接到电源上，电阻两端的电压都是3 V吗？请同学们根据电路图7进行实验。

学生进行实验，收集到的一组实验数据见表3。

表3 实验数据

师：分析表格中的电压与电阻的关系，你能得到什么结论？

生：外电路电阻两端的电压随电阻的增大而增大。

师：探究电流与电阻的关系时，要确保3个电阻都能在预设电压下完成实验，把哪个电阻接入电路，预设电压最大？

生：把5 Ω的电阻接入电路，滑动变阻器接入电路的电阻最小，此时5 Ω的电阻两端的电压就是最大预设电压。

师：探究电流与电阻的关系时，要确保3个电阻都能在预设电压下完成实验，把哪个电阻接入电路，预设电压最小？

生：要确保3个电阻都能在预设电压下完成实验，把20 Ω的电阻接入电路，滑动变阻器的滑片移到阻值最大处，此时20 Ω的电阻所分的电压就是最小电压。此时外电路的总电阻为40 Ω，根据外电路电阻两端的电压随电阻的增大而增大，可知40 Ω的电阻所分的电压大于2.6 V。所以，电阻两端的预设电压的最小值Umin。

电阻两端的预设电压U的范围为：1.3 V

在复习“探究电流与电阻的关系”时，根据学生测量的实验数据深度学习，深刻理解了电流与电阻的关系，电源电压随外电路电阻的增大而增大，电阻两端的预设电压有一定的范围。

4 根据实验中的困惑深度生成

尽管在实验前，进行了实验设计，甚至教师可能用PPT展示实验步骤，但是学生在实验的过程中还可能会遇到好多意想不到的事情。有的困难经过教师的点拨，学生自己能迎刃而解；有的困难，即使教师进行了指导，学生可能还是很难解决。对于学生在实验过程中遇到的困惑，教师不应该回避，可以在交流环节进行探讨，帮助学生深入思考，促进实验的深度生成。

案例四：测量小灯泡的功率

实验目的：测量小灯泡的额定功率和实际功率

实验与记录如下：

(1)按照图8(a)连接电路；

(2)调节滑动变阻器，使其接入电路中的电阻最大；

(3)闭合开关，移动划片，分别使电压表的示数小于、等于和略大于小灯泡的额定电压，观察小灯泡的亮度，读出电压表、电流表的示数并填入表4。

表4 数据记录

教材上给出了实验操作步骤，学生只要按照实验步骤完成实验即可。在这个实验中，为了培养学生解决电路故障的技能，教师也可以在实验前给实验能力强的学生增加难度，把灯泡旋起来一点，使灯泡与灯座接触不良。在实验的交流环节，可以来解决实验过程中学生遇到的电路故障问题。

师：测量灯泡电功率的实验中，你们遇到了什么问题？

生：我们电路连接正确，但是闭合开关后，灯泡不亮，电流表无示数，电压表有示数且等于电源电压。

师：请你根据图9分析一下电路故障的原因：先取下电压表，闭合开关，灯泡不亮，电流表无示数，电路故障可能是什么？

生：可能是电路断路。

师：哪里断路呢？根据电压表有示数，可以判断电压表所在电路是通路。教师用红笔画出电压表所在电路，如图10所示。电压表除外，原电路哪里断路？

生：可判断出灯泡断路。

生：实验中还发现，当灯泡两端的电压是0.5 V时，灯泡不亮。

师：灯泡的亮度由什么决定？当灯泡两端的电压是0.5 V时，灯泡的实际功率多大？

生：灯泡的亮度由灯泡的实际功率决定，当灯泡两端的电压是0.5 V时，灯泡的电流是0.16 A，灯泡的实际功率是0.08 W。灯泡的实际功率太小，灯泡也不亮。

在探究实验的交流环节，解决学生实验过程中遇到的困惑，让学生掌握电路故障的分析技巧，明白灯泡不亮的原因，促进实验教学的深度生成。