基于初中物理概念教学难点突破的实验设计

摘 要：初中物理中科学概念的确立、定律和原理的发现，无不有着坚实的实验基础.精心设计的实验具有高度的艺术性，可以把许多学生感觉相对抽象和复杂的科学概念，在实验中转化为直观、清晰的科学道理，易学易懂，促进学生理解和思维发展.

关键词：物理概念;教学难点;实验设计

中图分类号：G633.7 文獻标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）04-0063-03

作者简介：郑建新（1974-），男，本科，中学高级教师，研究方向：初中物理、化学、生物教学.

初中物理中科学概念的确立、定律和原理的发现，是在大量观察实验基础上运用一定的逻辑思维的方法，把事物的本质特征和共性集中起来，加以概括而形成的.精心设计的实验具有高度的艺术性，可以把许多学生感觉相对抽象和复杂的科学概念，在实验中转化为直观、清晰的科学道理，易学易懂，促进学生理解和思维发展.

1 拨云见日，从突破前概念角度设计

在教学中我们无法回避前概念的干扰，既然无法回避就不妨设计实验将这些前概念暴露出来，在实验过程中让学生产生认知冲突，最后通过实验纠正学生头脑中错误的前概念，重新建构起新的科学概念，通过这样一个实验过程，学生获取知识是主动的、自己发现的，而不是强加给学生的，学生对知识的理解和接受以及科学概念的掌握必然更加牢固.

1.1 重力的方向

在七年级物理教学中，发现学生对重力方向的表述在垂直于地面向下和竖直向下的两种表达中有很大的争议.课前学生的预习中有近八成的学生选用的是垂直于地面向下而非竖直向下，笔者从未想过对于该概念的理解居然会有这么多的误解.

“重力的方向总是竖直向下的”，究竟是一个什么方向呢？可以通过一个实验设计得到答案.用一个透明的水槽装有颜色的水，静止时水面是怎样的？（水平）那就是我们常说的水平面.重力的方向与它是否有关呢？请学生讨论思考，之后把挂有重物的绳子挂在刚才的水槽上，马上可以发现两者互相垂直.若把整个装置倾斜一定角度呢？绳子的方向会发生变化吗？

实验后，同学们可以发现水面一直是水平方向，而且绳子的方向也始终与水平面垂直.学生顺理成章就得到了结论：重力的方向与水平面方向垂直.通过这个实验化解了学生心中的疑团，破解了学生的错误理解，学生对重力方向的认识和表达也更清晰明了.

重力的方向是一个看似简单的问题，通过学生亲历实验探究过程，去发现已有的生活经验和新发现的现象之间的不一致，引发矛盾冲突，才能使学生不断反思并且修正自己的认识和经验，接受或提出更为科学的新假设、新解释、新概念.

1.2 滑动变阻器

转变前概念不能是简单的交换概念，而是新旧知识和经验之间的更新过程，即顺应和转化的过程.学生在进行学习之前在日常生活和学习过程中会积累大量的生活经验，有的经验反映了客观事物的本质，是正确的，有些经验则是违背客观事实和规律的.教学中教师应充分了解学生的前概念，设计实验实现科学概念与学生前概念之间的顺利转化.

滑动变阻器是建立在电阻的概念基础上，学生通过上节课的学习，很容易设计出改变电阻丝的长度来改变灯泡亮度的电路，激活学生头脑中已有的有用的前概念非常有利于新概念的形成和建立.在分析电流“路径”以理解“接入电路的有效长度”时，电流从哪里流进滑动变阻器，从滑动变阻器的哪个部分流出来？对于初学电学的八年级学生来说，非常抽象难以理解.

如图3所示，学生观察灯条上电流流过的路径，并在结构示意图中画出电流路径，从而得出判断“接入电路的有效长度”的方法.利用上述自制教具，接入三个接线柱，观察电流的流过路径，然后进一步分析短路的部分，从而让学生信服地接受这种连接，真正接入电路的有效长度是哪一部分.通过巧妙的安排和实验，把不容易理解的概念，转化为易接受的模型，自主建构知识.

课堂中，学生的许多前概念对科学概念的形成是有积极作用的，帮助学生实现从前概念到科学概念认知上的转变，有效的方法就是给学生准备与前概念冲突的材料，设计实验顺利实现了概念的同化，在观察实验现象、分析数据的基础上，获得更多的信息，去发现实验现象或现实和已有的生活经验之间的不一致，让学生反思、审视并修正自己的认识和经验，从而去积极地建立新的物理概念.

2 别具匠心，使抽象的概念直观具体

在物理教学中，有许多概念是不能直接被学生感受到的，往往成为大家在学习过程中的难点，教师在教学中从学生的认知“难点”出发，通过实验引导认知冲突，帮助学生直观理解概念、原理等，使知识形象化，便于运用.

2.1 虚像（平面镜成像）

平面镜成虚像看得见却摸不着，对于初一的学生来说是一个比较抽象的概念，如果没有一个具体直观的实验帮助学生理解，很容易造成学生对平面镜成像特点和原理的机械式记忆，突破难点的关键在于帮助学生理解虚像的概念.

如图4所示，贴着玻璃板放一张不透光的黑纸，从点燃蜡烛A的一侧向玻璃板中看，可以看到蜡烛在玻璃板中成清晰的像，这个像上没有实际光线通过，所以平面镜成虚像.如图5所示，把蜡烛A放在玻璃板的前面.点燃蜡烛A，在玻璃板后用白纸板光屏接收蜡烛A的像，看不到“A”的像，同样说明没有实际光线经过像，平面镜成的是虚像.

2.2 对流

教材中利用蚊香的烟做对流实验，现象不是很明显，即使后面用上背景纸，看上去也不是很清楚.而且学生会认为蚊香的烟受热上升，和对流没有关系.改进后的实验如图6所示，用到的器材有U型PPR管（两侧为玻璃管） 、铁架台（底座带开关）、蚊香、纸条或小风扇、电热丝.当给电热丝通电后，就可以看到比较明显的现象：蚊香的烟被吸入U型管内，因为热气流上升，推动小风扇转动，U型管左侧开口处空气进来补充，就出现了上述明显的对流现象.

学生在实验中从感性认识过渡到理性分析，更好地促进学生对物理重要概念、事实、原理的透彻理解.

3 深思熟虑，让概念变得深刻形象

通过巧妙的实验设计帮助学生建构物理知识，加深對概念的理解和深化，将思维难点逐步分解，从易到难，由浅入深，在实验中使学生获得启发、顿悟，由感性的直观认知逐渐引向理性的抽象概括，进而能够达到准确、严密、深刻地理解和掌握所学概念的目的.

3.1 液化放热

初中物理课本有液化放热，但缺乏直观演示，学生感觉比较抽象，理解上存在一定困难.

如图7所示，在U型管中装入适量溶有碘酒的酒精，两端用双孔橡皮塞密封，两孔中各插入电子温度计和一端开口的玻璃管，注意保持良好的气密性.在左侧玻璃管中加入适量冷水，在右侧玻璃管中加入等量35℃左右的温水.

将U型管底部放入盛有40℃左右热水的水槽中，促使底部酒精汽化，一段时间后可观察到左侧玻璃管上不断有棕黄色液滴滴下，左侧传感器显示温度显著上升，而右侧玻璃管和右侧传感器显示温度均无明显变化.取材方便，操作简单，现象直观;便于学生理解遇冷液化，液化放热问题.

3.2 气体对外做功

课本中气体对外做功实验，不能观察过程中瓶内温度的变化.在大矿泉水瓶下端装一个气门芯，在瓶盖上开孔，将数显温度计的探头放入空矿泉水瓶中，用打气筒给密闭空矿泉水瓶打气，观察到数显温度计示数快速上升.打开气门芯放气，出现白雾的同时，观察到数显温度计缓慢下降.气体对外做功，应该是内能减少，温度下降，但因为气体在温度计探头表面液化放热，使温度下降缓慢.

极具趣味性现象的实验设计，生动有趣的现象能吸引学生的注意，促进学生思考，让学生在探讨问题的过程中产生灵感和顿悟，促使学生在深入的思考后，多方位地理解科学概念.

3.3 比热容

浙教版教材利用砂石和水来引出比热容的概念，但是砂石和水的变量较多如状态不同，水有对流而砂石没有等.作为演示实验，应尽可能控制好实验变量，选用质量相同的砂石和食盐，在状态、导热性、固体无对流等方面的变量能得到控制，做到单一变量.热源选用水浴加热，操作性强，同一杯热水中变量统一，热水热源较稳定，实验时间较快效果明显.在实验过程中达到了对比热容概念的理解和深化.

如图8所示：取相同质量的食盐和砂石放入小烧杯中，盖上带有温度计的单孔橡皮塞，在大烧杯中加入热水，将两个小烧杯同时放入热水中，水浴加热.观察读数.

科学概念是对科学现象和过程的高度概括和抽象的思维形式.教师依据教学内容，从学生的实际出发，挖掘实验潜能设计实验，平常中出新，新意中促思，设计一个个符合初中学生思维特点的生动、有趣、形象的实验，在实验设计过程中，注重提升学生思维的严谨性，让物理概念形象直观，可以取得更好的效果.

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（收稿日期：2020-11-17）