基于比较的实验教学改进策略

摘 要：对于初学物理的八年级学生来说，物理具有极大的神秘感.为此，在物理教学起始阶段，就有必要强化学习方法的训练，从而帮助学生快速地入物理之门，比较法就是一种便捷而实用的学习方法，引导学生通过比较逐步从被动地吸引走向主动地探究，实现在动手中主动建构物理知识以培育学科关键能力.本文结合“熔化和凝固”一课的实验设计，分享如何在课前准备和课堂实施中运用比较法进行教学.

关键词：比较教学;同中求异;异中求同;逆向比较

中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）18-0028-03

作者简介：王雷（1969-），男，江苏南通人，本科，中学高级教师，研究方向：初中物理专题学习研究.

比较就是通过事物间相同或相异特征揭示事物本质和区别的方法，是科学研究的基本方法之一.在日常教学中，运用比较法可以帮助学生接受新概念或加强对概念的理解，最终分解复杂问题和抽象知识，即从个别现象中找到普遍规律.基于物理的学科特点，在物理学习的过程中，引导学生迅速掌握并能自觉运用比较法是物理入门学习的重要手段，可起到事半功倍的效果.从比较的形式来看，可分为横向比较和纵向比较[1].那怎样有效地渗透比较法于物理教学之中呢？下文结合“熔化和凝固”一课的实验设计谈谈比较法在物理教学中的应用.

1 实验装置的比较与改进

“熔化和凝固”一课的教材安排，各版本有着不同的思考，总体思想都是通过对两类物质的熔化差异进行比较从而找到固体熔化的规律.苏科版教材把此部分内容安排在“汽化和液化”之后学习，安排的是“冰和烛蜡”的熔化比较，并设计为活动，而非学生必做的分组实验，但从教学效果看，把这一活动设计成学生分组实验，对学习效果无疑具有极好的提升价值.

1.1 烛蜡熔化装置的改进

（1）定制“长度10cm，内径2cm”的试管.实验室配备的内径2cm试管的默认长度是20cm，使用长试管有两个弊端：一是搅拌困难，二是温度计大部分读数区在试管内，影响温度读数（如图1所示）.

（2）烛蜡制成颗粒状.因为烛蜡碎屑给学生的起始感觉就是软的，利用小颗粒状烛蜡进行实验，能讓学生感受到固态烛蜡也是有一定硬度的.

（3）采用橡皮塞固定温度计，把试管、烛蜡颗粒、温度计、搅棒四位一体，做成一套整体器材，以降低学生操作的难度和节省实验时间（整体装置如图1所示）.

1.2 冰熔化装置的改进

冰熔化实验是极难控制的.常见的困难有以下三点[2]：

（1）温差过大引起的结霜.装置从冰箱取出，在常温25℃条件下，其表面会迅速结霜，实验时需要及时擦除结霜和结水.冰也会在常温下迅速升温熔化，学生往往还在清除结霜过程中就错失了对冰熔化前的现象观察与温度数据的测量.

（2）实验时间较长.冰的熔化所需热很多，反复实验，2g冰在25℃的常温条件下自然吸热完全熔化约为7分钟.

（3）熔化温度的不稳定性.当温度计实测到-1℃时，外围的冰就已开始熔化，会在-1℃、0℃、1℃、2℃等温度点有较长时间的稳定期，这一现象是因为冰是热的不良导体，导热效果不理想所致.

基于学生对冰熔化的认识，冰熔化时的固态特征是不会改变的，只会在量上变少.为此，把这个实验的观察点确定为冰在熔化时状态变化和温度的测量.从实验效果和时间两方面进行综合权衡，设计了以下方案.

装置设计：使用“长度10cm，内径2cm”的试管，用双层管塞固定温度计，温度计玻璃泡位置在冰珠中偏下一点，因为冰熔化过程中总体积渐少，这种设计可保证玻璃泡一直处于冰水混合物的中央，温度计量程采用-12℃～100℃，以便记录冰升温的过程（装置如图2所示）.

冰的制取：通过反复试验，实验材料以球型冰珠为最佳，采用直径0.5cm的扁圆型药片底板，加注一滴水进行冷冻，冰珠因水凝固膨胀基本趋于圆形.为了保证冰的纯度较高，冰珠用纯净水制作.器材准备全部在冰箱的冷冻室完成，学生拿到冰珠时，初温可达到-18℃左右，要求学生在温度升到-12℃时开始记录数据.

通过这样的改进，是为了获得最佳的观察效果，两套装置有相似的地方，又有不同，给学生留下了比较的空间，学生在实验的同时也会感到疑惑，为什么两个实验的装置有着明显的不同呢？为了让学生主动去学会比较，教师课前对比较内容、实验器材的预设准备就尤为必要.

2 实验操作的比较与方法

“冰和烛蜡”熔化实验方法是有较大差异的，实验方法的比较更有利于拓宽学生的探究思路，帮助学生自主认识到实验方案设计的科学性和可行性.

2.1 加热方式的比较

烛蜡熔化实验采用“水浴加热”.这是因为常温下烛蜡是固态.苏科版教材把这一实验安排在“水沸腾”实验后的一次操作，这使学生有机会通过前后比较进行装置的安装和实验，在对比中，学生很轻松地完成装置安装，能够准确地把温度计的安装按照如图1装置固定.

冰熔化实验采用“空气加热”.这是因为学习这一内容时，气温约为25℃左右，装置从冰柜取出时为-20℃左右，如此大的温差，完成冰熔化实验不需要任何辅助热源，且2g左右的冰珠熔化的时间约为6-7分钟，可充分观察到冰熔化全程的现象，并能及时记录有关的数据.

2.2 搅拌方式的比较

因为二者的熔化观察要素有着较大的差异，而对实验现象的观察仅仅靠视觉是远远不够的，因为很多实验现象还需要其它的感官参与，才能相对全面地、多维地认识到物理变化过程中的各种现象.

烛蜡熔化实验采用搅棒参与搅拌.这里的搅拌一是为了促使烛蜡颗粒受热均匀;二是烛蜡的状态变化不仅是靠看就能看出来的，通过搅棒参与搅拌，能真切地感受到烛蜡在熔化过程中发生着从“硬—软—稠—稀”的变化过程.实践证明，这样的改进能有效地获得可靠的实验数据，现象明显，可观、可触、可感.学生能迅速根据所得数据描绘出烛蜡的熔化图像，还能知道各阶段烛蜡熔化的样态.

冰熔化实验的装置中不使用搅拌，改为振荡.因为冰熔化过程中冰珠之间、冰珠与管壁之间易出现粘连，搅拌恰恰会把冰珠搅离玻璃泡壁，反而使玻璃泡周围出现空间导致温度的测不准.在此，振荡比搅拌更能有效地使温度达到均匀，也能加快熔化（如图3所示），振荡还有利于冰珠一直包围在玻璃泡周围，使冰熔化过程稳定在0℃的时间也较长，可获得较为准确和完整的过程数据;同时振荡发出的“沙沙声”同样能证明冰的固态特征，此处的观察不仅是视觉，还有听觉参与起到辅助观察的作用.整体装置的简洁设计减少了对观察的干扰，将注意力集中于观察重点.学生轻松可得较为理想的冰熔化过程的数据，并绘制出较为理想的熔化过程图像，以便于进一步的学习.

学生在不同实验中使用既相似又存在不同的实验方案进行实验，同样会引起学生的注意，在对比中寻找理由，为今后能主动运用比较法去学习奠定基础.

3 实验教学的比较与实施

在本课的教学过程中，“比较”是主旋律.本课先做烛蜡熔化实验，学生自然会去和“水沸腾实验”进行比较，得出装置的相同与不同之处，后做冰熔化实验，学生会下意識地将两种物质的熔化特点进行比较.在整个实验过程中，学生受到潜移默化的渗透，思考着实验装置的不同、实验方法的差异，进而通过比较主动建构出本节知识的脉络和框架.从比较手段来看，本课安排的比较按“异中求同、同中求异、逆向比较”三个维度展开[3-5].

3.1 异中求同和同中求异

因实验的精心准备，学生在上课时能获得较为完美的数据，绘制两种物质的熔化图像（如图4所示）.

课堂片段1 熔化的比较

问：这两个图像存在着显著差异，那它们之间有怎样的相同点和不同点呢？

学生：相同点是固体熔化时都要吸热.不同点是烛蜡熔化过程中温度不断上升，而冰熔化过程中温度保持不变.

PPT出示：一组物质的熔化图像（如图5所示）.

问：对于这一组物质熔化的图像，你觉得怎么分类？说出你的分类依据.

学生：可把烛蜡、玻璃、松香分为一类，它们没有固定的熔化温度;把冰、海波、萘分为一类，它们都有固定的熔化温度.

教师：很好.固体从熔化性质上可分为两类，像烛蜡这类没有固定熔化温度的物质叫非晶体，像冰这类有固定熔化温度的物体叫晶体.

教师：请继续比较海波、冰和萘熔化图像，找出相同点和不同点？

学生：相同点是它们在熔化过程中不断吸热但温度不变，不同点是它们的熔化温度不同.

教师：物理上把晶体的固定熔化温度叫作晶体的熔点.非晶体没有熔点.

在此，通过异中求同和同中求异的反复比较，学生能轻松地认识到存在着两类固体，他们在熔化过程中是有差异的，但也存在着共同的特征.

3.2 逆向比较

水凝固实验在常态课堂是不可能去做的，一般由教师口述讲解完成，通过分析指出凝固是熔化的逆过程，再通过反复的题目训练去完成对凝固的学习.本课引用温度传感器对烛蜡熔液和水凝固实验进行对比.

课堂片段2 两类物质的凝固比较[2]

教师：凝固是熔化的逆过程，那么凝固又有怎样的特点呢？

演示1：采用直径1cm，长度10cm的小试管，注入1mL水放入冷源中凝固.因水凝固过程很难观察，这一实验改为教师演示、学生观察进行实验，在温度降到0℃时，适时取出装置观察，可见在试管壁的周边已有结冰现象，而平置后，仍有水流出（如图6所示），这一操作动作要快，以不影响水凝固过程和图像的生成.反复实验发现，这一装置在-8℃上下的冷源中完成的实验图像大约需要150秒.用第一传感器记录下冰的凝固过程.

演示2：将放在保温杯中的烛蜡熔液放入第二传感器获得凝固变化曲线.

凝固实验介入温度传感器，也是为了渗透现代化设备为教学服务的需要，通过直接记录实验过程的曲线，能让学生更直观地感知一个物理变化的过程.用传感器直观地得出二者的凝固图像（如图7所示），通过比较，学生自然而然就能够理解凝固是熔化的逆过程，同样晶体和非晶体在凝固时存在着差异，晶体熔液凝固时温度不变，对外放热，而非晶体熔液凝固时对外放热，温度不断降低.在此基础上，进一步引导学生再次比较得出晶体和非晶体熔化和凝固时的差异，可得晶体的熔点和晶体熔液的凝固点是相同的.

通过上述层层推进的比较，学生学会了分类，找到了分类依据，而分类依据正是本课要寻找的物理规律.在这样的差异比较过程中，实现了学生对新知识的主动发现和自主建构.在这样的训练中，学生会将比较法从不自觉逐步走向自觉地应用于以后的学习.

参考文献：

[1]鲁继柏.在“比较”中“发现”——浅谈高中物理教学中的“比较”教学法[J].中学物理，2016，34（13）：54-55.

[2]王雷.对冰熔化和水凝固实验的改进[J].物理教学，2020（07）：56-58.

[3]金建东.初中物理实验教学改进与创新策略探究[J].文理导航（中旬），2021（05）：49+58.

[4]张丽华.浅谈初中物理实验教学的改进与创新策略[J].天天爱科学（教育前沿），2021（06）：57-58.

[5]陈晔.初中物理实验教学的改进策略[J].试题与研究，2021（08）：106-107.

（收稿日期：2021-05-31）