物理教學(xué)中實(shí)驗(yàn)重構(gòu)與改進(jìn)的策略及思考*

時(shí)春華 陳東勤

作者：時(shí)春華，教授，中學(xué)高級(jí)教師，江蘇省物理特級(jí)教師，全國優(yōu)秀教師；陳東勤，淮安市教育技術(shù)裝備中心主任，中學(xué)高級(jí)教師。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是物理教學(xué)的重要組成部分，教師必須根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)教材提供的案例融入自己的理解與思想，讓細(xì)微處放大化，化模糊為清晰；轉(zhuǎn)換思維方式，變正向?yàn)槟嫦?；利用日常用品進(jìn)行低成本物理實(shí)驗(yàn)；展示物理原理的技術(shù)價(jià)值；適時(shí)運(yùn)用理想實(shí)驗(yàn)等策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)教材的重構(gòu)與改進(jìn)。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)的重構(gòu)與改進(jìn)，啟迪學(xué)生思維，促使學(xué)生更好地領(lǐng)會(huì)實(shí)驗(yàn)思想的精髓，提高他們的實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)和能力。

創(chuàng)造性、個(gè)性化地使用教材，能夠使我們的教學(xué)活動(dòng)更加符合學(xué)生的認(rèn)知需求，增強(qiáng)教學(xué)的適切性。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是物理教學(xué)的重要組成部分，是落實(shí)物理課程目標(biāo),全面提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要途徑。各版本的義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)中，針對(duì)物理教材都提供了較為豐富的實(shí)驗(yàn)素材及樣例。但是，在實(shí)際教學(xué)中，一方面由于校際間硬件設(shè)施配備的不均衡，另一方面由于各類學(xué)生認(rèn)知發(fā)展水平的差異，教師必須根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)教材提供的案例融入自己及他人的思想，對(duì)其進(jìn)行增減、置換和加工，實(shí)現(xiàn)對(duì)教材的重構(gòu)。對(duì)教材中的案例進(jìn)行重構(gòu)與改進(jìn)，不僅可以更好地體現(xiàn)教材在教學(xué)活動(dòng)中的“中介”作用，從而實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造性、個(gè)性化地使用教材，而且能夠使我們的教學(xué)活動(dòng)更加符合學(xué)生的認(rèn)知需求，增強(qiáng)教學(xué)的適切性。本文擬以“蘇科版義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書——物理”的相關(guān)案例為藍(lán)本，談?wù)剬?shí)驗(yàn)重構(gòu)與改進(jìn)的策略，以供參考。

1 讓細(xì)微放大，化模糊為清晰，增強(qiáng)學(xué)生感性認(rèn)識(shí)，體驗(yàn)概念和規(guī)律的形成過程

對(duì)微小物理量或物理量的微小變化量進(jìn)行測(cè)量，是物理實(shí)驗(yàn)中一個(gè)重要的領(lǐng)域。根據(jù)實(shí)際的測(cè)量要求，通過恰當(dāng)?shù)姆椒?，將微小有效地放大，就可以提高?shí)驗(yàn)的可觀察性和測(cè)量的精確度。在“聲音是什么”[1]的教學(xué)過程中，我們根據(jù)學(xué)生初識(shí)物理這一實(shí)際，對(duì)于固體發(fā)聲時(shí)物體的微小振動(dòng)，采用兩次“光放大”的方法讓振動(dòng)放大，學(xué)生們對(duì)此印象十分深刻。

“聲音是什么”是從學(xué)生十分熟悉的事物中提出的令學(xué)生感到陌生的問題。這有利于激發(fā)學(xué)生的探究欲望，也有利于教學(xué)內(nèi)容的拓展。新教材跟以往相比有了很大的改進(jìn)，“探究聲音的產(chǎn)生”一課，教材通過安排多樣化的活動(dòng)，力圖通過比較、歸納、轉(zhuǎn)化等方法，讓學(xué)生在活動(dòng)與思考的過程中感悟聲音是由于發(fā)聲體的振動(dòng)而產(chǎn)生的。具體教學(xué)線索如下：

試一試（一張紙、一根橡皮筋、一個(gè)筆帽、一杯水，怎樣使它們發(fā)出聲音？）

↓

想一想（上述物體發(fā)聲與不發(fā)聲有什么不同？物體發(fā)聲時(shí)有什么共同特性？）

↓

做一做（講話時(shí)，聲帶在振動(dòng)嗎？將發(fā)聲的音叉觸及面頰，音叉在振動(dòng)嗎？）

在“做一做”這一環(huán)節(jié)，教材通過“音叉貼面”讓學(xué)生感受振動(dòng)，許多學(xué)校由于條件所限，沒有那么多數(shù)量的音叉，因此，很難達(dá)到編者的意圖。為此，我們對(duì)“音叉貼面”實(shí)驗(yàn)作了置換，并對(duì)教學(xué)流程作了進(jìn)一步完善。

根據(jù)實(shí)際情況，我們做了敲擊桌子發(fā)聲的實(shí)驗(yàn)，敲桌子時(shí)，我們能聽到聲音，但肉眼卻看不見桌子在振動(dòng)。

桌子是否在振動(dòng)呢？有什么方法證明桌子在發(fā)聲的同時(shí)也在振動(dòng)呢？為此，我們?cè)谝粡堓^大的桌子上放兩個(gè)平面鏡M和N，將玩具激光筆固定，讓其發(fā)出的一束激光依次被這兩平面鏡反射，最后射到墻上，形成一個(gè)明亮的光斑。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

當(dāng)桌面不動(dòng)時(shí)，墻上的光斑不會(huì)移動(dòng)。用力敲擊桌面，可以觀察到在桌子在發(fā)聲的同時(shí)，墻上的光斑來回移動(dòng)。究其原因是因?yàn)樽雷诱駝?dòng)時(shí)，光的入射角變化，導(dǎo)致光斑來回移動(dòng)。

為了使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更明顯，實(shí)驗(yàn)中采用了兩次放大的設(shè)計(jì)。選擇用激光作為光源，其優(yōu)點(diǎn)是光的平直度好，亮度較高，易于觀察。另外，激光筆作為可移動(dòng)光源，操作更為靈活。

上述實(shí)驗(yàn)演示，可以讓學(xué)生在觀察中直觀地感受聲音所產(chǎn)生的振動(dòng)，效果較好。

接下來，給每個(gè)同學(xué)一根吸管，讓他們想辦法吹響，使其體驗(yàn)氣體發(fā)聲現(xiàn)象。

在此基礎(chǔ)上，我們引導(dǎo)學(xué)生歸納總結(jié)出：聲音是由于物體振動(dòng)而產(chǎn)生的。教材經(jīng)過這樣處理，具體、生動(dòng)的實(shí)驗(yàn)情景，不僅可以縮短物理知識(shí)與學(xué)生的距離，讓學(xué)生建立對(duì)物理、對(duì)科學(xué)的親近感，而且可以讓學(xué)生在剛開始學(xué)習(xí)物理時(shí)，通過教師的滲透式教學(xué)，引導(dǎo)其在探究的過程中，逐漸建立證據(jù)意識(shí)。學(xué)生經(jīng)過深入觀察和親身體驗(yàn)后，物理知識(shí)不僅容易領(lǐng)悟而且印象深刻。

2 轉(zhuǎn)換思維方式，變正向?yàn)槟嫦?，從而化弊為利突顯實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

客觀世界存在著互為逆向的事物，由于事物的正反向，才產(chǎn)生思維的正反向，兩者是密切相關(guān)的。實(shí)踐中也有很多事例，對(duì)某些問題利用正向思維不易找到正確答案，一旦運(yùn)用反向思維，常常會(huì)取得意想不到的功效。

八年級(jí)下冊(cè)“摩擦力”[2]53這一節(jié)，教材不是平鋪直敘給出影響滑動(dòng)摩擦力大小的因素，而是從改變摩擦力大小的角度，設(shè)計(jì)了“探究影響滑動(dòng)摩擦力大小的因素”的活動(dòng)，讓學(xué)生結(jié)合生活經(jīng)驗(yàn)，在猜想影響摩擦力的大小可能的因素的基礎(chǔ)上，利用通過控制變量，測(cè)出3種情況下的滑動(dòng)摩擦力，從而探究得出滑動(dòng)摩擦力與哪些因素有關(guān)的規(guī)律。

這一探究活動(dòng)能否順利完成，關(guān)鍵在于滑動(dòng)摩擦力的測(cè)量。對(duì)于滑動(dòng)摩擦力的測(cè)量，教材通過“信息快遞”這一欄目，給出的實(shí)驗(yàn)方案是：將物體置于水平桌面上，用彈簧測(cè)力計(jì)沿水平拉動(dòng)，使其作勻速直線運(yùn)動(dòng)，此時(shí)彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)等于物體所受滑動(dòng)摩擦力的大小。實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。

上述方案中，讓測(cè)力計(jì)水平拉動(dòng)木塊作勻速直線運(yùn)動(dòng)是關(guān)鍵。只有當(dāng)木塊作勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)才等于木塊受到的滑動(dòng)摩擦力的大小。這一方案的缺陷如下：一是手拉測(cè)力計(jì)，難以保證滑塊作勻速直線運(yùn)動(dòng)。二是在彈簧秤運(yùn)動(dòng)中讀數(shù)不方便，甚至難以讀數(shù)。按照這一方案操作，難度較大。

為此，將上述實(shí)驗(yàn)方案改進(jìn)為：讓木塊固定，用手水平拉動(dòng)木塊下面的木板，無論木板是否勻速運(yùn)動(dòng)，彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)都等于滑動(dòng)摩擦力的大小。實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)如下：一是彈簧測(cè)力計(jì)不動(dòng)，其示數(shù)易于觀察，便于讀取，避免了直接拉動(dòng)木塊時(shí)彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)的不穩(wěn)定性；二是不要求木板作勻速直線運(yùn)動(dòng)。

逆向思考是重要的思維方式，逆向，可能是事物發(fā)展方向的反方向，也可能是實(shí)驗(yàn)操作程序的反向?！安６笮浴薄半妱?dòng)生磁”“磁動(dòng)生電”都是運(yùn)用逆向思維方法而取得成果的典型案例。

3 利用日常用品進(jìn)行低成本物理實(shí)驗(yàn)，讓生活走向物理

用身邊的物品做實(shí)驗(yàn)，例如使用手機(jī)、飲料瓶等日常用品進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)，可以拉近物理學(xué)與生活的距離，下面擬舉相關(guān)案例加以說明。

手機(jī)已經(jīng)很普及，為了探究哪些介質(zhì)能傳播聲音，將一部手機(jī)裝入塑料袋內(nèi),并用一根長線密封好，然后把它慢慢浸沒于水槽中，用另一個(gè)手機(jī)對(duì)其進(jìn)行撥號(hào),手機(jī)開始振鈴。學(xué)生不僅看到手機(jī)屏幕的亮光,而且聽到從手機(jī)發(fā)出的聲音。實(shí)驗(yàn)表明了聲音可以在氣體、固體、液體中傳播，同時(shí)也讓學(xué)生體驗(yàn)了探究物理規(guī)律的方法。

利用飲料瓶能夠演示光的直線傳播、反射、折射等現(xiàn)象。準(zhǔn)備一個(gè)稍粗一些的飲料瓶，讓瓶中充滿香煙的煙霧，擰緊瓶蓋，就制成了一個(gè)光路顯示器。用激光筆從瓶底照向瓶口，能清晰地顯示光在同一種物質(zhì)中沿直線傳播。若將瓶底放在平面鏡上，用激光筆從側(cè)面照向瓶底的平面鏡照射時(shí)，會(huì)清晰地觀察到入射光線和反射光線。若飲料瓶中一半盛有未澄清的石灰水，一半是煙霧時(shí)，光從側(cè)面射向石灰水面時(shí)，會(huì)清晰地觀察到光的入射光線和折射光線。

學(xué)習(xí)“液體的壓強(qiáng)”[2]81時(shí)，我們可以將飲料瓶裝滿染成紅色的水，在不同的高度上扎眼，引導(dǎo)學(xué)生觀察不同深度的水噴射的距離。實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。在此基礎(chǔ)上，就液體內(nèi)部壓強(qiáng)的特點(diǎn)提出問題、猜想。這雖然是定性的體驗(yàn)性實(shí)驗(yàn)，卻可以為定量探究“影響液體內(nèi)部壓強(qiáng)大小的因素”做好鋪墊，指明方向。

學(xué)習(xí)“氣體的壓強(qiáng)”[2]85時(shí)，將空易拉罐在酒精燈火焰上方烤一會(huì)兒，然后將罐口堵塞，撤去酒精燈，在易拉罐冷卻的過程中，能聽到聲音且看到罐變癟了。此時(shí)，學(xué)生很容易體驗(yàn)到大氣壓強(qiáng)的存在。

利用日常用品，壇壇罐罐做實(shí)驗(yàn)，可以為學(xué)生搭建起生活世界與科學(xué)世界的橋梁，讓“從生活走向物理，從物理走向社會(huì)”的理念落到實(shí)處。

4 通過展示物理原理的技術(shù)價(jià)值，讓學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)的聯(lián)系

我們?cè)O(shè)計(jì)相關(guān)物理實(shí)驗(yàn)時(shí)，如果在揭示新現(xiàn)象、探究新規(guī)律的同時(shí)，注意展示科學(xué)原理的技術(shù)價(jià)值，就能夠讓學(xué)生較好地理解科學(xué)與技術(shù)的聯(lián)系。

“電磁感應(yīng)”[3]教學(xué)中，我們?cè)O(shè)計(jì)了下面的實(shí)驗(yàn)：將鋼絲繃緊在鐵架臺(tái)的支架上，在底座上靠近鋼絲處放置磁鐵，將鋼絲兩端與揚(yáng)聲器連接。讓小提琴的琴弓從鋼絲上掠過，鋼絲由于振動(dòng)而切割磁感線，電路中產(chǎn)生感應(yīng)電流，用手控制鋼絲的振動(dòng)長度，此時(shí)，由于電流的變化，揚(yáng)聲器發(fā)出美妙的樂音。將鋼絲加長并彎曲，模仿小提琴將其排列成為四股，琴弓從鋼絲上掠過，這個(gè)電提琴其音質(zhì)堪比小提琴?！半娞崆佟卑l(fā)出的美妙和弦，使學(xué)生不僅領(lǐng)略了格物致知的真諦，科學(xué)、技術(shù)、人文、藝術(shù)也在此得到融合。

技術(shù)與社會(huì)的聯(lián)系學(xué)生容易理解，科學(xué)與技術(shù)的聯(lián)系卻較難建立。實(shí)驗(yàn)是促進(jìn)學(xué)生理解科學(xué)與技術(shù)聯(lián)系的有效手段，如果我們?cè)O(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)是原汁原味的科學(xué)，卻能體現(xiàn)比較好的技術(shù)性能，學(xué)生一看就能知道是某一個(gè)科學(xué)原理在技術(shù)上的應(yīng)用，這樣我們就能夠讓學(xué)生理解科學(xué)與技術(shù)的聯(lián)系。

5 適時(shí)運(yùn)用理想實(shí)驗(yàn)啟迪學(xué)生思維，激發(fā)探索的興趣

“牛頓第一定律”[2]65教學(xué)中，教材將“探究阻力對(duì)物體運(yùn)動(dòng)的影響”這一演示實(shí)驗(yàn)，改為學(xué)生探究性實(shí)驗(yàn)，讓小車從斜面上的同一高度由靜止滑下，讓其分別滑上鋪有棉布的、什么都沒有鋪的、鋪上玻璃的水平木板，實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示。學(xué)生通過觀察及比較發(fā)現(xiàn)，小車受到的阻力越小，小車運(yùn)動(dòng)的路程越大。

在學(xué)生已有感性認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，教材寫道：“設(shè)想小車在絕對(duì)光滑的水平面上運(yùn)動(dòng)，即不受到阻力作用，小車將在水平面上永遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)下去?！苯滩慕又o出了牛頓第一定律。

學(xué)生的學(xué)習(xí)過程是對(duì)人類文化發(fā)展過程的一種認(rèn)知意義上的重演，他們學(xué)習(xí)科學(xué)的心理順序差不多就是前人探索科學(xué)的歷史順序。上述關(guān)于“牛頓第一定律”的教學(xué)設(shè)計(jì)，其出發(fā)點(diǎn)是降低對(duì)學(xué)生邏輯思維和抽象思維能力的要求，由于學(xué)生沒有完整經(jīng)歷對(duì)運(yùn)動(dòng)和力關(guān)系的一種認(rèn)知意義上的重演，導(dǎo)致一部分學(xué)生到了高中，在面對(duì)跟運(yùn)動(dòng)和力有關(guān)的具體問題時(shí)，仍然存在錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)。

為此，我們?cè)谏厦鎸W(xué)生實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以問題拓展的形式將伽利略關(guān)于斜面的理想實(shí)驗(yàn)引入教學(xué)過程，為發(fā)展學(xué)生的思維能力安裝一個(gè)“接口”。

首先，模擬演示伽利略的斜面實(shí)驗(yàn)。如圖6所示，設(shè)置一個(gè)向下的斜面，再圓滑地連一個(gè)向上的斜面，然后拿一個(gè)小球放在斜面上某點(diǎn)，由靜止運(yùn)動(dòng)下來，它將沖上另一斜面。我們發(fā)現(xiàn)小球在第二個(gè)斜面所能達(dá)到的高度與其起始高度相差不大。

接下來，教師通過一系列問題引發(fā)學(xué)生的思考。若換一個(gè)摩擦較小的斜面，可以看出，小球就較接近原來的高度。若摩擦越小，就越接近。這是實(shí)驗(yàn)事實(shí)。如果沒有摩擦，小球?qū)⑸仙皆瓉淼母叨?。減小第二個(gè)斜面的傾角，小球仍將上升到原來的高度，但這時(shí)它要運(yùn)動(dòng)得遠(yuǎn)些。繼續(xù)減小第二個(gè)斜面的傾角，小球達(dá)到原來的高度所通過的路程就越長。

教師再次設(shè)疑：若將第二個(gè)斜面放置水平，球會(huì)到達(dá)多遠(yuǎn)的位置？學(xué)生的結(jié)論：球?qū)⒂肋h(yuǎn)滾下去。這就是說，力不是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因。

當(dāng)然，我們無法消除一切阻力，也不能將第二個(gè)斜面做得無限長，所以伽利略的實(shí)驗(yàn)是“理想實(shí)驗(yàn)”。在此基礎(chǔ)上，通過引導(dǎo)學(xué)生討論、歸納和推理，得出牛頓第一定律就水到渠成了。愛因斯坦指出：“伽利略的發(fā)現(xiàn)以及他所應(yīng)用的科學(xué)的推理方法是人類思想史上最偉大的成就之一，而且標(biāo)志著物理學(xué)的真正開端?！盵4]4

安裝“接口”是在處理教材跟前沿發(fā)展有關(guān)聯(lián)內(nèi)容時(shí)，交代一下由此延伸出去的課題或領(lǐng)域，以實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)物理與當(dāng)代物理適度對(duì)接的教學(xué)策略。安裝一些“接口”，其目的不在于讓學(xué)生對(duì)這些問題有深入了解，而是讓學(xué)生感到人類對(duì)真理的追求是無止境的。其實(shí)，即使我們對(duì)這些前沿領(lǐng)域和課題并不作過多的展開，對(duì)學(xué)生的成長也是大有裨益的。

“科學(xué)家讀自然之書必須由他自己來尋找答案”[4]3，愛因斯坦曾把一代代科學(xué)家探索自然奧秘的努力，比做福爾摩斯偵探小說中警員破案的過程。在偵探故事中，有時(shí)候明顯可見的線索卻把人們引到錯(cuò)誤的判斷上去，也就是說，光憑經(jīng)驗(yàn)來做判斷常常是靠不住的。因此，物理教學(xué)中必須通過一定數(shù)量的實(shí)驗(yàn)揭示真相。物理實(shí)驗(yàn)是手腦并用的實(shí)踐活動(dòng)。教材中大量的演示實(shí)驗(yàn)和學(xué)生實(shí)驗(yàn)，我們不能采取簡(jiǎn)單的“拿來主義”，讓學(xué)生照方抓藥，機(jī)械操作。我們必須根據(jù)學(xué)校自身的教學(xué)資源，學(xué)生的認(rèn)知水平，對(duì)教材提供的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行適當(dāng)?shù)闹貥?gòu)或者改進(jìn)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，我們應(yīng)盡量再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)過程，多讓學(xué)生想想：應(yīng)該怎樣做？為什么要這樣做？換種方法能不能做等，以此來滲透物理思想，啟迪學(xué)生思路。實(shí)踐表明，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中有意識(shí)地創(chuàng)設(shè)一種探索的氛圍，使它帶上一定的研究色彩，將會(huì)促使學(xué)生更好地領(lǐng)會(huì)實(shí)驗(yàn)思想的精髓，有助于提高他們的實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)和能力。這不僅會(huì)為學(xué)生未來的發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的知識(shí)基礎(chǔ)，而且能為學(xué)生以后應(yīng)對(duì)知識(shí)社會(huì)的挑戰(zhàn)建構(gòu)應(yīng)有的能力結(jié)構(gòu)。

[1]劉炳升,李容.義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書:物理（8年級(jí)，上冊(cè)）[M].南京:江蘇科學(xué)技術(shù)出版社,2007:8．

[2]劉炳升,李容.義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書:物理（8年級(jí)，下冊(cè)）[M].南京:江蘇科學(xué)技術(shù)出版社,2007.

[3]劉炳升,李容.義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書:物理（9年級(jí)，下冊(cè)）[M].南京:江蘇科學(xué)技術(shù)出版社,2007:51．

[4]愛因斯坦,英費(fèi)爾德.物理學(xué)的進(jìn)化[M].周肇威,譯.長沙:湖南教育出版社,1999.