新課程下微實驗的開發(fā)與實例

姚峰超，孟現(xiàn)美

(山東師范大學 物理與電子科學學院，山東 濟南 250014)

新課程下微實驗的開發(fā)與實例

姚峰超，孟現(xiàn)美

(山東師范大學 物理與電子科學學院，山東 濟南 250014)

摘要：為了適應新課程改革對物理實驗的要求，在總結了當前物理實驗教學弊端的基礎上提出了微實驗的模式，給出了定義，描述了特征. 通過探究表面張力的微實驗案例，論述了在教學中如何應用微實驗，以及可以達到的教學效果，進一步詳細闡述了微實驗的優(yōu)勢.

關鍵詞：微實驗；表面張力；彈性膜

新課程改革下，物理教育倡導“探究式學習”，旨在培養(yǎng)學生實驗技能的同時，又能讓學生經歷科學探究的過程，學習和掌握科學的研究方法，進而培養(yǎng)學生的創(chuàng)造性思維和分析解決問題的能力. 這就對物理實驗提出了要求：實驗素材要貼近實際生活，實驗設計要體現(xiàn)物理思想，實驗過程要注重學生主體. 當今物理課堂演示實驗顯現(xiàn)出了諸多弊端，如：學生課堂主體性缺失，學生對事物的認識也只停留在觀察層面；學生實驗過于機械，學生只需要按既定程序進行實驗，就可得到相應的結果；探究實驗過于冗長，步驟繁瑣；實驗儀器過于復雜，脫離現(xiàn)實生活，等等. 微實驗作為新的課堂實驗模式，已經開始走入課堂，而且大量的微實驗設計實例也證明它既可以滿足新課程改革培養(yǎng)學生科學素養(yǎng)的要求又可以改善課堂演示實驗出現(xiàn)的諸多問題，受到學生的歡迎，逐漸成為當前物理教學研究及各種教學技能比賽的熱點.

1微實驗的概念及特征

1.1微實驗的概念

新課程改革下的微實驗，簡單來說就是實驗的微型化，是一種為了輔助課堂教學而設計的與教學內容相關，學生能夠親手體驗的小實驗. 具體來說，微實驗就是把小的實驗器具，或是生活中常見物品制作的教具，分發(fā)給每個實驗小組，通過設疑引導學生操作、思考和討論，從而獲得對某一物理現(xiàn)象的定性認識或驗證的實驗模式.

1.2微實驗的特征

微實驗的主要特征：

1)過程簡短，用時很少，一般不超過5 min，即實驗過程“微型化”.

2)小的實驗器具或自制教具，即實驗儀器的“微型化”，此處的“微”可以指用于制作實驗儀器的原材料來源簡單，也可以指實驗儀器結構簡單. 這樣因為教具取材方便或本身小巧，可以通過提高教具數(shù)量，使每個學生都能親手體驗[1].

3)實驗過程體現(xiàn)學生主體性，如果說實驗耗時短、儀器簡單是微實驗的“形”，那么學生主體就是微實驗的“意”. 學生不僅可以親自動手、積極觀察、主動探究，又因多采用以實驗小組為單位進行，還可以培養(yǎng)學生的分工合作以及交流表達的能力[2-3].

4)操作簡便，教師和學生一起，邊教邊做邊總結. 若實驗以經驗缺乏和思維尚不成熟的學生為活動主體，必將增加實驗的盲目性，但因為微實驗操作簡便，所以教師可以通過巧妙的設計，快速達到教學目的.

2微實驗設計及其教學案例

為了更好地理解微實驗以及它的優(yōu)點和應用，筆者通過一組表面張力微實驗教學案例加以說明.

2.1實驗教具儀器

微實驗所用教具如圖1～2所示，是自制的帶鉤子的金屬回形針和表面張力探測器，由于器具簡單，實際教學操作中，根據(jù)實際人數(shù)，提供相當數(shù)量的教具儀器，供2人1組使用.

圖1　金屬回形針

圖2　表面張力探測器

金屬回形針可由金屬絲彎折而成，其上留1個用來鉤住或捏住的凸起部位(圖1中所示的彎鉤)，其作用是防止放置小針時水面波動過大，若小針沒入水底也可以用鉤子勾上來. 使用時金屬小針與水面接觸面積盡量大，爭取其底面能夠全部接觸到水面. 圖2為表面張力探測器. 金屬臂與水面接觸時，可使水表面形成微小形變，用以觀察表面張力. 浮子是用泡沫做的，它依靠自身的小重力和大浮力，使整個探測器上浮. 改變防水橡皮泥的質量可調整探測器的浮力重力差.

2.2實驗教學過程

首先將趣味小游戲引入課堂，請學生試著將圖1所示的回形針輕輕放到水面上，并使它不會下沉，同時引導學生觀察回形針周圍水面，發(fā)現(xiàn)該處水面發(fā)生了輕微的凹陷. 之后，將回形針輕輕按入水里，回形針沉到水底，說明浮力不足以托起回形針. 從而啟發(fā)學生思考，回形針能浮在水面上說明水面應該還存在其他的力.

將表面張力探測器放到水中，開始它漂浮在水面上，如圖3所示. 將探測器輕輕下壓，會發(fā)現(xiàn)只要探測器金屬臂未進入水下，若松手探測器都會再度浮上來，像初始狀態(tài)(圖3)一樣，這說明整個探測器浸入水中時，浮力大于重力. 之后將金屬臂完全浸入水中，再松手，探測器在浮力作用下仍將上浮，但當其金屬臂接觸到水面時，探測器卻停止上浮，如圖4所示. 這時，引導學生觀察金屬臂周圍水面，會看到水面形狀發(fā)生了微小變化，稍微凸起，像有一層膜阻礙了這個探測器的上浮，即除了浮力重力外還存在另外的力(表面張力).

圖3　初始狀態(tài)

圖4　張力探測器懸在水面下

在實際操作中，還可以利用模擬動畫來展示探測器每個狀態(tài)的受力，如圖5所示. 借助動畫模擬可以引導學生做出錯誤的假設(即探測器浮上來的假設)，進而引起學生認知沖突.

(a)

(b)圖5　動畫模擬

將以上2個實驗中物體受力以及水面形變情況制成表格(如表1所示)，使學生充分意識到：無論是浮在水面上的回形針，還是浮不出水面的探測器，都是因為受到力的作用，這個力就是表面張力，而且由于表面張力的存在，使得水面有1層類彈性膜的性質. 進而啟發(fā)學生根據(jù)該性質去探究表面張力與分子間作用力的關系.

表1　表面張力現(xiàn)象記錄

最后可以結合生活進行拓展，如展示水黽站在水面上的圖片，由學生分組討論為什么水黽可以站在水面上；展示露珠圖片，提出為什么露珠是半球狀，等等.

2.3教學效果

組成實驗組的各個實驗相互關聯(lián)、步步推進，使學生不斷積累對事物認識的直接經驗，最終順理成章地用彈性膜的性質去理解水膜的性質，使微觀性質通過宏觀現(xiàn)象得以形象地描述. 整個實驗過程利用科學探究方法，由學生親自操作，不僅提高了學生的興趣及課堂的教學效率，同時培養(yǎng)了學生的觀察能力和動手能力.

3微實驗的優(yōu)勢

3.1突破空間和時間的限制

傳統(tǒng)的演示實驗，由于教室結構的限制，容易導致教室兩側及后排的學生看不清楚實驗過程及實驗現(xiàn)象. 微實驗可以保證每個實驗小組甚至每個學生都有1套儀器，從而人人動手、觀察清晰. 而且微實驗的每個實驗過程耗時很短，不會影響整個教學的節(jié)奏，改善因實驗耗時太長而導致教學效率下降的情況.

3.2靈活性強

微實驗可以用于新課引入，激發(fā)學生的學習興趣，積累一定的直接經驗；也可以作為驗證性實驗，在某個結論得出后，再通過微實驗的直接現(xiàn)象給以驗證，鞏固學生對該結論的理解；針對一些太過抽象、難于理解題目，巧妙地利用微實驗，可以使學生加深理解；還可以與不同的微實驗或者其他類型的實驗組合，互為補充.

3.3實現(xiàn)了教學方式多樣化

微實驗改變了課堂演示實驗“教師做、學生看”的模式，將學生的親手操作、親身體驗也納入教學設計，很好地兼顧了學生知識與操作技能同時掌握的目標，豐富了教學過程與方法，同時這種合作式學習模式能夠拉近師生之間、學生與學生之間的感情.

3.4更易激發(fā)學生興趣

我們身邊處處皆物理，物理與生活本就密不可分. 微實驗的儀器制作應本著來源于生活的原則，各種玩具、廚具、文具甚至身體等都可以用于微實驗儀器的設計. 工廠批量生產的教學實驗儀器是經過反復改進的，可以很好地演示某一物理現(xiàn)象，但是這些儀器與學生的生活相距甚遠，有些更是注入了太多高科技成分，致使學生一時難以理解儀器的工作原理. 長此以往，學生會覺得物理規(guī)律只存在于物理實驗室的精密儀器中，與日常生活并沒有交集，不利于培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng). 而取材于生活物品的實驗儀器，是學生所熟悉的、觸手可及的，往往更能喚起學生的興趣，降低學生對實驗的陌生感. 儀器取自生活，能夠培養(yǎng)學生應用物理知識分析解決實際問題的能力，使學生密切關注身邊的生活，提高自身的科學素養(yǎng)[4].

4結束語

盡管微實驗有諸多優(yōu)點，但不能將所有的實驗都改成微實驗，因為不同的實驗模式有其不同的教育功能[5]；一節(jié)課中微實驗不可過多使用，否則會導致教具堆積在學生桌上，分散學生注意力；實驗過程中教師應做好引導，合理地設置反饋環(huán)節(jié)，使課堂處在教師有序地控制之中，使教學過程循序漸進有條不紊. 微實驗在新課程下的重新定位，旨在使學生通過充足的直接經驗主動建構自己的知識體系. 當前的教育處在不斷變化中，微實驗的設計也不必拘于形式，只要不脫離中心思想即可. 在未來，微實驗仍舊面臨著很多問題，如：自制教具數(shù)量大，如何安放、共享；微實驗能否與網絡結合，走出課堂；傳統(tǒng)的課堂評價將因微實驗作出何種變化，等等，這些問題都需要進一步討論. 微實驗走入課堂已經顯現(xiàn)出了它的生命力，在未來作為一種實驗模式一定會為課堂的教學添翼助力.

參考文獻：

[1]徐斐. 新課標下以自制教具促進物理探究實驗[D]. 成都:四川師范大學,2010:10-14.

[2]周鈺珊. 關于如何提升體驗式教學有效性的思考[J]. 課程教育研究,2015(29)：41-42.

[3]姜紅. 關注創(chuàng)新能力培養(yǎng)的主體參與型教學模式構建[J]. 黑龍江教育,2010(7):87-88.

[4]祁國良,曲勝艷,譚曉春，等. 物理演示實驗改進之管見 [J]. 物理實驗,2015,35(7):19-22.

[5]石書英. 物理實驗教學研究[M]. 香港：銀河出版社,2002:78-95.

[6]宋金璠,郭新峰,王生釗，等. 微課在大學物理實驗教學中的應用[J]. 物理實驗,2015,35(2):12-17.

[責任編輯：尹冬梅]

Development of micro-experiment and examples in new curriculum

YAO Feng-chao， MENG Xian-mei

(School of Physics and Electronics, Shandong Normal University, Jinan 250014, China)

Abstract:In order to meet the requirements of the new curriculum reform of physics experiment, based on the malpractice of current physical experiment teaching processes, a micro-experiment model was presented, its definition and characteristics were also introduced. Taking the experiment of surface tension as an example, the application of micro-experiments in teaching was discussed, and the achieved teaching effect and the advantages of micro-experiment were expounded.

Key words:micro-experiment; surface tension; elasticity membrane

收稿日期：2016-03-06

作者簡介：姚峰超(1994-)，男，山東昌邑人，山東師范大學物理與電子科學學院2012級本科生. 指導教師：孟現(xiàn)美(1977-)，女，山東泰安人，山東師范大學物理與電子科學學院講師，博士，從事物理實驗教學工作.

中圖分類號：G633.7

文獻標識碼：A

文章編號：1005-4642(2016)06-0040-04