高中物理實驗教學(xué)的創(chuàng)新設(shè)計與實踐

杭州市富陽區(qū)新登中學(xué)(311404)

朱文武●

高中物理實驗教學(xué)的創(chuàng)新設(shè)計與實踐

杭州市富陽區(qū)新登中學(xué)(311404)

朱文武●

傳統(tǒng)物理實驗課堂大多是驗證性實驗，不利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，因此教師需要設(shè)計一些探究實驗的問題，激發(fā)學(xué)生的興趣，能獨立探究發(fā)現(xiàn)問題并掌握解決問題的方法.

物理實驗；創(chuàng)新；設(shè)計；能力

創(chuàng)新是人類的希望，創(chuàng)新是一個名族進(jìn)步的靈魂，是一個國家興亡發(fā)達(dá)的動力.而當(dāng)下我國中小學(xué)學(xué)生的創(chuàng)新精神不足和實踐能力不強(qiáng)已經(jīng)是個嚴(yán)重的問題，基礎(chǔ)教育改革正在著力解決這個問題.由于學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力的養(yǎng)成和發(fā)展需要學(xué)生在實踐活動中鍛煉和培養(yǎng)，科學(xué)探究能力表現(xiàn)在學(xué)生進(jìn)行探究性學(xué)習(xí)中，而物理實驗作為學(xué)生學(xué)習(xí)物理知識的重要途徑，有其特殊的教學(xué)功能：既可以為學(xué)生提供學(xué)習(xí)的感性材料，驗證物理規(guī)律，又可以提供科學(xué)的思維方法，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維能力、創(chuàng)新精神和探究能力.下面結(jié)合我個人教學(xué)的經(jīng)驗，談?wù)剬W(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng).

一、物理探究實驗教學(xué)的問題創(chuàng)新設(shè)計

愛因斯坦說過：“對真理的探索比占有更加寶貴”.傳統(tǒng)物理實驗課堂大多是驗證性實驗.驗證性實驗是對知識的正確與否加以驗證，鞏固和加深對基本規(guī)律和基本原理的認(rèn)識.但是，對學(xué)生在學(xué)習(xí)物理的科學(xué)方法和科學(xué)態(tài)度方面不能得到鍛煉，也不利于培養(yǎng)學(xué)生主動探索物理規(guī)律的能力更加談不上創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，因此教師需要設(shè)計一些探究實驗的問題，激發(fā)學(xué)生的興趣，獨立自主的通過探究發(fā)現(xiàn)問題并掌握解決問題的方法.

案例1 自感現(xiàn)象演示實驗教學(xué)

師：4.5V的電壓能使人觸電嗎？你能不能設(shè)計實驗加以驗證呢？

生：不能，因為低于36V安全電壓.用3節(jié)干電池串聯(lián)，直接接到兩手之間

學(xué)生上講臺連接好電路(如圖1)并當(dāng)眾演示.問參與實驗的同學(xué)有沒有觸電感覺？學(xué)生表情自然的說沒有.

師：該同學(xué)做得很好.(適時表揚其勇于探究精神)如果在路端再并聯(lián)一個線圈呢？

生：還是不會觸電，因為電壓還是4.5V.

師：可以再通過實驗試試.請20位同學(xué)共同手拉手感受下(增大電阻，為了打消少部分同學(xué)的顧慮)

請一個同學(xué)按圖2方式連接好電路，電路上面為人與人串聯(lián)組成的回路將電鍵閉合，問參與實驗的同學(xué)有沒有觸電感覺？學(xué)生都說沒有.接著將電鍵斷開，他們都將手迅速甩開，同時啊的尖叫了起來(如圖3).

師：剛才發(fā)生了什么現(xiàn)象？

生：電鍵斷開的時候被電一下.

師：是誰產(chǎn)生的電，這是一種什么現(xiàn)象？

生：加了線圈后才有電擊感覺，應(yīng)該是線圈產(chǎn)生的，電磁感應(yīng)現(xiàn)象.

師：當(dāng)線圈中電流改變時，產(chǎn)生的磁場發(fā)生變化，線圈中磁通量發(fā)生變化，不僅在鄰近電路中激發(fā)感應(yīng)電動勢，同樣也在它本身激發(fā)出感應(yīng)電動勢.這種現(xiàn)象叫自感.

師：當(dāng)電鍵閉合，線圈中電流增大時，線圈自身是否有電磁感應(yīng)現(xiàn)象？如何把現(xiàn)象呈現(xiàn)出來？

生：做出各種猜想……

師：根據(jù)前面已學(xué)知識，你知道當(dāng)線圈電流增大時，線圈中會產(chǎn)生什么方向的電動勢呢？當(dāng)電流減少小時，方向又如何呢？(引導(dǎo)學(xué)生畫出線圈草圖并進(jìn)行理論分析)

I增大?B原增大?B感方向向左(根據(jù)楞次定律)?感應(yīng)電動勢E感方向如圖?E感與I方向相反，阻礙I增大.(如圖4)

I減小?B原減小?B感方向向左(根據(jù)楞次定律)?感應(yīng)電動勢E感方向如圖?E感與I方向相同，阻礙I減小.(如圖5)

師：感應(yīng)電動勢對原電流的這種阻礙如何如何通過實驗顯示出來呢？

生1：接個電流表測量下線圈中電流，會由小變大；

生2：接個小燈泡；剛通電時小燈泡會先不發(fā)光然后再發(fā)光(延遲發(fā)光)

生3：…

師：用燈泡觀察很好.現(xiàn)給你下述儀器請設(shè)計出能驗證你判斷的具體電路：線圈、直流電源、小燈泡、滑動變阻器、電鍵、導(dǎo)線，請設(shè)計實驗電路來驗證你的猜想.

學(xué)生一開始畫出的電路圖如圖6，經(jīng)過實驗，發(fā)現(xiàn)閉合電鍵后延時效果看不出；

師：為什么沒有觀察到燈泡的延遲現(xiàn)象？是否延遲通過一只燈泡是很難觀察出來.

生：再加一個沒有線圈的帶燈泡的支路進(jìn)行對比.

師：請畫出新的設(shè)計電路.

學(xué)生設(shè)計出圖7所示電路.加入A2進(jìn)行對比，實驗效果好了一些，但A2燈太亮，影響了對A1的觀察；進(jìn)一步修改，加入滑動變阻器對A2(實驗時先閉合電鍵，將A2調(diào)到與A1一樣亮，再斷開電鍵)，閉合電鍵，A1延時效果明顯.圖8為課堂上學(xué)生設(shè)計的電路圖.師生共同進(jìn)行理論分析.

此時教師出示示教板演示圖9(水到渠成).

為了讓學(xué)生更加直觀的觀察到線圈中電流的變化，教師取下燈泡A1,利用電流傳感器串聯(lián)在線圈電路中，得到電流隨時間變化關(guān)系的圖像(如圖10).指出電流由零增大到正常值是圖像是一段曲線.

師：在圖8電路中當(dāng)電鍵切斷時，小燈泡將出現(xiàn)什么現(xiàn)象？

生：燈泡A1和A2延遲熄滅

理論分析：在圖8電路中當(dāng)電鍵切斷時，由于線圈中的感應(yīng)電動勢的存在，電流不會立即減小到零，即在電鍵切斷后，在“電感線圈—2只小燈泡—變阻器“構(gòu)成的回路中要維持一段時間的電流，小燈泡還要發(fā)光一段時間.

實驗演示：并未觀察到所想看到的現(xiàn)象.

師：發(fā)生這種情況的原因是什么？

生：可能是初始電流相同，在持續(xù)時間內(nèi)我們的感官沒感覺到.

此時，剛剛被“電擊”的一位同學(xué)，恍然大悟，他提出把剛才“電擊”人的電路中人的位置換成小燈泡.

教師演示斷電自感現(xiàn)象.結(jié)果小燈泡閃亮一下再熄滅.

理論分析：當(dāng)電路達(dá)到穩(wěn)定時，由于線圈的電阻比較小，流過線圈的電流比小燈泡的電流大得多，在電鍵切斷的一瞬間，線圈的電流在回路存在的前提下不能突變，流過小燈泡中的電流立即反向并增大，使小燈泡發(fā)出瞬間的強(qiáng)光.

師：如何直觀觀察到燈泡中電流的變化呢？

生：用傳感器串聯(lián)到燈泡的支路.

教師演示得到圖12圖像.教師引導(dǎo)學(xué)生共同分析得出通電自感和斷電自感產(chǎn)生的原因.

案例評析：教師通過設(shè)置適當(dāng)?shù)膯栴}引導(dǎo)學(xué)生，學(xué)生通過自己對問題的思考產(chǎn)生了學(xué)習(xí)的需要從而探究出實驗的方案并進(jìn)行實驗，可能會走一些彎路，但是經(jīng)歷對知識探究的體驗過程，這也正是教學(xué)大綱所要求的，雖然花費了一定的時間，但是對學(xué)生的長期發(fā)展來說是值得的，比老師直接去做實驗驗證物理規(guī)律，學(xué)生更加容易掌握對物理規(guī)律的理解程度.

二、物理探究實驗教學(xué)的思路創(chuàng)新設(shè)計

實驗的過程是探索新知識，發(fā)現(xiàn)新問題的過程.思路是行動的先導(dǎo)，教師要充分調(diào)動主體的科學(xué)文化知識沉淀和教學(xué)過程及社會實踐經(jīng)驗的積累引導(dǎo)和幫助學(xué)生擺脫和突破常規(guī)的思維定式的束縛，激發(fā)和促進(jìn)各種創(chuàng)新設(shè)計思路的產(chǎn)生.

案例2 探究物體對水平桌面的彈力產(chǎn)生的原因

物體對桌面壓力很多學(xué)生都誤認(rèn)為就是重力產(chǎn)生的，很難發(fā)現(xiàn)是由于物體底部發(fā)生上凹的形變后由于要恢復(fù)原狀，對桌面產(chǎn)生向下的壓力(即彈力).將書本放在桌面上，肉眼是很難觀察得到書本底部的形變，為了突破這個難點，教師就要引導(dǎo)學(xué)生對實驗進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計，怎么樣讓這種形變顯現(xiàn)出來呢，學(xué)生很快就能說出可以在書本下面墊上海綿，觀察海綿底部，進(jìn)一步啟發(fā)學(xué)生是不是可以直接用一個軟的物體來代替書本和海綿呢？什么物體比較軟密度也大，形狀改變明顯呢？啟發(fā)學(xué)生，我們可以將水倒入氣球里，然后將口子用線扎上，裝水的氣球提在空中，其下部明顯向下凸起(如圖13).當(dāng)我們把水袋放在桌面上時，底部變平(如圖14).經(jīng)過對實驗這樣的改造實驗效果非常理想，現(xiàn)象特別明顯.

書本上電燈對懸繩線也會產(chǎn)生彈力，這個電燈的形變不易觀察到，學(xué)生受到剛才的啟發(fā)，用懸繩提起裝水的氣球，同樣效果顯著.(見下圖)

學(xué)生在進(jìn)行思考提出自己的方案時，無論合理與否，教師都應(yīng)給以適當(dāng)鼓勵和表揚，以激發(fā)學(xué)生在以后的課堂上，進(jìn)一步開拓思維，積極創(chuàng)新.

三、物理探究實驗教學(xué)的非常規(guī)操作方法的創(chuàng)新設(shè)計

實驗操作方法對實驗現(xiàn)象的顯示及實驗結(jié)果的獲得有直接的影響，某些實驗，若用尋常方法只能得到尋常結(jié)果，而試驗中一些“前所未有”的“發(fā)現(xiàn)”及“意料之外”的“收獲”，往往是建立在非常規(guī)操作方法運用的基礎(chǔ)上的.因此，改進(jìn)實驗的操作方法，往往可以收到意想不到的效果.

案例3 在《渦流、電磁阻尼和電磁驅(qū)動》一節(jié)關(guān)于渦流的課題引入教學(xué)

教法1.教師直接使用了電磁爐給鐵盆里的水加熱，學(xué)生觀察到水很快冒“氣”，然后介紹線圈中變化的電流在線圈附近的任何導(dǎo)體中會產(chǎn)生感應(yīng)電流.給出渦流的概念.

教法2.教師先向?qū)W生提出電磁爐加熱的原理是什么，有學(xué)生會說是電磁爐內(nèi)部通入電流發(fā)熱，然后經(jīng)熱傳導(dǎo)，給物體加熱.教師不做評價，就這個思路下去，那要是放置一塊海綿，海綿會被融化嗎？教師操作(如圖15)，學(xué)生并未觀察到想要看到的現(xiàn)象.說明不是熱傳導(dǎo)現(xiàn)象.教師再換上裝水的鐵盆(如圖16)，水很快冒氣.學(xué)生發(fā)現(xiàn)只能給金屬鍋加熱.然后教師告訴學(xué)生，電磁爐不僅可以加熱還能“發(fā)電”，教師將串有燈泡的多匝線圈靠近電磁爐上方(如圖17)，燈泡發(fā)光.學(xué)生很好奇.引導(dǎo)學(xué)生得到上述過程實際上是電磁感應(yīng)現(xiàn)象.電磁爐通入交流電，引起內(nèi)部線圈產(chǎn)生變化的磁場，在燈泡的線圈中會產(chǎn)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象，同時在附近的任何導(dǎo)體中都能產(chǎn)生感應(yīng)電流.

案例評析 教法1，實驗的功能并未完全開發(fā)出來，只是利用電磁爐引出了渦流的概念而已.教法2則通過一步步實驗操作的改變使得學(xué)生掌握了渦流現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，且使得學(xué)生通過思考分析渦流原來是一種電磁感應(yīng)現(xiàn)象，是在整塊金屬中產(chǎn)了電流，從而發(fā)熱.不僅引入了新課而且獲得了新知識.同樣的實驗操作不同，效果也不同.

四、物理探究實驗教學(xué)的遷移創(chuàng)新能力設(shè)計

高中物理的演示實驗的設(shè)計和演示都是教師完成的，其實中學(xué)階段的絕大部分實驗方法都是相通的，在進(jìn)行實驗的教學(xué)時，完全可以引導(dǎo)學(xué)生將已經(jīng)學(xué)習(xí)過的實驗思想方法、實驗方法和技術(shù)遷移到該實驗中來，從而培養(yǎng)學(xué)生的實驗方法、思路、技術(shù)設(shè)計創(chuàng)新能力.

案例4 在進(jìn)行《探究加速度與力、質(zhì)量關(guān)系》的關(guān)系實驗時，關(guān)于實驗的基本思路教學(xué)，可以引導(dǎo)學(xué)生回憶初中關(guān)于壓強(qiáng)與壓力和受力面積關(guān)系所采用的實驗方法，即控制變量法，從而得出實驗的思路，即(1)保持物體質(zhì)量不變，測量物體在不同力作用下加速度，分析加速度與力的關(guān)系；(2)保持物體所受力相同，測量不同質(zhì)量的物體在這個力作用下的加速度，分析加速度與質(zhì)量的關(guān)系.

在課堂上教師一定要盡可能的避免一言堂，充分調(diào)動學(xué)生利用以往的學(xué)習(xí)經(jīng)驗和方法主動去思考實驗的實驗的思路和設(shè)計.只有這樣才能真正使得學(xué)生的能力得到提升.

五、物理實驗教學(xué)中的課堂環(huán)境的創(chuàng)新設(shè)計

羅杰斯說過：“創(chuàng)造活動的一般條件是心理安全和心理自由，只有心理安全才能導(dǎo)致心理自由，也才能導(dǎo)致學(xué)習(xí)的創(chuàng)造性”.物理課堂必須營造寬松自由的學(xué)習(xí)氛圍物理課堂必須營造寬松、自由的學(xué)習(xí)環(huán)境,才能更有利于學(xué)生的學(xué)習(xí).

很多情況表明,學(xué)生都不喜歡整天板著面孔的老師,課堂上教師對學(xué)生的期待通過微笑傳遞,學(xué)生就會在這種愛的感召下,受到鼓舞,從而親其師,信其道.教師要熱情地鼓勵學(xué)生善思多問,鼓勵學(xué)生發(fā)表與老師不同的見解,要鼓勵學(xué)生“別出心裁”,“標(biāo)心立異”,鼓勵學(xué)生從不同角度思考問題,發(fā)現(xiàn)問題.愛因斯坦說過:提出一個問題,比解決一個問題更重要.正如陶行知先生說的:“只有民主,才能解放大多數(shù)人的創(chuàng)造力,而且使大多數(shù)人創(chuàng)造力發(fā)揮到最高峰”.學(xué)生在民主和諧氣氛中學(xué)習(xí),心情舒暢,才能敢想、敢說、敢問、敢于創(chuàng)新、敢于創(chuàng)造.在探究課堂上教師要充分發(fā)揮學(xué)生的主體作用,才能把課堂氣氛激活,也才能點燃學(xué)生智慧的火花.

從課堂教學(xué)的各個角度對學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)進(jìn)行研究與實踐，這是一個沒有止境的課題.學(xué)生需要具備終身發(fā)展的創(chuàng)新能力，這種能力是要通過中學(xué)階段課堂學(xué)習(xí)中得到鍛煉和培養(yǎng).在今后的教學(xué)中，本人仍將一如既往的反思、總結(jié)、改革和創(chuàng)新.對實驗這一教學(xué)手段以及其他技術(shù)做更多的深入研究，以利于學(xué)生的創(chuàng)新和思維能力培養(yǎng).

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1008-0333(2017)09-0038-03