巧設(shè)物理實(shí)驗(yàn) 優(yōu)化課堂教學(xué)

(浙江省平湖市當(dāng)湖高級(jí)中學(xué),浙江 平湖 314200)

1 引言

物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué),在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、促進(jìn)掌握知識(shí)和技能、獲得科學(xué)方法訓(xùn)練及科學(xué)精神培養(yǎng)等方面都能起到非常重要的作用。創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)情境是物理教學(xué)的第一階段,實(shí)驗(yàn)情境是指教師和學(xué)生利用演示實(shí)驗(yàn)或?qū)W生實(shí)驗(yàn),建構(gòu)一個(gè)問題情境,喚起學(xué)生的注意,并通過一組或幾個(gè)相關(guān)實(shí)驗(yàn)歸納出物理概念。運(yùn)用實(shí)驗(yàn)來展示有關(guān)的物理現(xiàn)象,不僅使學(xué)生感受深刻,而且創(chuàng)設(shè)的情境越新穎生動(dòng)、與學(xué)生學(xué)習(xí)前概念或常識(shí)差異性越大，就越能引起學(xué)生的興趣和主動(dòng)思考[2]。

2 創(chuàng)設(shè)認(rèn)知沖突式情景,導(dǎo)入新課

教育心理學(xué)認(rèn)為：學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)在要求需要在外部因素(如教師的引導(dǎo)、預(yù)設(shè)的情境)的誘導(dǎo)下才能有效地發(fā)生。有研究發(fā)現(xiàn)：學(xué)生在成長(zhǎng)過程中會(huì)自發(fā)形成對(duì)世界的理解和概念,這些觀念有助于理解日常所見所感,卻不一定與科學(xué)概念相一致,對(duì)學(xué)習(xí)科學(xué)可能起促進(jìn)作用,也可能起阻礙作用。在新課教學(xué)中,借助物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)情境,直觀地展示物理現(xiàn)象,使生動(dòng)的物理現(xiàn)象與學(xué)生原有認(rèn)知不一致而產(chǎn)生沖突,繼而激發(fā)學(xué)生的探知興趣和熱情。

案例一：探究感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件

師:同學(xué)們,在初中的時(shí)候?qū)W習(xí)過產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件,大家還記得嗎?

生:導(dǎo)體棒切割磁感線,產(chǎn)生感應(yīng)電流。

實(shí)驗(yàn)如圖1所示，請(qǐng)學(xué)生重溫實(shí)驗(yàn),觀察現(xiàn)象，得出結(jié)論：閉合回路的一部分做切割磁感線的運(yùn)動(dòng)時(shí),其中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。

圖1

圖2

師:那么是不是意味著只有當(dāng)導(dǎo)體在切割磁感線的時(shí)候才能產(chǎn)生感應(yīng)電流?在導(dǎo)體不切割磁感線的情況下,是否也能產(chǎn)生感應(yīng)電流?

教師把問題拋給學(xué)生討論，在討論中,有不同的回答,在此過程中充分暴露一些學(xué)生的錯(cuò)誤前概念:認(rèn)為只有當(dāng)導(dǎo)體在切割磁感線的時(shí)才能產(chǎn)生感應(yīng)電流。

在討論猜想的基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示，如圖2所示，將J2425型教學(xué)用可拆變壓器的條形鐵芯豎直放置,把一帶有小燈泡的線圈套在其上(不與其接觸),接通交流220V電源后,小燈泡亮了(注意實(shí)驗(yàn)時(shí)通電時(shí)間不能過長(zhǎng))。

師:小燈泡亮了，說明線圈中產(chǎn)生了感應(yīng)電流,是什么原因產(chǎn)生了感應(yīng)電流?是線圈在切割磁感線么?

生:線圈并沒有運(yùn)動(dòng),沒有切割磁感線,說明線圈感應(yīng)電流的產(chǎn)生有另一種情況。

實(shí)驗(yàn)演示的目的在于用最明了的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象破除學(xué)生只有當(dāng)導(dǎo)體切割磁感線的時(shí)候才能產(chǎn)生感應(yīng)電流的錯(cuò)誤前概念。此后教師引入教材中的實(shí)驗(yàn),學(xué)生分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)1:磁鐵插入或撥出線圈過程中,觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象(如圖3)。

圖3

實(shí)驗(yàn)2:模仿法拉第的實(shí)驗(yàn),觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象(如圖4)。

圖4

在不斷產(chǎn)生的認(rèn)知沖突及探究下,學(xué)生了解到感應(yīng)電流的產(chǎn)生與磁場(chǎng)的變化有關(guān),與閉合導(dǎo)體回路包圍的面積也有關(guān)。進(jìn)一步得出結(jié)論:只要穿過閉合導(dǎo)體回路的磁通量發(fā)生變化,回路中就有感應(yīng)電流。

3 創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)情景，從具體問題中抽象出物理模型

在物理教學(xué)中,有一些重要的物理模型是從實(shí)際問題中忽略次要因素,抽象、建構(gòu)出來的,從中要讓學(xué)生獲得運(yùn)用物理知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。在新情境中,要求學(xué)生能夠自主建構(gòu)物理概念并理解其含義,了解概念的內(nèi)涵及外延,能從較復(fù)雜的情境中建立起相應(yīng)的物理模型。

自由落體理想模型的建立是高中物理的教學(xué)重點(diǎn),教師不僅要使學(xué)生掌握自由落體運(yùn)動(dòng)的知識(shí),更重要的是通過對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的探討,培養(yǎng)學(xué)生注重實(shí)驗(yàn)、勇于探索的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神,讓學(xué)生學(xué)習(xí)理想模型的建構(gòu)方法,提高學(xué)生認(rèn)知能力。

案例二：“自由落體運(yùn)動(dòng)”

師:從同一高度同時(shí)由靜止釋放光盤和等大的紙片,哪個(gè)下落得快?若將紙片揉成團(tuán),與光盤同時(shí)由靜止下落,又如何呢?

從問題入手，暴露學(xué)生的錯(cuò)誤觀念:下落的快慢跟物體的重量有關(guān)。通過實(shí)驗(yàn)演示、分析，得出結(jié)論:物體下落的快慢并不是由重量所決定的,讓學(xué)生的錯(cuò)誤前概念與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象發(fā)生沖突,激發(fā)起學(xué)生的求知欲。

師:牛頓管里的鐵片、羽毛、塑料片下落的快慢如何?學(xué)生腦中還殘留原有實(shí)驗(yàn)印象,回答會(huì)變得小心謹(jǐn)慎，各種回答都會(huì)出現(xiàn)。然后通過將牛頓管中的空氣慢慢抽盡，分階段進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示,讓學(xué)生體會(huì)，得出結(jié)論:影響落體運(yùn)動(dòng)快慢不同的因素是空氣阻力。

師:選用兩段不同長(zhǎng)度的粉筆,長(zhǎng)短相差5倍,讓它們從同一高度,同時(shí)由靜止釋放,下落快慢如何?

實(shí)驗(yàn)演示:粉筆下落快慢幾乎相同,通過觀察、分析，總結(jié)得到:物體只在重力作用下從靜止開始下落的運(yùn)動(dòng),叫做自由落體運(yùn)動(dòng)。

在有空氣的空間里,如物體重力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于所受空氣阻力,此阻力可忽略不計(jì),則物體下落的運(yùn)動(dòng)也可近似看作自由落體運(yùn)動(dòng)。由此可見自由落體運(yùn)動(dòng)是一種理想化模型。實(shí)際處理中,具體分析是否能夠看成是自由落體運(yùn)動(dòng)(如羽毛在空中的下落,顯然就不能看成自由落體運(yùn)動(dòng))。

教學(xué)流程為:創(chuàng)設(shè)情景,問題提出→學(xué)生猜想,演示實(shí)驗(yàn)→認(rèn)知沖突,探求真知→問題引入,實(shí)驗(yàn)演示→排除偽因,建立模型→具體問題,抽象構(gòu)建。通過演示實(shí)驗(yàn)指出問題、揭露矛盾,從提出問題、學(xué)生猜想入手,引起學(xué)生的認(rèn)知沖突,激發(fā)他們的思維活動(dòng),使學(xué)生獲得了感性認(rèn)識(shí),經(jīng)由表及里的思考,認(rèn)識(shí)到事物的本質(zhì),提高了運(yùn)用理想化模型處理實(shí)際問題的能力。

4 設(shè)計(jì)物理實(shí)驗(yàn),引導(dǎo)學(xué)生重塑理想模型

模型教學(xué)是物理教學(xué)的重要內(nèi)容,有些物理模型在建立的過程中,忽略了次要因素,得到了理想化模型,在評(píng)價(jià)學(xué)生掌握知識(shí)及認(rèn)知水平的過程中,發(fā)現(xiàn)有學(xué)生僅僅知道概念、規(guī)律,但不會(huì)運(yùn)用知識(shí)處理問題,僅僅會(huì)模仿,而不知知識(shí)的具體運(yùn)用條件,存在學(xué)習(xí)思維定勢(shì),知其然而不知其所以然。

圖5

案例三(2011年浙江高考理綜卷第16題)：如圖5所示，在鐵芯上、下分別繞有匝數(shù)n1=800和n2=200的兩個(gè)線圈,上線圈兩端與u=51sin314tV的交流電源相連,將下線圈兩端接交流電壓表,則交流電壓表的讀數(shù)可能是

( )。

A. 2.0V B. 9.0V

C. 12.7V D.144.0V

解析:試題情境非常清晰,由于漏磁,理想化的變壓器電壓比公式不再成立,答案是A?？疾炝死硐胱儔浩鞯挠嘘P(guān)知識(shí),了解有關(guān)知識(shí)則答案并不難選,但實(shí)際考查結(jié)果不甚理想,學(xué)生受思維定勢(shì)的影響,套用理想變壓器模型而錯(cuò)選B。

在物理教學(xué)中,有時(shí)需要從實(shí)際問題出發(fā),重塑理想化模型,教學(xué)流程為:呈現(xiàn)理想模型及表達(dá)式→設(shè)置實(shí)驗(yàn),引起懸疑→分析原因,提出問題→再次實(shí)驗(yàn),邏輯推導(dǎo)→事物本質(zhì),總結(jié)推理→重新建立理想模型。

教師要注重研究學(xué)生可能存在的已有認(rèn)知,包括其思維方式、前概念,其中有的正確,有的不正確。要在實(shí)驗(yàn)情境中有意設(shè)計(jì)認(rèn)知沖突點(diǎn),引起學(xué)生認(rèn)知的不平衡,調(diào)動(dòng)學(xué)生的內(nèi)驅(qū)力,激發(fā)學(xué)習(xí)興趣,點(diǎn)燃學(xué)習(xí)熱情,以優(yōu)化課堂教學(xué),促進(jìn)學(xué)生積極、高效的意義建構(gòu),幫助學(xué)生理解概念、掌握規(guī)律。

5 結(jié)語(yǔ)

創(chuàng)設(shè)物理實(shí)驗(yàn)情景的方式多種多樣,創(chuàng)設(shè)能引發(fā)認(rèn)知沖突的實(shí)驗(yàn)也只是手段,目的在于引導(dǎo)學(xué)生去探究,去發(fā)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)情景的創(chuàng)設(shè)要與教學(xué)的時(shí)機(jī)、學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)以及問題的設(shè)計(jì)相結(jié)合，在物理教學(xué)中,要注重對(duì)教材內(nèi)容的合理開發(fā)與整合,嘗試運(yùn)用各種教學(xué)手段,優(yōu)化課堂教學(xué),讓學(xué)生善于觀察和思考,善于發(fā)現(xiàn)問題、提出問題,善于交流、質(zhì)疑,提高學(xué)生的認(rèn)知水平與能力,培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。

[1] 張大均.教育心理學(xué)[M].北京；人民教育出版社,1999.

[2] 朱鐵成.物理課程與教學(xué)論[M].杭州:浙江大學(xué)出版社,2010.

[3] 周紀(jì)良.用演示實(shí)驗(yàn)突破定勢(shì)思維障礙[J].物理教學(xué),2011,(8).

[4] 張忠明.物理課堂“差異性實(shí)驗(yàn)”情境的創(chuàng)設(shè)[J].物理教師,2015,(5).