中學(xué)物理“微實驗”創(chuàng)設(shè)的價值思考

汪德強 唐伯景

(宿遷市馬陵中學(xué)，江蘇 宿遷 223800)

中學(xué)物理是建立在實驗基礎(chǔ)上的一門學(xué)科，實驗教學(xué)是物理教學(xué)的重要基礎(chǔ)、重要內(nèi)容和重要方法，其重要性自是不言而喻[1]。除了課本上明確列出的實驗外，針對一些問題，師生自主創(chuàng)設(shè)的微實驗對物理教學(xué)有很大的幫助，有時會帶來意想不到的收獲。本文探討的“微實驗”是指師生立足于現(xiàn)實學(xué)情，為達成高效教學(xué)，借助身邊常見的生活器材，經(jīng)過大量的身心勞動創(chuàng)造出來的針對性小實驗。下文就自創(chuàng)微實驗的教學(xué)實踐及其價值作一些闡述。

一、激發(fā)興趣，引發(fā)探究

圖1 變壓器實驗

中學(xué)物理課程難度較大，如果不能通過有效的方法調(diào)動學(xué)生的積極性，勢必會影響該學(xué)科的有效教學(xué)，創(chuàng)設(shè)趣味性小實驗是破解這一難題的一條好途徑。通過學(xué)情分析，找到學(xué)生的興趣點之所在，然后進行針對性的實驗創(chuàng)設(shè)，這對喚起學(xué)生的興趣、引起學(xué)生的探究欲望、實現(xiàn)教學(xué)的高效化有非常好的效果。例如變壓器的教學(xué)，如果用書上“思考與討論”提供的實驗難以真正調(diào)動學(xué)生的興趣，這是因為該實驗沒有真正切合學(xué)生的興趣點，為了真正調(diào)動起學(xué)生的興趣，給學(xué)生帶來強烈的感官沖擊，筆者創(chuàng)設(shè)如下實驗(如圖1所示)：將手機、擴音器分別接到教學(xué)變壓器兩臂上。先演示手機、擴音器沒有接到變壓器時的情景，學(xué)生只能聽到手機中微弱的音樂聲，旁邊的擴音器沒有聲音；然后演示手機、擴音器接到變壓器上的情況，學(xué)生會聽到擴音器里傳出嘹亮的音樂聲。音樂也要選學(xué)生感興趣而且歡快的曲目，當(dāng)擴音器中嘹亮的音樂聲傳出時，學(xué)生興奮得不得了，急切地想弄清楚手機中的音樂是怎么傳到?jīng)]跟手機相連的擴音器中去的，這就為這一堂課的高效教學(xué)打下了基礎(chǔ)。事實上整堂課學(xué)生的注意力都非常集中，探究熱情非常高漲。

二、破解難點，助推理解

有些物理問題若從理論邏輯上進行處理，學(xué)生理解上有困難，這時若能根據(jù)問題情境創(chuàng)設(shè)相應(yīng)而恰當(dāng)?shù)奈锢硇嶒灒芷鸬交y為易、事半功倍的效果[2]。下面摘選部分學(xué)生在理解上感覺困難的案例進行分析。

案例1：豎直面內(nèi)圓周運動，在最高點無支撐狀態(tài)下，圓周運動物體的最小速度不為零。關(guān)于這個問題，在歷次教學(xué)中都會發(fā)現(xiàn)學(xué)生在理解上存在困難，有些學(xué)生只是死記硬背結(jié)論而已。經(jīng)過與學(xué)生的交流發(fā)現(xiàn)，學(xué)生普遍的思維障礙點在于 “學(xué)生從慣性和能量守恒的角度考慮，認為小球往上運動只要有速度就可以繼續(xù)上升，臨界情況就是到最高點速度剛好減到零”。針對學(xué)生這樣的思維障礙，筆者在之前的處理是：一方面肯定學(xué)生思考中的正確一面；另一方面對學(xué)生強調(diào)，圓周運動還要滿足圓周運動特有的動力學(xué)特點(沿法向的合力指向圓心充當(dāng)向心力)。帶領(lǐng)學(xué)生經(jīng)過受力分析，找到法向合力，列方程，從方程的數(shù)理邏輯上進行講解。筆者自認為講解思路很清晰、嚴密，事實上有些學(xué)生還是理解不了，有的在以后相關(guān)問題的處理上又出現(xiàn)模糊不清狀態(tài)。這時如果現(xiàn)場創(chuàng)設(shè)小實驗，給學(xué)生活生生的現(xiàn)場體驗，學(xué)生心里的認同感馬上增強，正所謂“眼見為實”，這時再從數(shù)理邏輯上闡明，就可以水到渠成地使學(xué)生將該規(guī)律悅納到自己的認知結(jié)構(gòu)中去。筆者所做的實驗非常簡單，找一鐵環(huán)和一小鋼珠。使小鋼珠在鐵環(huán)內(nèi)側(cè)最高點速度為零釋放，讓學(xué)生觀察小鋼珠能否從鐵環(huán)內(nèi)側(cè)最高點繼續(xù)沿鐵環(huán)圓周運動，學(xué)生從自己親眼見到的小鋼珠的落體運動很快就清楚了。通過自創(chuàng)實驗，豐富學(xué)生的體驗感比理論上不厭其煩地講解收到的效果要好得多。

案例2：用等大對稱的兩個力將一物體提起懸停在空中，當(dāng)這兩個力夾角變大時，這兩個力的大小如何變化。

圖2 力的變化實驗

這個問題我們通常通過受力分析結(jié)合平衡狀態(tài)進行理論上的求解。理論上求解的好處在于邏輯嚴密，不足在于對于抽象邏輯思維能力不強的學(xué)生會存在理解上的困難。通過創(chuàng)設(shè)實驗的演示，學(xué)生可以獲得非常直觀形象的感知，進而實現(xiàn)理解難度的降低。圖2為就地取材所設(shè)計的小實驗，現(xiàn)象一目了然，不用多講，學(xué)生就知道夾角越大對稱的兩個力也越大。

案例3：一對相互作用力的做功特點分析

圖3 相互作用力實驗

一對相互作用力可以都做正功；可以都做負功；可以一個做正功，另一個做負功；可以一個做功為零，另一個做正功或負功；還可以同時做功為零。這里的情況多而復(fù)雜，學(xué)生要想理解全面到位有相當(dāng)?shù)碾y度，如何破解這一教學(xué)疑難，筆者創(chuàng)設(shè)這樣一個小實驗：將兩塊小磁鐵固定在兩輛小車上(如圖3)，通過實驗演示來一一闡明上面對應(yīng)的各種可能情況。創(chuàng)設(shè)這樣一個適切的小實驗，能將一對相互作用力的各種復(fù)雜的做功情況盡數(shù)明確地解釋清楚，學(xué)生印象深刻，真正起到了“小實驗大突破”的教學(xué)效果。

從上面案例分析可見，為促進學(xué)生認知，無論是為了某個問題的突破，還是某道習(xí)題的講解，都可以創(chuàng)設(shè)相應(yīng)的微實驗。

三、發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，引出新思考

在一些問題的處理中經(jīng)過自創(chuàng)的小實驗進行處理，有時會有意想不到的發(fā)現(xiàn)，這個意外結(jié)果的背后，往往會帶給我們更多的思考，會使我們的思維從對實驗現(xiàn)象的表面感性認識過渡到物理規(guī)律的理性思考上來，這對我們深化問題的理解、厘清一些錯誤的認識有重要的作用。下面摘選幾個案例分析如下：

案例4：學(xué)生電源“含容”直流電路中小燈泡發(fā)光問題

圖4 學(xué)生電源“含容”實驗

電容器的特點是“通交流隔直流”，而在用學(xué)生電源直流檔驗證該結(jié)論時，卻發(fā)現(xiàn)：含有電容器的直流電路中的小燈泡居然亮了(如圖4所示)！小燈泡的額定電壓3.8 V，而現(xiàn)在的供電電壓達到8 V與10 V！如果不做實驗而按常規(guī)定式思維分析，就很難有這樣的新發(fā)現(xiàn)。這種情況的出現(xiàn)自然會引起師生的探究興趣，師生在探究原因的過程中對相關(guān)問題有了更深刻的理解，對學(xué)生電源的工作原理也有了更加全面的認識。

案例5：變壓器線圈兩端電壓與匝數(shù)的關(guān)系

圖5 變壓器實驗

這個小實驗本來是想給學(xué)生直觀的感知，明確電壓比與匝數(shù)比的定量關(guān)系(如圖5所示)。但演示的結(jié)果卻不是理論上的4 V而是3.2 V，這樣的實驗結(jié)果會引發(fā)學(xué)生強烈的認知沖突和認知失衡。針對出現(xiàn)的現(xiàn)象，讓學(xué)生進行原因分析，學(xué)生會在認知沖突中積極地認知，學(xué)生經(jīng)過思考、討論、交流，從而對理想變壓器的“理想”二字有了更深刻的理解。為了充分發(fā)揮這一微實驗的教學(xué)價值，這時教師再適時呈現(xiàn)出一道學(xué)生易錯的高考試題。

【原題】如圖6甲，矩形金屬線框繞與磁感線垂直的轉(zhuǎn)軸在勻強磁場中勻速轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生的交變電流經(jīng)理想變壓器給負載供電。原線圈兩端的交變電壓隨時間變化的圖像如圖6乙(電壓表和電流表均為理想電表)。

圖6

設(shè)問：當(dāng)t=0.005 s時的電壓表、電流表讀數(shù)是怎樣的？為零嗎？學(xué)生經(jīng)過現(xiàn)實的觀察知道電表讀數(shù)不為零而是一定值。再經(jīng)過討論、交流，學(xué)生就能明確交流電表讀的是有效值而不是瞬時值。這個微實驗的創(chuàng)設(shè)就同時起到了“引導(dǎo)”與“釋疑”的雙重效果，使學(xué)生的認知思維過程自然流暢、水到渠成，實現(xiàn)對知識的全面把握和透徹理解。

四、培養(yǎng)實踐意識，提高核心素養(yǎng)

“實驗探究”是中學(xué)物理學(xué)科素養(yǎng)的主要內(nèi)容之一。物理學(xué)科核心素養(yǎng)形成關(guān)鍵是要落實到人的良好行為習(xí)慣上。在一些學(xué)生理解上有困難的教學(xué)問題上，都該有創(chuàng)設(shè)實驗來簡化問題處理的意識，這種意識不光教師要有，也應(yīng)該有意識地培養(yǎng)學(xué)生通過創(chuàng)設(shè)實驗進行學(xué)習(xí)的意識。運用自創(chuàng)微實驗進行檢驗、研究、求證，若能內(nèi)化為學(xué)生的行為習(xí)慣，這對學(xué)生物理學(xué)科素養(yǎng)的提高有著重要的意義。如江蘇省中考聯(lián)考試題：

【原題】小剛將盛滿水的圓柱形透明玻璃杯貼近書本(如圖7)，透過玻璃杯觀看書上的鸚鵡圖片(圓圈中的鸚鵡圖與書本中的鸚鵡圖實際大小相等)，他所看到的虛像可能是：

圖7 成像實驗

有教師認為該題在考核上有失公平，因為有一些學(xué)生手里有瓶裝礦泉水，通過礦泉水瓶往試卷上一看，很快就清楚圖像應(yīng)該是什么樣的。筆者認為這部分學(xué)生得到分數(shù)是合理的，因為事實上很多學(xué)生手頭有礦泉水也未必會想到這么操作，能想到這樣操作的學(xué)生至少說明他的實踐操作意識很強，能夠靈活地遷移處理問題。實踐意識與實踐能力的培養(yǎng)不是口頭說說就能實現(xiàn)的，這需要踏踏實實地落實到平時的實驗活動中去。學(xué)生經(jīng)常通過這種與問題解決相關(guān)聯(lián)的實驗操作，日積月累，便能形成一種自動化的行為表現(xiàn)，如果做到就地取材、高品質(zhì)設(shè)計、深層次探究，學(xué)生的實踐意識與實踐能力也就真正養(yǎng)成了。

《高中物理課程標準》對實驗教學(xué)的要求是：第一，傳統(tǒng)常規(guī)實驗：教師應(yīng)該積極開發(fā)適合教學(xué)的常規(guī)實驗資源，并充分利用這些實驗資源開展實驗；第二，低成本實驗：提倡使用身邊隨手可得的普通物品或工具來設(shè)計物理實驗；第三，設(shè)計探究實驗：鼓勵教師設(shè)計感知體驗的實驗，幫助學(xué)生形成概念或規(guī)律[3]。這就要求教師要結(jié)合學(xué)生的認識規(guī)律和教學(xué)的現(xiàn)實情況，設(shè)計出一些科學(xué)、有趣、簡易而又內(nèi)涵豐富的微實驗。通過自創(chuàng)微實驗來擴大實驗資源，增強實驗的育人功能，引導(dǎo)學(xué)生在自主設(shè)計和主動探究體驗中建構(gòu)自己的知識，探求物理規(guī)律，增強實踐意識及創(chuàng)新能力，從而有效提升學(xué)生的物理核心素養(yǎng)。當(dāng)然，無論創(chuàng)設(shè)的微實驗是基于“激趣”，還是基于“驗證”；也無論是基于“引導(dǎo)”，還是基于“釋疑”，都要適時恰當(dāng)才能收到應(yīng)有的效果。

[參 考 文 獻]

[1] 陶洪.物理實驗論[M].南寧：廣西教育出版社，1996：24-26.

[2] 李進.基于數(shù)字化實驗系統(tǒng)的物理實驗拓展[J].實驗儀器與實驗，2009(12)：11-14.

[3] 魏華.在物理實驗選修課中開展研究性學(xué)習(xí)的實驗與體會[J].實驗儀器與實驗，2017(4)：16-19.