對(duì)改進(jìn)一個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)裝置的探索與思考

蔡孝文 周新雅 周 行 陳昊然

(江西師范大學(xué)物理與通信電子學(xué)院 江西 南昌 330022)

在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，不少實(shí)驗(yàn)裝置經(jīng)過改進(jìn)后確實(shí)有著良好的教學(xué)效果，可改進(jìn)這些實(shí)驗(yàn)裝置的同時(shí)也引發(fā)出一系列奈人尋味的問題．針對(duì)這一現(xiàn)象，以改進(jìn)“經(jīng)典的測(cè)量滑動(dòng)摩擦力大小實(shí)驗(yàn)裝置”為例，深入研究改進(jìn)與創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)的新情況、新問題，思考把改進(jìn)創(chuàng)新后的裝置直接用到教學(xué)實(shí)踐中去的合理性、有效性，并基于核心素養(yǎng)提出一些建議，以期踐行實(shí)驗(yàn)教學(xué)的“興利除弊”．

1 教材上的實(shí)驗(yàn)裝置

滬粵2012版物理教材上測(cè)量滑動(dòng)摩擦力大小的實(shí)驗(yàn)如圖1所示，該實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理為：由學(xué)生手拉彈簧測(cè)力計(jì)帶動(dòng)木塊做勻速直線運(yùn)動(dòng)，處于平衡狀態(tài)時(shí)，彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)等于滑動(dòng)摩擦力的大?。?/p>

圖1 測(cè)滑動(dòng)摩擦力大小

若按照教材上的實(shí)驗(yàn)裝置和步驟做實(shí)驗(yàn)，一是難使木塊做勻速直線運(yùn)動(dòng)；二是不易讀準(zhǔn)彈簧測(cè)力計(jì)上的讀數(shù)．因此，一些教師對(duì)此實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了如下幾方面的改進(jìn)．

2 對(duì)滑動(dòng)摩擦力大小測(cè)量實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)措施

改進(jìn)一:勻速拉測(cè)力計(jì)——電動(dòng)機(jī)

該方法是在圖1裝置難使木塊做勻速直線運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)的，把手拉彈簧測(cè)力計(jì)改成電動(dòng)機(jī)拉彈簧測(cè)力計(jì)．這屬于“遷就”性改進(jìn)，實(shí)際上并未從根本上解決圖1實(shí)驗(yàn)裝置中存在的問題，反而增加了實(shí)驗(yàn)器材和成本，實(shí)驗(yàn)裝置如圖2 所示.

圖2 電動(dòng)機(jī)——測(cè)滑動(dòng)摩擦力大小

改進(jìn)二:不用勻速拉——固定測(cè)力計(jì)-使接觸面動(dòng)

針對(duì)圖1 裝置的缺點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示，將彈簧測(cè)力計(jì)的一端固定住，另一端勾著小木塊，使位于小木塊下方的長(zhǎng)木板向左運(yùn)動(dòng)，小木塊就相對(duì)于長(zhǎng)木板做水平向右運(yùn)動(dòng)．因此小木塊所受到的滑動(dòng)摩擦力方向水平向左，與相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向相反．木塊相對(duì)于地面保持靜止[1]，處于平衡狀態(tài)，根據(jù)水平方向上的二力平衡，彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)大小就是木塊所受到的滑動(dòng)摩擦力的大小．

圖3 固定測(cè)力計(jì)——測(cè)滑動(dòng)摩擦力大小

改進(jìn)評(píng)析，如表1所示.

表1 改進(jìn)二中的優(yōu)缺點(diǎn)比較

改進(jìn)三:通過傳送帶勻速運(yùn)動(dòng)，豎直使用測(cè)力計(jì)

針對(duì)改進(jìn)二中的缺點(diǎn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置再進(jìn)一步的改進(jìn)，實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示.

圖4 傳送帶——測(cè)滑動(dòng)摩擦力大小

將彈簧測(cè)力計(jì)的上端豎直固定在鐵架臺(tái)上，下端勾著小木塊，再把小木塊放在勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的水平傳送帶上，使傳送帶勻速向左轉(zhuǎn)動(dòng)，木塊就相對(duì)于傳送帶做水平向右運(yùn)動(dòng)．因此木塊所受到的滑動(dòng)摩擦力方向水平向左，與相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向相反．木塊相對(duì)于地面保持靜止，處于平衡狀態(tài)，根據(jù)水平方向上的二力平衡，彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)大小就是木塊所受到的滑動(dòng)摩擦力的大小[2]．

改進(jìn)評(píng)析，如表2所示.

表2 改進(jìn)三中的優(yōu)缺點(diǎn)比較

改進(jìn)四:固定力傳感器

在中學(xué)物理教學(xué)中測(cè)量力的工具常用彈簧測(cè)力計(jì).可它只能粗略地測(cè)量滑動(dòng)摩擦力的大?。畟鞲衅鞯某霈F(xiàn)為中學(xué)師生的實(shí)驗(yàn)研究帶來了新的研究手段，并擴(kuò)大了研究領(lǐng)域[3]．用力學(xué)傳感器代替彈簧測(cè)力計(jì)來研究摩擦力,使力的測(cè)量精度得到較大改善,為中學(xué)教師和學(xué)生研究摩擦力帶來了方便．實(shí)驗(yàn)裝置圖5和圖6就是安裝了力傳感器，同時(shí)其他部分也都得到改進(jìn)，解決了改進(jìn)三中所述的問題，是近乎完美的存在．其實(shí)驗(yàn)原理也是依據(jù)二力平衡，力傳感器傳入電腦中的數(shù)據(jù)等于摩擦力的大?。?/p>

圖5 力傳感器——測(cè)滑動(dòng)摩擦力的大小

圖6 力傳感器(電動(dòng)傳送帶)——測(cè)滑動(dòng)摩擦力的大小

優(yōu)點(diǎn)：應(yīng)用DIS不需要?jiǎng)蛩偻侠矬w；讀數(shù)容易；不存在測(cè)力計(jì)水平時(shí)與外殼之間的摩擦、校零誤差等問題；不需要應(yīng)用定滑輪；能動(dòng)態(tài)顯示f圖．

改進(jìn)后存在的問題：

(1)如果改為DIS，“過程與方法”目標(biāo)難體現(xiàn)．學(xué)生體會(huì)不到其中力的變化，只有數(shù)字的改變，砍柴前磨好刀給學(xué)生和教磨刀法讓學(xué)生親歷磨刀過程是有所不同的；

(2)圖像動(dòng)態(tài)變化使圖像問題復(fù)雜化；

(3)傳感器費(fèi)用比較貴，各學(xué)校配備不到位；

(4)直接用彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)力簡(jiǎn)單明了，改用傳感器連接計(jì)算機(jī)使操作變復(fù)雜，有些教師不愿用，甚至不會(huì)用；傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)神秘，其中包含了什么，說不清道不明，有些教師放棄用；

從上述一系列的改進(jìn)分析可知，教師不斷地改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置以期可以解決實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題，使實(shí)驗(yàn)更合理化、科學(xué)化，卻不知在追求實(shí)驗(yàn)裝置的完美性的過程中漸漸背離了教學(xué)的“初心”——化繁為簡(jiǎn)的原則．一直以來初中物理教學(xué)過程中都重視“簡(jiǎn)化”思想，以期能讓學(xué)生融入教學(xué)探究過程中，在發(fā)現(xiàn)問題、解決問題中掌握物理知識(shí)，進(jìn)而使學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)得到全方面的培養(yǎng)．因此，教師把多功能的、復(fù)雜的教具直接用到實(shí)踐教學(xué)中去是不恰當(dāng)?shù)模菍?shí)驗(yàn)課如何才能更有效地進(jìn)行教學(xué)呢，下面就根據(jù)上述的分析對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提出一些建議，以期能夠?yàn)榻窈蟮慕虒W(xué)提供一些參考．

3 基于核心素養(yǎng)對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的建議

3.1 不能剝奪學(xué)生體驗(yàn) 親歷過程的權(quán)利

教師在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)該精益求精，爭(zhēng)取更好的實(shí)驗(yàn)效果，但不能把最好的直接展現(xiàn)給學(xué)生，剝奪他們的體驗(yàn)權(quán)、思考權(quán)．

從物理觀念素養(yǎng)的角度來看，學(xué)生只有親身體驗(yàn)過發(fā)現(xiàn)知識(shí)的全過程，才能深刻地感悟到物理知識(shí)中所蘊(yùn)含的觀點(diǎn)、規(guī)律、方法、本質(zhì)及其思想等，進(jìn)而才能將相關(guān)物理知識(shí)綜合以及內(nèi)化為觀念[4]，最終促進(jìn)自己的物理觀念素養(yǎng)的培養(yǎng)．因此，教師的教和學(xué)生的學(xué)都應(yīng)該循序漸進(jìn)，教師不要急于給學(xué)生總結(jié)，而應(yīng)該讓學(xué)生自己去感悟、體驗(yàn)、總結(jié)知識(shí)[5]．

從科學(xué)思維素養(yǎng)的角度來看，讓學(xué)生融入實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)或改進(jìn)的過程中，并令學(xué)生表達(dá)出自己設(shè)計(jì)或改進(jìn)的依據(jù)，從而讓學(xué)生體會(huì)“設(shè)計(jì)有方、改進(jìn)有法”的思想，可使學(xué)生的思維得到開發(fā)，進(jìn)而促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)．

從科學(xué)探究素養(yǎng)來看，其內(nèi)容當(dāng)中就提到“初中階段的物理課程理應(yīng)讓學(xué)生親歷實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、探究的全過程，讓學(xué)生從其中學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí)和科學(xué)探究方法，提高分析問題和解決問題的能力，進(jìn)而形成適應(yīng)終身學(xué)習(xí)和社會(huì)發(fā)展的能力”．因此要重視學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的探究過程，使學(xué)生的“學(xué)科能力”得到良好的發(fā)展．

【例1】對(duì)于測(cè)量滑動(dòng)摩擦力大小的實(shí)驗(yàn)，許多教師有著近乎完美的改進(jìn)，可為什么不添加到修訂后的教材中去替換掉原有的呢？經(jīng)過研究調(diào)查可以發(fā)現(xiàn)幾乎所有的教材都保留著原有的實(shí)驗(yàn)裝置，如表3 所示.

表3 教材中實(shí)驗(yàn)裝置的比較

很明顯教材上的實(shí)驗(yàn)裝置存在一些缺陷，可為什么這么多的教材依然把它保留在課本上呢？經(jīng)過研究調(diào)查發(fā)現(xiàn)不改有利于探究教學(xué)——不剝奪學(xué)生自己經(jīng)歷思考的過程，讓知識(shí)完整的一步步呈現(xiàn)，而非躍進(jìn)式的大而全的交予學(xué)生；同時(shí)留給了師生足夠的改進(jìn)、創(chuàng)新思維發(fā)育生長(zhǎng)的空間，俗稱教學(xué)中的“留白”，為學(xué)生的科學(xué)思維的發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)．麥克斯韋說過儀器的教育性與儀器的復(fù)雜程度成反比，因此要適當(dāng)?shù)囊蚵秃?jiǎn)，返璞歸真[4]．

3.2 要在繼承的基礎(chǔ)上勇于創(chuàng)新

縱觀核心素養(yǎng)理念可知，學(xué)生要在掌握基礎(chǔ)知識(shí)與技能的前提下，才能將它們進(jìn)行升華，從而形成自身的能力．因此對(duì)于課本中的學(xué)生實(shí)驗(yàn)或演示實(shí)驗(yàn)，要倡導(dǎo)在繼承的基礎(chǔ)上勇于創(chuàng)新改變定式思維，換個(gè)角度和思維去設(shè)計(jì)也許會(huì)收到意想不到的效果．

【例2】對(duì)使用傳感器的態(tài)度

隨著時(shí)代的發(fā)展，傳感器的使用越來越普遍，隱隱有著勢(shì)不可擋的趨勢(shì)，這是否意味著力傳感器可以取代彈簧測(cè)力計(jì)呢？通過上面對(duì)改進(jìn)四的分析，可發(fā)現(xiàn)取代彈簧測(cè)力計(jì)并不可行的，那是否意味著力傳感器不適合在中學(xué)物理教學(xué)上應(yīng)用呢？經(jīng)過研究調(diào)查發(fā)現(xiàn)力傳感器在中學(xué)物理教學(xué)上是有其重要教學(xué)價(jià)值的，但要合理運(yùn)用它．例如可以在教學(xué)過程中同步對(duì)比使用，既保留了傳統(tǒng)，又可引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新．

4 小結(jié)

綜上所述，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中教師要倡行“做中學(xué)”的教學(xué)思想，要讓學(xué)生參入實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、操作的全過程，而不是直接將完美的實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)給學(xué)生．因此要盡量使實(shí)驗(yàn)器材簡(jiǎn)單化，讓學(xué)生能夠體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)的每一個(gè)步驟、思考每一個(gè)問題，一步步的掌握物理知識(shí)與技能．同時(shí)在這些基礎(chǔ)上再引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)改進(jìn)，才可更好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力．當(dāng)然要做到這些，對(duì)新、老教師的要求都是比較高的，為了達(dá)到更好的教學(xué)效果，教師們應(yīng)不斷地提高自身專業(yè)能力，活到老，學(xué)到老．