拓展實(shí)驗(yàn)資源 培養(yǎng)物理科學(xué)思維

錢國(guó)良

(江蘇省常熟市第八中學(xué)，江蘇常熟 215500)

引 言

在物理教學(xué)中，通過物理實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生對(duì)課堂上的理論知識(shí)進(jìn)行驗(yàn)證，鞏固知識(shí)；同時(shí)，通過物理實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的物理科學(xué)思維[1]。以下便是筆者根據(jù)多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)的如何通過拓展實(shí)驗(yàn)資源，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力、發(fā)散思維能力、創(chuàng)新思維能力和分析思維能力等的方法。

一、理想實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)邏輯思維能力

在物理的教學(xué)中，教師經(jīng)常會(huì)遇到許多現(xiàn)實(shí)中無法得到驗(yàn)證的概念或者定律。這時(shí)教師需要在思維中塑造一個(gè)理想的環(huán)境，把可靠的事實(shí)和理論思維結(jié)合起來，通過邏輯推理和理論研究，解釋現(xiàn)象和揭示規(guī)律。通常教師把這一過程叫作理想實(shí)驗(yàn)，也稱作“思想上的實(shí)驗(yàn)”。

眾所周知，牛頓第一定律在推導(dǎo)的過程中，就是運(yùn)用了“理想實(shí)驗(yàn)”的方法。教師在教授“牛頓第一定律”的時(shí)候，由于八年級(jí)的學(xué)生不了解這一推導(dǎo)過程，還不知道這其實(shí)是伽利略所推導(dǎo)，牛頓總結(jié)而得到的定律。于是，為了給學(xué)生演示這一推導(dǎo)過程，筆者準(zhǔn)備了一個(gè)小球以及兩個(gè)光滑的木板當(dāng)作斜面，演示實(shí)驗(yàn)：小球從其中一塊斜面上方自由滾下，通過兩斜面交接處滾上另一斜面。學(xué)生觀察到：小球在第二個(gè)斜面上升的高度與初始高度基本相等。于是筆者問學(xué)生高度上出現(xiàn)微小的差別的原因是什么？如果排除這一原因呢？學(xué)生推斷：出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是有摩擦力的存在，如果摩擦力f=0時(shí)，高度將恰好相等。

上面描述的這個(gè)實(shí)驗(yàn)是不可能實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)生活中找不到絕對(duì)光滑的平面。因此，牛頓第一定律的推導(dǎo)實(shí)驗(yàn)便是屬于“理想實(shí)驗(yàn)”。通過這一理想實(shí)驗(yàn)，學(xué)生對(duì)牛頓第一定律的認(rèn)識(shí)更加深刻了，思維更加清晰了，提升其邏輯思維能力的目的也達(dá)到了。

二、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)發(fā)散思維能力

在物理實(shí)驗(yàn)中，教師經(jīng)常用到的方法有很多，例如比較法、類比法、轉(zhuǎn)化法和控制變量法等等。研究某些物理知識(shí)或物理規(guī)律，往往有多種方法可以使用，而教師要選用其中誤差最小、效果最佳的一個(gè)。因此，教師設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)要選擇最優(yōu)的方案。

例如，教師在教授八年級(jí)下冊(cè)第十章“壓力和浮力”中的第五節(jié)“物體的沉與浮”的時(shí)候，筆者讓學(xué)生通過小組合作探究，設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)探究物體的沉浮條件。筆者的要求是利用身邊熟悉的器材進(jìn)行試驗(yàn)，并且要進(jìn)行詳細(xì)的講解。有的學(xué)生提出重量會(huì)決定物體是否下沉；于是，筆者讓學(xué)生先進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，探究重量是不是物體下沉的條件。學(xué)生通過討論、對(duì)比優(yōu)化，最終設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)：一個(gè)小小的鐵釘和一塊比鐵釘質(zhì)量大的木塊同時(shí)放在裝滿水的水槽中，結(jié)果小鐵釘在水中下沉，而木塊在水中的現(xiàn)象卻恰恰相反。由于大木塊的質(zhì)量大于小鐵釘?shù)馁|(zhì)量，所以得出結(jié)論：物體在水中的沉與浮與物體的質(zhì)量無關(guān)。學(xué)生對(duì)剛才的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了分析后又猜想：因?yàn)棣谚F釘＞ρ水＞ρ木塊，所以鐵釘在水中下沉，木塊在水中上浮。因此，筆者又引導(dǎo)學(xué)生做了一個(gè)驗(yàn)證：利用的材料是廢牙膏皮，對(duì)廢牙膏皮不做任何改變，空心的時(shí)候能浮在水面上；改變密度，例如縮小體積，牙膏皮在水中下沉，所以密度是決定浮沉的條件。

在這節(jié)課中，筆者沒有直接告訴學(xué)生物體的沉浮條件，而是通過引導(dǎo)，讓學(xué)生自主思考進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，去探究物體的沉浮條件。不僅讓學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)到知識(shí)，還可以培養(yǎng)他們發(fā)散思維的能力。

三、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)創(chuàng)新思維能力

在初中的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，一些實(shí)驗(yàn)會(huì)存在很多問題，例如有的演示實(shí)驗(yàn)不夠直觀明顯；而且有時(shí)候由于失誤無法一次成功或者無法精確測(cè)量等[2]。于是，筆者要求學(xué)生將實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化；而且，在這一過程中可以提升學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。

例如，筆者在給學(xué)生講八年級(jí)上冊(cè)第五章“物體的運(yùn)動(dòng)”中的第一節(jié)“長(zhǎng)度和時(shí)間的測(cè)量”時(shí)，為了讓學(xué)生熟悉如何使用刻度尺測(cè)量物體的長(zhǎng)度，筆者讓學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)量身邊各種物體的長(zhǎng)度、寬度以及高度等等。筆者給學(xué)生出的其中一個(gè)題目是測(cè)量一張信紙的厚度。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生有的直接測(cè)量一張信紙的厚度，但是由于紙張比較薄，小于1mm，刻度尺的刻度不夠精細(xì)，只能通過估計(jì)，測(cè)量值就不是太精確了。筆者讓學(xué)生對(duì)這一實(shí)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化，以保證測(cè)量值的準(zhǔn)確度。于是，學(xué)生展開小組討論與交流。通過討論，有的學(xué)生將一張信紙放在一本書上，先測(cè)量總體的厚度h1，然后再測(cè)量書的厚度h2。于是，一張信紙的厚度h=h1-h2。還有的學(xué)生將實(shí)驗(yàn)進(jìn)行如下改進(jìn)：將30張信紙疊加起來，測(cè)量30張信紙的厚度H，通過測(cè)量并計(jì)算：一張信紙的厚度=30張信紙的厚度H÷30。學(xué)生的方法都最終測(cè)得了一張信紙的厚度，完成了這一實(shí)驗(yàn)。

在這一物理實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生通過小組討論交流，運(yùn)用“放大法”，使得一張信紙的厚度放大，方便測(cè)量，更加直觀明顯，而且減少了人為原因的觀察讀數(shù)誤差。將一張信紙的厚度放大，進(jìn)行了思維的創(chuàng)新，通過一個(gè)小小的實(shí)驗(yàn)，不僅讓學(xué)生學(xué)習(xí)了刻度尺的使用，還培養(yǎng)了他們的思維創(chuàng)新能力。

四、誤差實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)分析思維能力

在物理實(shí)驗(yàn)中，誤差是十分普遍的。由于度量的精度不夠、人為的觀察誤差或者試驗(yàn)環(huán)境不能完全一致等原因，任何測(cè)量值都會(huì)存在誤差，而且誤差無法避免。教師通過對(duì)物理實(shí)驗(yàn)中的誤差進(jìn)行分析思考，進(jìn)而進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化改進(jìn)，培養(yǎng)學(xué)生的分析思維能力。

例如，筆者在給八年級(jí)學(xué)生講初中物理“物質(zhì)的密度”，也就是下冊(cè)課本第六章“物質(zhì)的物理屬性”中的第三節(jié)時(shí)，筆者讓學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的器材測(cè)量小石塊的密度。學(xué)生經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)量和計(jì)算，同一塊小石塊，不同的小組測(cè)出的數(shù)值都不同。在排除計(jì)算的錯(cuò)誤之后，確定這是由于測(cè)量時(shí)的誤差造成的。于是，筆者讓其中的兩個(gè)小組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示，其他學(xué)生進(jìn)行觀察分析，找出出現(xiàn)誤差的原因并且改正。經(jīng)過兩組學(xué)生的操作和其他學(xué)生的觀察分析，找出原因：其中一個(gè)小組的學(xué)生在測(cè)量小石塊體積的時(shí)候，運(yùn)用的是轉(zhuǎn)化法。將小石塊放入水中，測(cè)出小石塊和水的總體積V，之后將小石塊拿出測(cè)得剩下水的體積v0。于是，小石塊的體積v=V-v0。在這個(gè)過程中，由于在取出小石塊時(shí)，將一部分水灑了出來，造成了實(shí)驗(yàn)的誤差。正確的操作應(yīng)該是先測(cè)量量筒中水的體積，然后把小石塊放入測(cè)量讀數(shù)。而另一組學(xué)生由于讀數(shù)時(shí)出現(xiàn)了錯(cuò)誤操作，所以測(cè)量值與其他小組差距較大。

在這一次的實(shí)驗(yàn)探究中，筆者引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行誤差校正，讓他們自主發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生誤差的原因，并且優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。通過誤差實(shí)驗(yàn)，可以培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度；同時(shí)，也可以提高學(xué)生的分析能力。

結(jié) 語

在物理教學(xué)中，物理實(shí)驗(yàn)是重中之重；而在物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)資源的拓展同樣不可或缺。在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中拓展實(shí)驗(yàn)資源，讓學(xué)生對(duì)已經(jīng)學(xué)習(xí)過的知識(shí)進(jìn)行復(fù)習(xí)鞏固，同時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)過程中的問題并改正。通過這種方式，不僅可以培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科思維能力，還可以讓學(xué)生對(duì)知識(shí)掌握得更加牢靠。