物理課堂實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)和思考
——以“測量光照的強(qiáng)度”為例

(江蘇省常州市武進(jìn)區(qū)禮嘉中學(xué),江蘇 常州 213176)

物理是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，強(qiáng)調(diào)動手能力、思維能力的學(xué)科，為了物理課堂教學(xué)中落實(shí)核心素養(yǎng)培養(yǎng)的目標(biāo)，需要在實(shí)踐中不斷摸索。教師在課堂教學(xué)中應(yīng)合理巧妙地借助課堂實(shí)驗(yàn)，從有趣、直觀的現(xiàn)象出發(fā)，不僅可以激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維和探究的能力，還能創(chuàng)設(shè)高效的課堂教學(xué)。

課堂實(shí)驗(yàn)是教師結(jié)合教學(xué)內(nèi)容演示給學(xué)生觀察的實(shí)驗(yàn)，是物理課堂教學(xué)的重要手段，在課堂教學(xué)中具有非常重要的作用。課堂實(shí)驗(yàn)演示既能夠引導(dǎo)學(xué)生在獲得直觀、感性認(rèn)識的基礎(chǔ)上，更深刻地理解和掌握物理概念、規(guī)律，又能提升學(xué)生的觀察和分析能力，為學(xué)生正確的實(shí)驗(yàn)操作起到示范作用。然而在實(shí)際教學(xué)中會出現(xiàn)許多不可忽視的因素，比如某些客觀原因：實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)器材陳舊，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)效果不明顯；由于實(shí)驗(yàn)環(huán)境影響導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗。又如某些主觀原因：由于教學(xué)進(jìn)度緊張，導(dǎo)致教師忽視演示實(shí)驗(yàn)，由做實(shí)驗(yàn)變成了講實(shí)驗(yàn)；對課堂實(shí)驗(yàn)理解不到位，導(dǎo)致探究實(shí)驗(yàn)變成觀看實(shí)驗(yàn)，為了實(shí)驗(yàn)而實(shí)驗(yàn)。

在課堂實(shí)驗(yàn)演示之前，教師應(yīng)當(dāng)深入研究，要明確該實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目的，理清實(shí)驗(yàn)思路，根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)，循序漸進(jìn)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)的過程中，體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)的奧妙，而不是機(jī)械地羅列知識，停留在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的表面。

本文以“測量光照的強(qiáng)度”實(shí)驗(yàn)為例，突顯優(yōu)化物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)的重要性，以此來詮釋良好的課堂教學(xué)與課堂實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)在培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要意義。

1 課堂實(shí)驗(yàn)需要有效改進(jìn)

對于高中物理教材中實(shí)驗(yàn)條件要求較高的實(shí)驗(yàn)，教師不能一味地只是利用課件模擬演示，倘若教師沒有認(rèn)真設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)，就不能充分利用實(shí)驗(yàn)來增加學(xué)習(xí)的思維含量，那就會使通過實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生的觀察、思考能力的效果大打折扣。其實(shí)教師可以在原課本實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行合理的改進(jìn)，曲徑通幽，遠(yuǎn)比觀看課件模擬演示更能促使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中深度思考，增強(qiáng)學(xué)生探究的欲望，達(dá)到更好的教學(xué)效果。

人教版選修3-2第六章第2節(jié)“傳感器的應(yīng)用”中的“測量光照的強(qiáng)度”實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1

該實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目標(biāo)為：

(1) 使學(xué)生知道傳感器應(yīng)用的一般模式和光敏電阻的工作特性。

(2) 培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)觀察能力和實(shí)驗(yàn)分析能力，并讓學(xué)生學(xué)會簡單的傳感器電路設(shè)計(jì)。

(3) 激發(fā)學(xué)生的物理學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究意識，使學(xué)生感受傳感技術(shù)給生活帶來的便利，拓展學(xué)生的設(shè)計(jì)思路。

筆者通過對本課實(shí)驗(yàn)的研究，發(fā)現(xiàn)在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)操作過程中，該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)有以下幾點(diǎn)不足之處。

(1) 對電路器材的要求較高

原課本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中因?yàn)榭紤]到光敏電阻的阻值較大，選擇了毫安表來測量電路中的電流，然而筆者在實(shí)際操作中發(fā)現(xiàn)在正常晴天室內(nèi)的光照下測得光敏電阻阻值約為60kΩ，設(shè)電路中電源電壓為3V，回路電流I約為0.05mA，如果按課本所示用毫安表測量的話，表針幾乎不偏轉(zhuǎn)，這就需要實(shí)驗(yàn)室提供微安表。

(2) 忽視了電路元件的安全性

經(jīng)筆者測量，在陽光直射下，光敏電阻阻值為800Ω，在用手指遮住光敏電阻，測得電阻值大約為4.5MΩ，可見光敏電阻阻值的變化范圍較大，如果在暗室中，電阻更大。那么在電壓一定的前提下，由于電阻的變化較大，當(dāng)強(qiáng)光照射時(shí)，電阻較低，回路電流較大，就會出現(xiàn)超出毫安表量程的現(xiàn)象，損壞儀表器材。

針對以上兩點(diǎn)，筆者對課本的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)，如圖2所示，在原有的實(shí)驗(yàn)電路中，加入一個(gè)全電阻為50kΩ的滑動變阻器，這樣的設(shè)計(jì)有以下兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

圖2

(1) 加入滑動變阻器，可以有效地避免光敏電阻在強(qiáng)光照射下電阻過小，導(dǎo)致電路中電流過大，超出電流表最大量程，從而起到保護(hù)電路的作用。

(2) 加入滑動變阻器后，不僅能夠達(dá)成書本上原實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，還能夠通過該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，引導(dǎo)學(xué)生探究控制光敏電阻對光的靈敏度的新課題，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)光敏電阻特性的同時(shí)能夠解決實(shí)際問題，真正做到學(xué)有所用。

2 課堂實(shí)驗(yàn)要合理設(shè)計(jì)

在課堂教學(xué)中，有些教師由于對實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)認(rèn)識不足，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)效果不理想。例如實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中只注重實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象，急于得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)過程倉促，草草了事；實(shí)驗(yàn)過程中不注重實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及誤差的原因分析，導(dǎo)致學(xué)生對實(shí)驗(yàn)認(rèn)知不夠，對實(shí)驗(yàn)原理理解模糊；實(shí)驗(yàn)中忽視學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)邏輯不嚴(yán)密，使得一些學(xué)生似懂非懂，思維跳躍較大等。為了在教學(xué)中促進(jìn)學(xué)生真正有效學(xué)習(xí)，提高學(xué)生的物理核心素養(yǎng)，教師應(yīng)該合理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，以高效問題驅(qū)動，引領(lǐng)學(xué)生深入探究，突破教學(xué)難點(diǎn)，促成學(xué)生掌握物理問題解決的方法，引領(lǐng)學(xué)生拓展思維空間，培養(yǎng)學(xué)生物理思維能力。在“測量光照的強(qiáng)度”的實(shí)驗(yàn)中，筆者設(shè)計(jì)了如下兩個(gè)實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)一 探究光敏電阻受到光照后，對電路中電流的影響

復(fù)習(xí)光敏電阻的工作特性：光照越強(qiáng)，電阻越小。

實(shí)驗(yàn)步驟：

(1) 閉合開關(guān)，移動滑動變阻器，調(diào)整到適當(dāng)?shù)奈恢茫寣W(xué)生觀察電流表指針示數(shù)，現(xiàn)象為指針有一定的偏轉(zhuǎn)角度。

(2) 打開光源，照射電路中的光敏電阻，觀察電流表指針示數(shù)，現(xiàn)象為指針的偏轉(zhuǎn)角度變大。

教師提問：通過兩個(gè)步驟的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的對比，你能得到什么結(jié)論？

學(xué)生總結(jié)：光敏電阻受到的光照越強(qiáng)，電阻越小，串聯(lián)電路中的電流越大。

(3) 將不同的光源，在相同的位置照射光敏電阻，觀察電流表的偏轉(zhuǎn)情況，現(xiàn)象為相比LED手電，在紫外燈照射下，電流表偏轉(zhuǎn)角度較小，說明紫外燈的光強(qiáng)度比較弱。

教師提問：你能用自己的語言來歸納該電路的工作原理嗎？

學(xué)生總結(jié)：可以運(yùn)用該電路中的光敏電阻隨光照強(qiáng)弱的變化而改變電阻值，由歐姆定律，可得電路中電流發(fā)生改變，即采用由光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘柕膫鞲衅鲬?yīng)用模式，可以用電流表的偏轉(zhuǎn)角度來檢測光照強(qiáng)度。

實(shí)驗(yàn)二 如何控制光敏電阻對光的敏感度？

實(shí)驗(yàn)步驟：

(1) 將接入電路的滑動變阻器電阻調(diào)到最左邊，即接入電阻為最小值，打開光源，距離光敏電阻適當(dāng)位置(使指針偏轉(zhuǎn)大角度即可)，然后用手在光源與光敏電阻之間來回晃動，觀察電流表偏轉(zhuǎn)情況，可觀察到電流表指針大角度來回偏轉(zhuǎn)，說明光敏電阻對光照比較靈敏。

(2) 將接入電路的滑動變阻器電阻調(diào)到較大值，光源位置不變，光強(qiáng)不變，用手在光源與光敏電阻之間來回晃動，觀察電流表的偏轉(zhuǎn)情況，可觀察到電流表指針小角度的來回偏轉(zhuǎn)，說明光敏電阻對光照的靈敏度比步驟1有所下降。

學(xué)生總結(jié)：光敏電阻對光照的敏感度可以通過電路中滑動變阻器的接入阻值大小來調(diào)節(jié)，接入阻值越大，對光照的敏感度越小，反之越大。

3 課堂實(shí)驗(yàn)要科學(xué)創(chuàng)新

在物理教學(xué)中，要多做、巧做、多問、多發(fā)散、多評析，當(dāng)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)充滿興趣和熱情時(shí)，其潛力是無限的，要在課堂教學(xué)中，培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、質(zhì)疑能力，讓學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究的過程，學(xué)習(xí)科學(xué)探究的方法，培養(yǎng)學(xué)生的探索精神、實(shí)踐能力以及創(chuàng)新意識，提升其核心素養(yǎng)。

為了更好地讓學(xué)生直觀體驗(yàn)到光敏電阻的特性，筆者對“測量光照的強(qiáng)度”實(shí)驗(yàn)原型進(jìn)行了創(chuàng)新，實(shí)驗(yàn)電路如圖3所示。

圖3

(1) 用LED燈替代電路中的電流表

本章“傳感器”的教學(xué)只要求定性研究，不需做定量的計(jì)算，所以將LED燈替換課本實(shí)驗(yàn)中的電流表，這樣就可以用LED燈的亮度來直觀地體現(xiàn)回路中電流的強(qiáng)弱，讓學(xué)生更加容易感知。同時(shí)也能夠避免由于光敏電阻的阻值變化較大，會導(dǎo)致電流超出電流表量程，損壞電路器材。

(2) 用三極管放大回路電流

光敏電阻阻值約為60kΩ，回路電流I約為0.05mA，而LED燈的點(diǎn)亮電流大約是3-20mA，所以如果把LED燈直接串聯(lián)在回路中，是不會發(fā)光的，因此，這里可運(yùn)用三極管，將通過光敏電阻的電流放大，使LED燈發(fā)亮，從而保證在正常室內(nèi)光線下能夠觀察到明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

(3) 利用模擬實(shí)驗(yàn)說明曝光表工作原理

攝影時(shí)使用的曝光表，是一種用來測量光強(qiáng)度的儀器。在攝影中被用來確定適當(dāng)?shù)钠毓鈺r(shí)間，從而得到高質(zhì)量的圖片。曝光表工作原理是硅光電池受到光照時(shí)，會產(chǎn)生一定的電動勢，光照強(qiáng)度越強(qiáng)，產(chǎn)生的電動勢就越大，曝光表上顯示的數(shù)值越大。由于硅光電池的工作原理比較復(fù)雜，可以在實(shí)驗(yàn)中模擬曝光表工作原理，可在實(shí)驗(yàn)中利用數(shù)字萬用表直接測量二極管回路中的電流，入射光越強(qiáng)，數(shù)字萬用表上的示數(shù)就越大，從而直觀地反映出光的強(qiáng)弱。

4 結(jié)語

伽利略曾說過：“科學(xué)的真理不應(yīng)該在古代圣人的蒙著灰塵的書上去尋找，而應(yīng)該在實(shí)驗(yàn)中和以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的理論中去找”。物理教師應(yīng)該充分利用實(shí)驗(yàn)這個(gè)武器，在科學(xué)思維方法的引領(lǐng)下，帶領(lǐng)學(xué)生在探究過程中不斷前行，提升學(xué)生的核心素養(yǎng)。