立足實(shí)驗(yàn)改進(jìn) 培養(yǎng)科學(xué)思維

李育紅 石堯

摘?要：本文以比較不同物質(zhì)吸熱能力強(qiáng)弱實(shí)驗(yàn)為例，探討如何在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中大膽質(zhì)疑，對(duì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行改進(jìn)，并在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)情境中，解決出現(xiàn)的問(wèn)題;探討如何引導(dǎo)學(xué)生在解決問(wèn)題的過(guò)程中，通過(guò)查閱資料，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等方式尋找證據(jù)，以支持自己的觀點(diǎn).在整個(gè)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的教學(xué)過(guò)程中，注重師生間及生生間的合作交流，發(fā)揮好教師的主導(dǎo)作用，從而提升學(xué)生的探究能力及創(chuàng)新能力.為了解決實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，提倡學(xué)生自制教具改進(jìn)實(shí)驗(yàn)器材，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案，使實(shí)驗(yàn)達(dá)到真實(shí)有效的效果，為物理概念的建立提供有價(jià)值的數(shù)據(jù)支持.

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)改進(jìn);科學(xué)思維;自制教具

文章編號(hào)：1008-4134（2019）18-0036中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

實(shí)驗(yàn)在整個(gè)物理教學(xué)過(guò)程中的作用不言而喻，但教材中所安排的部分實(shí)驗(yàn)在教學(xué)實(shí)踐中卻存在著一定的問(wèn)題，問(wèn)題產(chǎn)生的原因有很多，如實(shí)驗(yàn)器材過(guò)于陳舊，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)存在紕漏等.如果教師只是一味地等待教材的改進(jìn)，實(shí)驗(yàn)器材的更新，那么教師在教學(xué)過(guò)程所起的主導(dǎo)作用將大打折扣.同時(shí)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師如果不能引導(dǎo)學(xué)生大膽質(zhì)疑，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并積極地解決問(wèn)題，而只是注重知識(shí)的傳授，那么必將喪失培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的主陣地.接下來(lái)，我們以比較不同物質(zhì)吸熱能力的實(shí)驗(yàn)為例，探討如何在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生敢于質(zhì)疑，查閱資料，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，從而輔助其科學(xué)思維的形成.

1?實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案的偏誤及改進(jìn)

比較不同物質(zhì)吸熱情況的實(shí)驗(yàn)是利用兩種規(guī)格相同的熱源對(duì)質(zhì)量相同的兩種物質(zhì)進(jìn)行加熱，從而比較相同加熱時(shí)間下物質(zhì)的溫度變化情況，或升高相同溫度比較物質(zhì)的加熱時(shí)間，由此得到兩種不同物質(zhì)的吸熱能力強(qiáng)弱情況.大體而言，在教學(xué)過(guò)程中主要存在兩種實(shí)驗(yàn)方案.

方案一：利用相同的電加熱器對(duì)水和油兩種物質(zhì)進(jìn)行加熱的演示實(shí)驗(yàn).

方案一要求使用相同規(guī)格的電加熱器作為熱源，優(yōu)勢(shì)是熱源規(guī)格相對(duì)容易保持一致，缺點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)所用溫度計(jì)難于演示觀察（如圖1所示），即學(xué)生觀察溫度變化存在困難.針對(duì)這一問(wèn)題，學(xué)生提出了溫度計(jì)的改進(jìn)意見(jiàn).如使用液柱較粗，顯示效果較好的溫度計(jì)進(jìn)行演示.為此，我們選用了玻璃泡較大，液柱較粗的溫度計(jì)（如圖2所示），并將刻度標(biāo)記在刻度盤(pán)上，從而改進(jìn)顯示效果，但又出現(xiàn)了新的問(wèn)題，刻度盤(pán)框架較大，無(wú)法用電加熱器進(jìn)行內(nèi)部加熱，只能用酒精燈進(jìn)行外部加熱;也有同學(xué)提出直接采用電子數(shù)顯溫度計(jì)，將溫度數(shù)據(jù)直接顯示出來(lái)，改進(jìn)后顯示效果更加直觀（如圖3所示）.

方案二：利用酒精燈對(duì)水和沙子兩種物質(zhì)進(jìn)行加熱的學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)（如圖4所示）.

如果采用方案二進(jìn)行學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)（如圖4所示），對(duì)熱源要求較高，實(shí)驗(yàn)中要求兩個(gè)酒精燈必須規(guī)格相同.但我們顯然不能保證酒精燈規(guī)格的相同，因此該方案存在嚴(yán)重缺陷.在采用此方案進(jìn)行實(shí)際操作時(shí)，學(xué)生提出了這一困惑，并針對(duì)該困惑提出了兩種改進(jìn)方案，一是用同一酒精燈對(duì)兩種不同物質(zhì)加熱（如圖5所示），只要控制好平底試管擺放的位置，基本就能解決熱源規(guī)格必須相同的問(wèn)題;二是在石棉網(wǎng)上做出標(biāo)記，然后對(duì)裝有不同物質(zhì)的試管逐一加熱（如圖6所示）.可見(jiàn)，改進(jìn)后的方案使得熱源規(guī)格相同的問(wèn)題得以解決，利用這個(gè)裝置可以進(jìn)行學(xué)生分組實(shí)驗(yàn).

2?實(shí)驗(yàn)方案改進(jìn)后仍然存在問(wèn)題

雖然此次經(jīng)過(guò)改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)方案確實(shí)解決了一些實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問(wèn)題，但在實(shí)際操作過(guò)程中學(xué)生仍會(huì)發(fā)現(xiàn)一些不足之處.

2.1?熱源問(wèn)題

在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)無(wú)論是采用相同規(guī)格的電加熱器加熱，還是改進(jìn)后方案中利用酒精燈加熱，由于物質(zhì)受熱的不均勻，總會(huì)造成數(shù)據(jù)前后不一致的弊病.即在加熱初期的一段時(shí)間內(nèi)，水的溫度變化比油的溫度變化快，而一段時(shí)間后，油的溫度變化又快于水的溫度變化.而如果受熱物質(zhì)是水和沙子，利用酒精燈或電加熱器加熱，沙子由于無(wú)法快速均勻受熱，數(shù)據(jù)不一致的現(xiàn)象更為突顯.這無(wú)疑給學(xué)生帶來(lái)了困擾，對(duì)于后續(xù)比熱容概念的得出平添了障礙.

2.2?數(shù)據(jù)的顯示問(wèn)題

本次實(shí)驗(yàn)既然可以利用電子溫度傳感裝置直接顯示溫度示數(shù)的變化，因此，我們可以利用數(shù)據(jù)傳感方式將兩種物質(zhì)溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系以圖像的形式直觀的顯示出來(lái).

3?利用自制教具，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案

針對(duì)以上方案中存在的問(wèn)題，學(xué)生提出了自己的看法，并在教師的引導(dǎo)下自制了新的教具，對(duì)該實(shí)驗(yàn)再次進(jìn)行了改進(jìn).

3.1?熱源改進(jìn)

考慮到實(shí)際生活中海灘的沙子比海水的溫度變化快這一實(shí)例，同學(xué)們提出是否可以采用輻射熱源來(lái)解決實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不一致的問(wèn)題.于是在教師的引導(dǎo)下，同學(xué)們查閱了輻射熱源的優(yōu)點(diǎn)，并找到了生活中的輻射熱源——美容燈.即在本次實(shí)驗(yàn)中采用美容燈紅外熱源（如圖7所示），對(duì)相同質(zhì)量的水和油（或水和沙子）進(jìn)行加熱（如圖8所示），由于輻射熱源效率較高，從實(shí)驗(yàn)伊始，在相同的加熱時(shí)間內(nèi)油的溫度就出現(xiàn)顯著變化.

3.2?利用溫度傳感器采集數(shù)據(jù)

在本次器材改進(jìn)中采用了溫度傳感器上傳物質(zhì)溫度變化的方式.使用溫度傳感器的優(yōu)點(diǎn)在于讀數(shù)方便，且便于數(shù)據(jù)采集，即顯示屏上的溫度顯示條可以非常直觀地顯示出兩種物質(zhì)溫度的變化示數(shù)，并借助于數(shù)據(jù)采集器，可以將整個(gè)過(guò)程中兩種物質(zhì)溫度隨加熱時(shí)間的變化直接以圖像的形式展示.如圖9所示，油的溫度通過(guò)1號(hào)溫度傳感器上傳至數(shù)據(jù)采集器，紅色線條顯示，水的溫度通過(guò)2號(hào)溫度傳感器上傳至數(shù)據(jù)采集器，藍(lán)色線條顯示.

通過(guò)數(shù)據(jù)采集器，我們可以直觀看到油溫度變化得快，如圖10所示.為了使水的溫度變化與油的相等，我們停止對(duì)油的加熱，而對(duì)水進(jìn)行繼續(xù)加熱，圖像顯示，在此過(guò)程中油的溫度下降，水的溫度繼續(xù)上升，直至兩者溫度變化相同，如圖11所示.觀察整個(gè)圖像，不難看出，油有一段放熱過(guò)程，因此，質(zhì)量相同的水和油升高相同的溫度，水需要吸收更多的熱量.

4?思考與啟示

本次實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)過(guò)程主要通過(guò)科學(xué)實(shí)踐活動(dòng)提

升學(xué)生的科學(xué)思維，主要表現(xiàn)在以下幾方面.

4.1?通過(guò)實(shí)驗(yàn)方案評(píng)估，提升問(wèn)題解決能力

評(píng)估設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案是學(xué)生在課堂教學(xué)中能夠經(jīng)歷科學(xué)發(fā)現(xiàn)的第一步，在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案的過(guò)程中，每一個(gè)器材的選取及使用都有一定的要求和局限，并無(wú)好壞之分，教師要做的是引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注每一個(gè)器材的使用，每一個(gè)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)，通過(guò)已有的知識(shí)及經(jīng)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行有效評(píng)估.

4.2?借助實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，提升科學(xué)論證能力

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不是結(jié)果和規(guī)律，而需要經(jīng)歷充分的分析與論證從大量數(shù)據(jù)信息中歸納出事物的客觀規(guī)律，沒(méi)有經(jīng)過(guò)分析與論證的數(shù)據(jù)必然會(huì)失去它們的科學(xué)價(jià)值.因此，在本次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中強(qiáng)調(diào)學(xué)生依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否符合自己按照當(dāng)前假設(shè)所做的預(yù)測(cè)，看實(shí)驗(yàn)所積累的證據(jù)是否足以讓自己接受或拒絕當(dāng)前的假設(shè).如果當(dāng)前假設(shè)被拒絕，則需要重新搜索假設(shè)空間，如果當(dāng)前實(shí)驗(yàn)結(jié)果還沒(méi)有得到確定性的結(jié)論，那就要繼續(xù)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)一步檢驗(yàn)假設(shè).

4.3?引導(dǎo)學(xué)生改進(jìn)方案，培養(yǎng)科學(xué)創(chuàng)新能力

每一次方案改進(jìn)的過(guò)程都是實(shí)踐、思考和創(chuàng)新的過(guò)程.過(guò)程是很艱辛，但每一次進(jìn)步，都是一次創(chuàng)新的體驗(yàn).這樣的過(guò)程對(duì)學(xué)生而言無(wú)疑是刺激而又富有挑戰(zhàn)性，堅(jiān)持到最后的學(xué)生，無(wú)疑會(huì)獲得創(chuàng)新能力的極大提升.雖然學(xué)生并沒(méi)有創(chuàng)造什么新的產(chǎn)品，但是他們?cè)趧?dòng)手動(dòng)腦過(guò)程中，做到了對(duì)教材的彌補(bǔ)甚至超越，這種創(chuàng)新的體驗(yàn)過(guò)程，是無(wú)法用教學(xué)目標(biāo)（知識(shí)獲?。﹣?lái)描述的 .

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