基于學(xué)科核心素養(yǎng)下的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新改進(jìn)
——以焦耳定律的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)器材為例

肖 凱

一、引導(dǎo)學(xué)生樹立對物理實(shí)驗(yàn)器材創(chuàng)新的科學(xué)觀念

1.多方位培養(yǎng)學(xué)生對物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新的興趣

眼下初中部分教師應(yīng)試教育思維根深蒂固，物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)被嚴(yán)重忽視，成為初中物理教學(xué)的薄弱環(huán)節(jié)。由于實(shí)驗(yàn)教學(xué)被忽視，導(dǎo)致了理論與實(shí)踐脫節(jié)嚴(yán)重，學(xué)生不能夠?qū)⒗碚撝R與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，給成績的提高與學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)帶來負(fù)面影響。

托爾斯泰說：“成功的教學(xué)所需要的不是強(qiáng)制，而是激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣?！庇辛伺d趣，就能全神貫注地積極思維，有了興趣就能克服困難，探究科學(xué)的奧秘，有了興趣學(xué)習(xí)就可以不成為負(fù)擔(dān)。讓學(xué)生多方位參與實(shí)驗(yàn)演示、改進(jìn)和創(chuàng)新，不僅可以激發(fā)興趣，調(diào)動學(xué)習(xí)的積極性和注意力，增加學(xué)生對物理規(guī)律的理解深度，同時還可以規(guī)范學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作。

2.引導(dǎo)在課堂內(nèi)外根據(jù)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)不足引入創(chuàng)新活動主題

利用課余時間我們建立了校本教研的教師專項(xiàng)小組，引導(dǎo)社團(tuán)和學(xué)生學(xué)習(xí)小組做過多次實(shí)驗(yàn)，確立了焦耳定律實(shí)驗(yàn)器材的創(chuàng)新與改進(jìn)活動方向。

(1)傳統(tǒng)焦耳定律演示實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)

(方案一，如圖1-1)

圖1-1

實(shí)驗(yàn)器材：6V電源、密閉燒瓶、滑動變阻器、電熱絲、煤油和玻璃管、計(jì)時器、電流表

實(shí)驗(yàn)原理：

①接通串聯(lián)電路一段時間，比較兩瓶中玻璃管內(nèi)煤油哪個上升得高。如果瓶中煤油上升得高，這表明電阻越大，電流產(chǎn)生的熱量越多。

②在兩個玻璃管中的液柱降回到原來的高度后，調(diào)節(jié)滑動變阻器，加大電流，重做上面的實(shí)驗(yàn)，通電時間和前次時間相同，在這兩次實(shí)驗(yàn)中，比較甲瓶(或乙瓶)中的煤油哪次上升得高。在第二次實(shí)驗(yàn)中，瓶中煤油上升得高。這表明電流越大，電流產(chǎn)生的熱量越多。

③實(shí)驗(yàn)表明，通電時間越長，瓶中的煤油上升得越高，電流產(chǎn)生的熱量越多。

缺點(diǎn)：實(shí)驗(yàn)中師生發(fā)現(xiàn)該實(shí)驗(yàn)裝置比較復(fù)雜，密閉要求高，顯示速度慢，可見度小，耗時長，液柱上升的速度很慢，在完成上述步驟①后想完成步驟②，讓升上的液柱降下來再上升進(jìn)行觀察比較，一節(jié)課中難以完成任務(wù)，而且實(shí)驗(yàn)中煤油的味道比較難聞，學(xué)生比較反感。

(方案二，圖1-2)

圖1-2

實(shí)驗(yàn)器材：6V電源、密閉燒瓶、滑動變阻器、電熱絲、煤油、溫度計(jì)、計(jì)時器

實(shí)驗(yàn)原理：與方案一類似，只是由觀察液柱的高度變化變成觀察溫度計(jì)的示數(shù)變化

缺點(diǎn)：實(shí)驗(yàn)由定性研究向定量研究邁出了大步，但是由于溫度計(jì)的示數(shù)較難觀察，實(shí)驗(yàn)的可見性還是沒有得到改進(jìn)。加熱時間長，學(xué)生注意力容易分散，并且不能連續(xù)重復(fù)演示，不利于組織課堂教學(xué)。

(2)針對以上常規(guī)實(shí)驗(yàn)方案的特點(diǎn)，我們的實(shí)驗(yàn)小組確定了研究方向，學(xué)生各抒己見，開始了大膽的構(gòu)思和設(shè)計(jì)。

①如何消除煤油的異味和溢出問題，建議改用加熱空氣，無色無味易于散熱。

②如何實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)智能化和精準(zhǔn)控制溫度變化，建議使用熱傳感器。

③如何讓實(shí)驗(yàn)過程更加直觀，建議用5.5寸以上的LED數(shù)字屏幕展示。

二、培養(yǎng)實(shí)事求是和自力更生的科學(xué)思維

活動開始階段，組內(nèi)便傳來了不和諧的聲音，有些學(xué)生在收集網(wǎng)絡(luò)資源時發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)上已經(jīng)有很多的現(xiàn)成資源和改良的器材。于是部分學(xué)生打起了退堂鼓，甚至有學(xué)生說不如直接在某寶直接下單購置。于是，教師組織了一場辯論，偷懶的想法很快就被大家否定了：如果直接購買還要我們自己動手做什么，盡管自制器材會困難重重，但是樂在其中。一場爭論下來，學(xué)生的思想更統(tǒng)一了，即自己動手、自力更生。

物理學(xué)科的核心素質(zhì)是要真正使物理探究過程成為使學(xué)生不斷發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，不斷創(chuàng)新的過程，不管成功與否，學(xué)生敢于接受挑戰(zhàn)，不斷創(chuàng)新的良好品質(zhì)，是我們喜聞樂見的。

三、掌握團(tuán)結(jié)協(xié)作和克服困難的科學(xué)探究方法

1.對實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行初步收集與自制

物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力的重要途徑之一，教師在實(shí)驗(yàn)器材準(zhǔn)備中可以自己制作或輔導(dǎo)學(xué)生制作教具來加強(qiáng)演示實(shí)驗(yàn)效果。根據(jù)前期的準(zhǔn)備，我們分工確定了小組成員從不同的方向進(jìn)行突破。

(1)網(wǎng)絡(luò)中雖有現(xiàn)成的熱傳感器的套裝，但是大多價(jià)格昂貴，學(xué)生開始淘一些簡單器材，在教師的幫助下利用一些簡單的電路元件，如熱敏電阻和傳感線進(jìn)行自我組裝。

(2)改裝原有實(shí)驗(yàn)室中的廢舊空氣內(nèi)能演示儀。

(3)購置5.5寸以上的LED數(shù)字顯示屏，安裝調(diào)試動態(tài)展示，解決了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的可視性問題

2.讓掌握科學(xué)的探究過程循序漸進(jìn)、摸索前行。

(改進(jìn)方案，如圖2-1、圖2-2)

實(shí)驗(yàn)1：電流產(chǎn)生的熱量與電阻的關(guān)系

圖2-1

實(shí)驗(yàn)1：電流產(chǎn)生的熱量與電流的關(guān)系

圖2-2

(1)實(shí)驗(yàn)器材：12V電源(后改為24V電源)、5Ω(1個)、10Ω 電熱絲(3個)，熱傳感器、5.5寸LED數(shù)字顯示屏

(2)實(shí)驗(yàn)原理：通過電熱絲加熱盒子里的空氣，利用熱傳感器靈敏地反映溫度的變化顯示在LED屏上，直接反映出溫度的定量變化。

①連接串聯(lián)電路，比較10Ω 和5Ω 的盒子中，10Ω 一側(cè)熱傳感器接收熱量較多，顯示屏反映的溫度變化快，實(shí)驗(yàn)表明串聯(lián)電路中同等時間下電阻越大，電流產(chǎn)生的熱量越多。

②連接并聯(lián)電路，左側(cè)5Ω 盒子中通過的干路電流比右側(cè)5Ω盒子中支路的電流大，熱傳感器接收熱量較多，顯示屏反映的溫度變化快，實(shí)驗(yàn)表明同等電阻時，電路的電流越大，電流產(chǎn)生的熱量越多。

(3)探究過程：經(jīng)過改進(jìn)的器材學(xué)生驚奇地發(fā)現(xiàn)：實(shí)驗(yàn)失敗了，結(jié)果非但沒有提高效率，加熱時間還長了，溫度變化也不明顯，學(xué)生很是失望。經(jīng)歷了之前的小組合作鍛煉，學(xué)生調(diào)整了思路，暢所欲言，迅速地提出幾種疑問和可能：

①加熱時間比傳統(tǒng)方案更慢，是否加熱電熱絲的電阻不夠大？

②是否電源的電壓不夠，考慮到電路的串聯(lián)分壓問題，可能造成發(fā)熱不夠？

③是否空氣盒子的密閉性不夠，或是空氣的量太多，造成加熱時間過長？

經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)證明，5Ω 或10Ω 電熱絲的發(fā)熱量足夠提供加熱盒子的空氣容量，盒子的密閉性也經(jīng)過了嚴(yán)格的考驗(yàn)，歸根到底是實(shí)驗(yàn)中電源的電壓不夠，而初中的物理室中并沒有24V的學(xué)生電源，最后由教師借用了高中的24V學(xué)生電源，順利地克服了之前的困難。

(4)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)：改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)效果相當(dāng)明顯：實(shí)驗(yàn)器材的安裝簡便了，實(shí)驗(yàn)時間由傳統(tǒng)的12分鐘左右大大縮短為3分鐘左右，溫度的示數(shù)變化也更直觀和科學(xué)，連后排的學(xué)生也可以直接觀測到了，課室里再也沒有難聞的煤油氣味了。學(xué)生在克服困難之余終于感受到成功的喜悅。

四、培養(yǎng)不斷完善和改進(jìn)的嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)態(tài)度和責(zé)任感

在科學(xué)實(shí)驗(yàn)探究活動中，教師自身要樹立一種科學(xué)靈活的評價(jià)意識，努力挖掘?qū)W生在活動中所迸發(fā)出來的科學(xué)思想，保護(hù)學(xué)生的發(fā)散思維能力及創(chuàng)新能力，促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展。實(shí)驗(yàn)改進(jìn)走到這步，經(jīng)歷了大半個月的工作，學(xué)生變單純的聽、看、模仿為積極參與、主動思考和認(rèn)真分析研究，全面地深入了此項(xiàng)活動。

指導(dǎo)教師打破傳統(tǒng)，建立科學(xué)的評價(jià)體系，大力地表揚(yáng)評價(jià)了學(xué)生的勞動成果，指出實(shí)驗(yàn)的不足之處，引導(dǎo)學(xué)生在喜悅之余，提出該實(shí)驗(yàn)器材今后的發(fā)展前景。

1.現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)器材，只能單次研究電熱與電流、電阻、時間的單個因素的關(guān)系，未來可以在同時展示三個因素方面加以探究。

2.實(shí)驗(yàn)步驟一完成以后，盒子里的空氣溫度降回原來的溫度時間還是太長，可以在提高實(shí)驗(yàn)器材的密封閥的靈活性上多下功夫，可以讓密閉盒子能自由地打開散熱。

3.初中實(shí)驗(yàn)室中沒有專用的24V電源，學(xué)生開始提出下一步可以自制24V的初中學(xué)生電源。

本文以一個焦耳定律的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)為例，闡述了基于學(xué)科核心素養(yǎng)下的物理實(shí)驗(yàn)器材創(chuàng)新改進(jìn)。總結(jié)上述過程我們發(fā)現(xiàn)，在培養(yǎng)中學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)時，要體現(xiàn)科學(xué)素養(yǎng)的內(nèi)涵要求，因地制宜、因材施教，充分發(fā)揮教師的引導(dǎo)作用，以促進(jìn)每位學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的提高與結(jié)構(gòu)的建立。讓學(xué)生了解和掌握物理學(xué)的研究方法，培養(yǎng)其嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)上有著重要的作用。