中學(xué)物理探究式實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

陳耀 桑芝芳

摘 ? 要：新課程注重對(duì)學(xué)生科學(xué)探究能力的培養(yǎng)，因此讓學(xué)生自己思考與探究物理實(shí)驗(yàn)具有十分重要的意義。文章以手摸發(fā)電儀器為例，設(shè)計(jì)探究性實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生從儀器原理、影響因素兩個(gè)方面對(duì)手摸發(fā)電儀器進(jìn)行深入探究和思考。

關(guān)鍵詞：探究性實(shí)驗(yàn);手摸發(fā)電機(jī);儀器原理;影響因素

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?文章編號(hào)：1003-6148（2020）5-0049-3

探究式實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，就是教師提前做好框架設(shè)計(jì)，讓學(xué)生通過(guò)自己設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn)掌握結(jié)論猜想，以問(wèn)題為導(dǎo)向，采取小組合作交流的教學(xué)形式，是探究式實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要形式[1]。能夠讓學(xué)生在整個(gè)探究式的學(xué)習(xí)過(guò)程中發(fā)揮他們的主體作用，很好地貫徹新課標(biāo)的教學(xué)理念：以學(xué)生為中心，充分發(fā)揮他們?cè)趯W(xué)習(xí)中的主體作用[2]。

手摸發(fā)電儀器是一種科學(xué)演示儀器，主要用在展現(xiàn)科學(xué)奧秘，傳遞科學(xué)魅力，激發(fā)孩子興趣的科普宣傳展覽上。這個(gè)儀器操作步驟十分簡(jiǎn)單，將雙手按壓在兩個(gè)不同顏色的金屬板上，就會(huì)發(fā)現(xiàn)電流計(jì)的指針發(fā)生了明顯的偏轉(zhuǎn)，是一個(gè)操作簡(jiǎn)單、現(xiàn)象清楚、安全性高的科普儀器。手摸發(fā)電儀器演示人體導(dǎo)電和生物電流現(xiàn)象，含兩對(duì)銅鋁電極。這是儀器標(biāo)簽上的簡(jiǎn)單介紹。雖然這個(gè)儀器操作簡(jiǎn)單，現(xiàn)象也非常清楚，但其中還是有不少問(wèn)題值得深入探究。因此，筆者認(rèn)為可以以手摸發(fā)電儀器為中心，引導(dǎo)學(xué)生針對(duì)儀器的原理、影響因素自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。這符合新課標(biāo)培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的要求，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維和科學(xué)探究能力具有重要意義。

1 ? ?儀器原理的探究

首先讓學(xué)生自己先接觸儀器（如圖1），閱讀儀器的介紹說(shuō)明，用學(xué)生自己的方式、方法認(rèn)識(shí)這個(gè)儀器。在學(xué)生對(duì)儀器有一個(gè)大概的了解后，提出問(wèn)題：使電流表指針偏轉(zhuǎn)的電流是怎么產(chǎn)生的？教師在黑板上畫(huà)出表格，統(tǒng)計(jì)不同猜想學(xué)生的人數(shù)（見(jiàn)表1）。在此基礎(chǔ)上，將學(xué)生按不同觀點(diǎn)分成兩個(gè)不同的“陣營(yíng)”，各自設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證自己的猜想，并將實(shí)驗(yàn)思路和現(xiàn)象記錄在表格中。

通過(guò)兩個(gè)“陣營(yíng)”設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)以及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析，學(xué)生可以得出結(jié)論：手掌與金屬板接觸產(chǎn)生了電流。

通過(guò)教師的引導(dǎo)，學(xué)生通過(guò)自己設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)確定了是手掌與銅鋁金屬板接觸產(chǎn)生了電流，到這里還可以繼續(xù)深入探究一下“手掌上的什么物質(zhì)與銅鋁極板發(fā)生反應(yīng)”。教師向?qū)W生提出問(wèn)題：手掌上有什么物質(zhì)與極板反應(yīng)而產(chǎn)生電流呢？并在黑板上統(tǒng)計(jì)學(xué)生的猜想，并列出表格統(tǒng)計(jì)（見(jiàn)表2）。

按照上述猜想，將學(xué)生分成3個(gè)小組，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究自己支持的猜想。

（1）猜想一：手掌上的水與銅鋁極板發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生電流。

實(shí)驗(yàn)器材：手摸發(fā)電儀器，蒸餾水，導(dǎo)線，塑料手套。

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)：學(xué)生在兩極板滴上蒸餾水，用導(dǎo)線連接兩金屬板，觀察3分鐘內(nèi)電表指針的偏轉(zhuǎn)情況。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：3分鐘內(nèi)電表指針不偏轉(zhuǎn)。

（2）猜想二：手掌上分泌汗液含有的鹽分與銅鋁極板反應(yīng)產(chǎn)生電流。

實(shí)驗(yàn)器材：手摸發(fā)電儀器，食用鹽（細(xì)鹽），導(dǎo)線。

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)：在銅鋁極板上分別撒上食用鹽，并將鹽粒平鋪開(kāi)來(lái)，使鹽粒和金屬板接觸面積盡量大一些，并用導(dǎo)線將兩金屬板連接，因?yàn)辂}粒是固體，固體反應(yīng)可能比較緩慢，因此觀察3～6分鐘內(nèi)電表指針的偏轉(zhuǎn)情況。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：3～6分鐘內(nèi)電表指針一直沒(méi)有偏轉(zhuǎn)。

（3）猜想三：鹽水與銅鋁極板發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生電流。

實(shí)驗(yàn)器材：手摸發(fā)電儀器，生理鹽水，膠頭滴管，導(dǎo)線。

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)：取一杯生理鹽水，稀釋一下，用膠頭滴管吸取稀釋后的鹽水，分別在銅鋁極板上各滴數(shù)滴，用導(dǎo)線將兩金屬極板連接，觀察3分鐘內(nèi)電表指針的偏轉(zhuǎn)情況。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：電表指針有偏轉(zhuǎn)，但是偏轉(zhuǎn)角度小于手掌直接按壓在金屬極板上的偏轉(zhuǎn)角度。

經(jīng)過(guò)學(xué)生驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的對(duì)比，學(xué)生自己得出了結(jié)論：手掌上的汗液與銅鋁金屬極板發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生電流。但是，學(xué)生并不能理解這個(gè)“反應(yīng)”的實(shí)質(zhì)，這涉及高中化學(xué)的知識(shí)，教師可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)查閱相關(guān)知識(shí)，給學(xué)生簡(jiǎn)單講述內(nèi)在原理：人手掌上有汗液，其成分與生理鹽水一致，是一種電解質(zhì)，里面含有許多正負(fù)離子（鈉離子和氯離子為主）。同時(shí)，鋁板比銅板活潑，與汗液中的負(fù)離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使鋁板表面聚集了大量電子，用導(dǎo)線將兩金屬極板連接，鋁板表面的電子通過(guò)電流計(jì)向銅板移動(dòng)，電子的定向移動(dòng)產(chǎn)生電流，所以電流表指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

2 ? ?影響現(xiàn)象的因素探究

通過(guò)上面學(xué)生自己設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn)，學(xué)生已經(jīng)明白了手摸發(fā)電儀器的原理，接下來(lái)教師將會(huì)繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生深入探究手摸發(fā)電儀器的“奧秘”——探究影響電流表指針偏轉(zhuǎn)角度的因素。

在以小組為單位自主認(rèn)知儀器的過(guò)程中，學(xué)生必然發(fā)現(xiàn)指針偏轉(zhuǎn)的變化。教師在黑板上畫(huà)出表格，學(xué)生先憑借之前對(duì)儀器的探究提出自己的猜想（見(jiàn)表3）。

按照上述猜想，將學(xué)生分成3個(gè)小組，分別研究3個(gè)因素的影響。

（1）猜想一：手掌與金屬板的接觸面積。

實(shí)驗(yàn)器材：手摸發(fā)電儀器。

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)：同一個(gè)學(xué)生，分別以手掌全部按壓在金屬板上、手心按壓在金屬板上和手指按壓在金屬板上，觀察這3種情況下指針的偏轉(zhuǎn)情況，記錄電表讀數(shù)，換幾個(gè)學(xué)生進(jìn)行相同的實(shí)驗(yàn)，記錄讀數(shù)（見(jiàn)表4）。

得出結(jié)論：手掌與金屬板接觸面積越大，指針偏轉(zhuǎn)角度越大;接觸面積越小，指針偏轉(zhuǎn)角度越小。

（2）猜想二：手掌的潮濕程度。

實(shí)驗(yàn)器材：手摸發(fā)電儀器，蒸餾水。

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)：同一個(gè)學(xué)生，分別以正常狀態(tài)下的手掌與手心蘸水的手掌按壓在金屬板上，觀察指針的偏轉(zhuǎn)角度，記錄數(shù)據(jù)。換幾個(gè)學(xué)生，重復(fù)上述操作，記錄數(shù)據(jù)（見(jiàn)表5）。

得出結(jié)論：手掌潮濕時(shí)的讀數(shù)大于手掌干燥時(shí)的讀數(shù)。

（3）猜想三：手掌所帶電荷的多少。

實(shí)驗(yàn)器材：手摸發(fā)電儀器。

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)：同一名學(xué)生，先將手掌完全按壓在金屬板上，讀出示數(shù);將手掌與頭發(fā)摩擦，再完全按壓在金屬板上，讀出示數(shù)。換幾個(gè)學(xué)生重復(fù)上述操作，記錄數(shù)據(jù)（見(jiàn)表6）。

得出結(jié)論：摩擦后的指針偏轉(zhuǎn)比摩擦前偏轉(zhuǎn)大。

3個(gè)小組在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)都運(yùn)用了控制變量的方法，多次測(cè)量減小偶然誤差，基本驗(yàn)證了猜想。綜合3個(gè)小組的結(jié)論，手掌與金屬板的接觸面積、手掌的潮濕程度以及手掌所帶電荷都會(huì)對(duì)指針偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生影響，且都是正相關(guān)。

手摸發(fā)電機(jī)是科普展覽上很常見(jiàn)的一個(gè)小儀器。在科普展覽上，學(xué)生見(jiàn)得到、摸得到，但是缺少有目的、有引導(dǎo)的思考。通過(guò)這樣的課外實(shí)驗(yàn)，在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生大膽猜想，合作探究，運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并驗(yàn)證猜想。雖然這樣的實(shí)驗(yàn)課堂涉及的知識(shí)不僅僅是物理學(xué)科，還有化學(xué)學(xué)科的知識(shí)，但是也具有跨學(xué)科教學(xué)的探究意義。在幫助學(xué)生鞏固所學(xué)的物理知識(shí)，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維外，還對(duì)幫助學(xué)生構(gòu)建一個(gè)完整的科學(xué)觀，彌補(bǔ)分科教學(xué)的弊端進(jìn)行了有意義的探究。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫子彪.新課程標(biāo)準(zhǔn)下高中物理探究式實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究初探[J].學(xué)周刊，2018（16）：40-41.

[2]喬秀宏.新課程標(biāo)準(zhǔn)下高中物理探究式實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究[J].課程教育研究，2019（36）：49-50.

（欄目編輯 ? ?王柏廬）