實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度生成

江蘇省無(wú)錫市劉潭實(shí)驗(yàn)學(xué)校(214046) 宋懷甫

科學(xué)探究是學(xué)習(xí)物理的重要環(huán)節(jié)，科學(xué)探究主要包含7個(gè)步驟：提出問(wèn)題、猜想與假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與制定計(jì)劃、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與收集證據(jù)、分析與論證、評(píng)估、交流與合作。實(shí)驗(yàn)是科學(xué)探究的核心，通過(guò)實(shí)驗(yàn)不僅能幫助學(xué)生建立物理觀念，尋找并歸納物理規(guī)律，還可以促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維的形成，做好實(shí)驗(yàn)至關(guān)重要。課堂教學(xué)中教師應(yīng)充分利用實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)中的操作、現(xiàn)象、數(shù)據(jù)和困惑生成實(shí)驗(yàn)的深度學(xué)習(xí)，讓課堂教學(xué)走向深入，深度開(kāi)發(fā)學(xué)生的科學(xué)思維。

1 根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象深度生成

物理實(shí)驗(yàn)就是在教師的啟發(fā)、指導(dǎo)下進(jìn)行有目的、有步驟地操作活動(dòng)。如果只能利用直觀的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象解決簡(jiǎn)單的問(wèn)題，這樣的課堂是膚淺的課堂。如果能充分挖掘?qū)嶒?yàn)現(xiàn)象，透過(guò)現(xiàn)象看本質(zhì)，這樣的課堂是深度課堂。

案例一：比較紙錐下落的快慢

(1)如圖1所示，剪2個(gè)大小一致的圓紙片，制成2個(gè)錐角不同的紙錐(扇形的圓心角不要剪掉)。將2個(gè)紙錐從同一高度同時(shí)靜止釋放，哪一個(gè)紙錐下落的快？你是怎樣比較紙錐運(yùn)動(dòng)快慢的？

(2)有沒(méi)有其他比較物體運(yùn)動(dòng)快慢的方法？

(3)如果將2個(gè)紙錐從不同的高度同時(shí)釋放，怎樣比較它們運(yùn)動(dòng)的快慢？

如果按照教材的編排進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，第(1)個(gè)問(wèn)題學(xué)生憑借一己之力還能勉強(qiáng)解決，第(2)個(gè)問(wèn)題就無(wú)法解決了。為了根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象促成深度生成，實(shí)驗(yàn)前不僅要提醒學(xué)生認(rèn)真觀察紙錐的下落過(guò)程，還要把紙錐下落的過(guò)程和落地的先后進(jìn)行截屏，如圖2所示和圖3所示。采用問(wèn)題串的形式深入淺出，降低學(xué)生學(xué)習(xí)的難度，促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)。

師：根據(jù)圖2，你能判斷哪個(gè)紙錐下落得快？你判斷的依據(jù)是什么？你是采用什么方法比較紙錐運(yùn)動(dòng)快慢的？

生：小紙錐下落較快，因?yàn)橄嗤瑫r(shí)間內(nèi)小紙錐通過(guò)的路程長(zhǎng)。這種比較物體運(yùn)動(dòng)快慢的方法可以稱為“相同時(shí)間比路程”。

師：根據(jù)圖3，你發(fā)現(xiàn)哪個(gè)紙錐先落地？你能判斷哪個(gè)紙錐下落得快？你判斷的依據(jù)是什么？你是采用什么方法比較紙錐運(yùn)動(dòng)快慢的？

生：小紙錐先落地，小紙錐下落得快，通過(guò)相同的路程，小紙錐運(yùn)動(dòng)時(shí)間較短。這種比較物體運(yùn)動(dòng)快慢的方法可以稱為“相同路程比時(shí)間”。

師：把較高處的小紙錐和較低處的大紙錐靜止釋放，怎樣比較紙錐運(yùn)動(dòng)的快慢？

生：可以分別測(cè)量出紙錐下落的高度和時(shí)間，分別計(jì)算出小紙錐和大紙錐在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)的路程，比較單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)的路程可以比較紙錐運(yùn)動(dòng)的快慢。

師：物體在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)的路程叫速度，比較速度可以比較物體運(yùn)動(dòng)的快慢，速度可用來(lái)表示物體運(yùn)動(dòng)得快慢。

通過(guò)紙錐下落的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，學(xué)生學(xué)習(xí)了比較物體運(yùn)動(dòng)快慢的方法，教師引入了速度這個(gè)物理量，可見(jiàn)用好實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以促進(jìn)深度生成。

2 根據(jù)實(shí)驗(yàn)操作深度生成

沒(méi)有精準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)操作，有時(shí)甚至不可能完成實(shí)驗(yàn)。現(xiàn)在的考試也重視了實(shí)驗(yàn)過(guò)程的考查，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中要重視實(shí)驗(yàn)操作，更要重視實(shí)驗(yàn)操作的深度生成。

案例二：探究平面鏡成像的特點(diǎn)

師：如圖4甲所示，利用茶色薄玻璃板、2只相同的蠟燭、白紙、刻度尺、鉛筆，探究平面鏡成像的特點(diǎn)。點(diǎn)燃蠟燭A，眼睛在A一側(cè)觀察蠟燭A的像在哪里？怎樣確定蠟燭A的像的位置？請(qǐng)同學(xué)們進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

生：蠟燭A的像在玻璃板的后方，手拿蠟燭B在玻璃板后的水平桌面上移動(dòng)，直到蠟燭B與蠟燭A的像重合，這樣蠟燭B就可以代替蠟燭A的像。

師：如圖4乙所示，玻璃板傾斜放在桌面上，觀察蠟燭A的像在哪里？手拿蠟燭B在玻璃板后的水平桌面上移動(dòng)，蠟燭B還能與蠟燭A的像重合嗎？

生：實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，玻璃板傾斜放在桌面上，蠟燭A的像在玻璃板后水平桌面的斜上方，在水平桌面上無(wú)論怎樣移動(dòng)蠟燭B，都不能與蠟燭A的像完全重合。

師：探究平面鏡成像特點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)，薄玻璃板應(yīng)該怎樣放置？

生：薄玻璃板要垂直于桌面放置。

在復(fù)習(xí)鞏固環(huán)節(jié)，教師可以請(qǐng)2個(gè)學(xué)生在黑板上分別畫(huà)出圖5甲、乙、丙中物體AB通過(guò)平面鏡所成的像。

師：根據(jù)甲、乙、丙3張圖，探究平面鏡成像特點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)中，薄玻璃板和蠟燭A要怎么放置？

生：玻璃板和蠟燭A都要垂直于桌面放置，這樣手拿蠟燭B在玻璃板后的水平桌面上移動(dòng)，蠟燭B才能與蠟燭A的像完全重合。

通過(guò)這樣的深度學(xué)習(xí)，學(xué)生感悟出探究平面鏡成像特點(diǎn)時(shí)要想確定像的位置，玻璃板和蠟燭都必須垂直于桌面放置。

3 根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)深度生成

實(shí)驗(yàn)教學(xué)中為了深度生成，教師有時(shí)要預(yù)設(shè)陷阱，先讓學(xué)生陷進(jìn)去，然后再想辦法讓學(xué)生走出來(lái)。學(xué)生根據(jù)設(shè)計(jì)好的實(shí)驗(yàn)，有步驟的認(rèn)真做完了實(shí)驗(yàn)，教師要重視實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的收集?？梢宰寣W(xué)生分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，歸納結(jié)論，還可以利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度教學(xué)。

案例三：復(fù)習(xí)“探究電流與電阻的關(guān)系”

課前準(zhǔn)備了下列實(shí)驗(yàn)器材：干電池2節(jié)，滑動(dòng)變阻器(20 Ω，1 A)、電流表、電壓表、開(kāi)關(guān)各1個(gè)，導(dǎo)線若干，5 Ω、10 Ω、20 Ω的定值電阻。

實(shí)驗(yàn)前設(shè)計(jì)了電路圖，如圖6所示，實(shí)驗(yàn)步驟如下：

(1)根據(jù)電路圖連接好電路；

(2)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，測(cè)量出5 Ω的電阻兩端的電壓和通過(guò)它的電流，并填入表格；

(3)分別換用10 Ω和20 Ω的電阻重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)。

學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，教師精心收集證據(jù)。第一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 第一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

師：分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，你能得出什么結(jié)論？

學(xué)生甲：電壓一定時(shí)，電流與電阻成反比。

學(xué)生乙：電壓一定時(shí)，電阻與電流成反比。

師：電阻與哪些因素有關(guān)？電阻與什么無(wú)關(guān)？

生：電阻與導(dǎo)體的材料、長(zhǎng)度、橫截面積和溫度有關(guān)。電阻與電壓和電流無(wú)關(guān)。

師：既然電阻與電流無(wú)關(guān)，能說(shuō)電阻與電流成反比嗎？電流與電阻的關(guān)系應(yīng)該怎樣表述？

生：不能說(shuō)電阻與電流成反比，應(yīng)該說(shuō)電壓一定時(shí)，電流與電阻成反比。

第二組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 第二組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

師：該同學(xué)在實(shí)驗(yàn)中控制電阻兩端的電壓為1.0 V，他測(cè)量了2組數(shù)據(jù)，第3組數(shù)據(jù)為什么沒(méi)有測(cè)量出來(lái)呢？

生：把20 Ω的電阻接入電路，無(wú)論怎樣調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，電阻兩端的電壓都不能調(diào)節(jié)到1.0 V。

師：看來(lái)探究電流與電阻的關(guān)系時(shí)，電阻兩端的預(yù)設(shè)電壓不能隨意設(shè)定。把5 Ω的電阻接入電路，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器的滑片，使電壓表示數(shù)為1 V；取下5 Ω的電阻，把10 Ω的電阻接入電路，閉合開(kāi)關(guān)，滑片P怎樣移？

生：每次更換較大的電阻后，滑動(dòng)變阻器的滑片P都要向阻值增大的方向移動(dòng)。

師：把20 Ω的電阻接入電路，滑片P怎樣移？滑片P移到阻值最大處，電壓還是大于預(yù)設(shè)電壓，你的預(yù)設(shè)電壓最小只能是多少？

生：把20 Ω的電阻接入電路，滑片P移到阻值最大處，此時(shí)電阻兩端的電壓就是最小預(yù)設(shè)電壓。

師：電阻兩端的預(yù)設(shè)電壓最大是多少？

生：根據(jù)串聯(lián)分壓，電阻兩端的電壓最大，滑動(dòng)變阻器兩端的電壓最小?；瑒?dòng)變阻器接入電路的電阻為0 Ω時(shí)，電阻兩端的電壓最大，等于電源電壓。

師：2節(jié)干電池串聯(lián)，電源電壓是3 V。如果分別把5 Ω、10 Ω和20 Ω的電阻接到電源上，電阻兩端的電壓都是3 V嗎？請(qǐng)同學(xué)們根據(jù)電路圖7進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，收集到的一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

師：分析表格中的電壓與電阻的關(guān)系，你能得到什么結(jié)論？

生：外電路電阻兩端的電壓隨電阻的增大而增大。

師：探究電流與電阻的關(guān)系時(shí)，要確保3個(gè)電阻都能在預(yù)設(shè)電壓下完成實(shí)驗(yàn)，把哪個(gè)電阻接入電路，預(yù)設(shè)電壓最大？

生：把5 Ω的電阻接入電路，滑動(dòng)變阻器接入電路的電阻最小，此時(shí)5 Ω的電阻兩端的電壓就是最大預(yù)設(shè)電壓。

師：探究電流與電阻的關(guān)系時(shí)，要確保3個(gè)電阻都能在預(yù)設(shè)電壓下完成實(shí)驗(yàn)，把哪個(gè)電阻接入電路，預(yù)設(shè)電壓最?。?/p>

生：要確保3個(gè)電阻都能在預(yù)設(shè)電壓下完成實(shí)驗(yàn)，把20 Ω的電阻接入電路，滑動(dòng)變阻器的滑片移到阻值最大處，此時(shí)20 Ω的電阻所分的電壓就是最小電壓。此時(shí)外電路的總電阻為40 Ω，根據(jù)外電路電阻兩端的電壓隨電阻的增大而增大，可知40 Ω的電阻所分的電壓大于2.6 V。所以，電阻兩端的預(yù)設(shè)電壓的最小值Umin。

電阻兩端的預(yù)設(shè)電壓U的范圍為：1.3 V

在復(fù)習(xí)“探究電流與電阻的關(guān)系”時(shí)，根據(jù)學(xué)生測(cè)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)深度學(xué)習(xí)，深刻理解了電流與電阻的關(guān)系，電源電壓隨外電路電阻的增大而增大，電阻兩端的預(yù)設(shè)電壓有一定的范圍。

4 根據(jù)實(shí)驗(yàn)中的困惑深度生成

盡管在實(shí)驗(yàn)前，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，甚至教師可能用PPT展示實(shí)驗(yàn)步驟，但是學(xué)生在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中還可能會(huì)遇到好多意想不到的事情。有的困難經(jīng)過(guò)教師的點(diǎn)撥，學(xué)生自己能迎刃而解；有的困難，即使教師進(jìn)行了指導(dǎo)，學(xué)生可能還是很難解決。對(duì)于學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中遇到的困惑，教師不應(yīng)該回避，可以在交流環(huán)節(jié)進(jìn)行探討，幫助學(xué)生深入思考，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)的深度生成。

案例四：測(cè)量小燈泡的功率

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簻y(cè)量小燈泡的額定功率和實(shí)際功率

實(shí)驗(yàn)與記錄如下：

(1)按照?qǐng)D8(a)連接電路；

(2)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，使其接入電路中的電阻最大；

(3)閉合開(kāi)關(guān)，移動(dòng)劃片，分別使電壓表的示數(shù)小于、等于和略大于小燈泡的額定電壓，觀察小燈泡的亮度，讀出電壓表、電流表的示數(shù)并填入表4。

表4 數(shù)據(jù)記錄

教材上給出了實(shí)驗(yàn)操作步驟，學(xué)生只要按照實(shí)驗(yàn)步驟完成實(shí)驗(yàn)即可。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，為了培養(yǎng)學(xué)生解決電路故障的技能，教師也可以在實(shí)驗(yàn)前給實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?qiáng)的學(xué)生增加難度，把燈泡旋起來(lái)一點(diǎn)，使燈泡與燈座接觸不良。在實(shí)驗(yàn)的交流環(huán)節(jié)，可以來(lái)解決實(shí)驗(yàn)過(guò)程中學(xué)生遇到的電路故障問(wèn)題。

師：測(cè)量燈泡電功率的實(shí)驗(yàn)中，你們遇到了什么問(wèn)題？

生：我們電路連接正確，但是閉合開(kāi)關(guān)后，燈泡不亮，電流表無(wú)示數(shù)，電壓表有示數(shù)且等于電源電壓。

師：請(qǐng)你根據(jù)圖9分析一下電路故障的原因：先取下電壓表，閉合開(kāi)關(guān)，燈泡不亮，電流表無(wú)示數(shù)，電路故障可能是什么？

生：可能是電路斷路。

師：哪里斷路呢？根據(jù)電壓表有示數(shù)，可以判斷電壓表所在電路是通路。教師用紅筆畫(huà)出電壓表所在電路，如圖10所示。電壓表除外，原電路哪里斷路？

生：可判斷出燈泡斷路。

生：實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)燈泡兩端的電壓是0.5 V時(shí)，燈泡不亮。

師：燈泡的亮度由什么決定？當(dāng)燈泡兩端的電壓是0.5 V時(shí)，燈泡的實(shí)際功率多大？

生：燈泡的亮度由燈泡的實(shí)際功率決定，當(dāng)燈泡兩端的電壓是0.5 V時(shí)，燈泡的電流是0.16 A，燈泡的實(shí)際功率是0.08 W。燈泡的實(shí)際功率太小，燈泡也不亮。

在探究實(shí)驗(yàn)的交流環(huán)節(jié)，解決學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程中遇到的困惑，讓學(xué)生掌握電路故障的分析技巧，明白燈泡不亮的原因，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度生成。