指向探究能力提升的初中物理“微實驗課堂”的創(chuàng)設(shè)

朱文蓮

摘 要：物理微實驗在提升學(xué)生科學(xué)探究能力方面具有獨特的教學(xué)價值。創(chuàng)設(shè)初中物理“微實驗課堂”，要根據(jù)不同課型的教學(xué)特點，研究微實驗的教學(xué)應(yīng)用時機、教學(xué)應(yīng)用策略。以“杠桿”新授課為例，闡述創(chuàng)設(shè)初中物理“微實驗課堂”的策略。即借助微實驗導(dǎo)入新課，激發(fā)學(xué)生探究欲望;借助微實驗突破教學(xué)重難點，培養(yǎng)學(xué)生探究思維;借助微實驗實現(xiàn)學(xué)以致用，提升學(xué)生探究能力。

關(guān)鍵詞：微實驗課堂;創(chuàng)設(shè)策略;探究能力

物理微實驗在提升學(xué)生科學(xué)探究能力方面具有獨特的教學(xué)價值。為此，教師根據(jù)新授課、復(fù)習(xí)課、習(xí)題課、講評課等不同課型的教學(xué)特點，充分利用身邊廢舊的生活物品設(shè)計一些小微實驗，并研究其教學(xué)應(yīng)用時機、教學(xué)應(yīng)用策略，具有十分重要的現(xiàn)實意義。下面，以“杠桿”新授課為例，就如何創(chuàng)設(shè)初中物理“微實驗課堂”進行探討，希望對各位同行有所啟發(fā)。

一、借助微實驗導(dǎo)入新課，激發(fā)學(xué)生探究欲望

杠桿是生活中常見的簡單機械，學(xué)生每天都會接觸。筷子、夾子、剪刀，包括人身體上的手臂、腳踝等，這些都是杠桿。在講授“杠桿”這一概念時，教師以往的教學(xué)方式往往是先給出概念—— 一根在力的作用下繞著固定點轉(zhuǎn)動的硬棒，然后再讓學(xué)生舉出生活中常見的杠桿有哪些。這種方式下，一個枯燥的概念就先入為主了。這種教學(xué)方式味同嚼蠟。在杠桿概念的講授中，教師應(yīng)放手讓學(xué)生利用經(jīng)常用到的剪刀、夾子、鉗子等，讓學(xué)生動手使用這些器材并觀察思考它們在不同狀態(tài)時的共同點，引導(dǎo)學(xué)生提煉這些隨手可見的裝置的共性，并指出具有這種共性的物體就稱作杠桿。通過這些簡單易操作的微實驗可以真正幫助學(xué)生在大腦中自然生成物理概念。

例如，可以用剪刀、夾子、鉗子設(shè)計生活中的杠桿：（1）學(xué)生用剪刀剪廢舊紙板，觀察剪刀的狀態(tài)。（2）學(xué)生拿出不同狀態(tài)的夾子，觀察夾子打開和夾上物品時的狀態(tài)。（3）學(xué)生觀察用鉗子撬起圖釘?shù)臓顟B(tài)。學(xué)生在做的過程中，教師追問以上器材在使用過程中的共同點。

這些實驗分組做或者自行完成都可以，教師引導(dǎo)學(xué)生歸納其工作時的共同特點，從而引出杠桿的定義—— 一根在力的作用下繞一固定點轉(zhuǎn)動的硬棒叫作杠桿。同時，通過觀察各種類型的杠桿，學(xué)生不難發(fā)現(xiàn)，杠桿可以是直的，也可以是彎曲的，形狀各異。微實驗的演示，不僅自然地引出了新課，在學(xué)生頭腦中建構(gòu)了杠桿的物理概念，同時大大激發(fā)了學(xué)生探究杠桿相關(guān)知識的欲望。

二、借助微實驗突破教學(xué)重難點，培養(yǎng)學(xué)生探究思維

依據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)和教材分析，畫力臂是本節(jié)課的教學(xué)重點。為了讓學(xué)生在大腦中形象直觀地建構(gòu)力臂這一概念，突破本節(jié)課教學(xué)的重難點內(nèi)容，教師可利用廢舊的白色的紙板、杠桿尺、支架、鉤碼、彈簧測力計、剪刀、紅色金屬絲等創(chuàng)設(shè)微實驗，把抽象的力臂變?yōu)榭芍庇^呈現(xiàn)的實物，從而變抽象為直觀。

例如，直接在杠桿尺上呈現(xiàn)力臂（探究當(dāng)力垂直作用在杠桿上時的力臂）。實驗器材為杠桿尺、鉤碼、彈簧測力計。教師首先組裝好一個簡易的杠桿，并調(diào)節(jié)杠桿使其在水平位置平衡，兩側(cè)的力與杠桿垂直時，教師讓學(xué)生分析力臂，學(xué)生能比較容易判斷出力臂就在杠桿上，指出哪一段是力臂。這種方式不僅能讓學(xué)生直觀地在杠桿尺上找到力臂，同時也為后面探究杠桿平衡條件做了鋪墊。

又如，利用紙板和金屬絲呈現(xiàn)力臂（探究當(dāng)力不垂直作用在杠桿上時的力臂）。實驗器材為杠桿尺、支架、鉤碼、彈簧測力計、廢舊紙板、紅色金屬絲。

（1）在杠桿左端懸掛兩個鉤碼，另一端在合適的位置利用彈簧測力計豎直向下拉動杠桿，使杠桿在水平位置平衡，此時動力臂為圓的半徑。（2）改變彈簧測力計的拉動方向，使紅色金屬絲與彈簧測力計秤鉤在同一直線，紅色金屬絲可以直觀地表示出力的作用線。調(diào)整拉力方向，使與秤鉤同一直線的金屬絲B與圓盤上的金屬絲A垂直。此時，金屬絲B所在直線為力的作用線，金屬絲A經(jīng)過支點且垂直于力的作用線為動力臂（仍然為圓的半徑）。大家都知道圓的半徑相同，使力的方向和圓盤相切，這時圓的半徑就是力臂。利用紅色金屬絲表示出力的作用線和力臂，學(xué)生可以直觀看到作用線的方向和力臂的長短。教師不斷地改變力的方向但始終和圓盤相切，力臂始終是圓盤的半徑長。通過多次的直觀展示，讓學(xué)生深刻理解力臂的概念，學(xué)生就能夠在頭腦中清晰地想象出力的作用線并判斷出力臂。

再如，利用齒輪圓盤和卡紙呈現(xiàn)力臂（探究當(dāng)力不垂直作用在杠桿上時的力臂）。學(xué)生在實驗的過程中發(fā)現(xiàn)金屬絲太細(xì)不方便觀察，如果用粗的金屬絲又發(fā)現(xiàn)力的作用線和力臂（圓的半徑）不能垂直，沒法直觀地呈現(xiàn)出力臂和力的作用線的關(guān)系。于是進行改進，把圓盤做成齒輪形狀，支點在齒輪的圓心，力的方向和齒輪相切，力臂是半徑長。為了更加直觀地觀察力臂，用一個紅色的卡紙剪成箭頭形狀，一端固定在圓盤齒輪的圓心上，另一端指向力的作用線，直觀簡易的力臂就體現(xiàn)出來了。在此實驗中，學(xué)生在力臂的判斷過程中，存在的主要問題是不能很好地理解力臂的定義——支點到力的作用線的距離，因為力的作用線和力臂都是一個抽象的概念，不是一個具體的實物呈現(xiàn)。學(xué)生很容易將力的作用線理解成力的作用點，判斷的時候就只考慮支點到力的作用點的距離。即使能判斷出力的作用線，但部分學(xué)生在畫力臂時常常會沿水平或者豎直方向去判斷距離畫出力臂。基于以上學(xué)情，本實驗設(shè)計的重點在于：利用紅色金屬絲，形象直觀地描述出力的作用線;借助廢舊圓盤與金屬絲的組合，使力臂具體化為圓盤的半徑。通過直觀展示力的作用線與力臂，讓學(xué)生有直觀的認(rèn)識;通過變化力的作用線的方向，多次判斷強化對力臂定義的理解，實現(xiàn)從抽象到直觀的轉(zhuǎn)變。而齒輪的圓盤又使力臂更加形象和直觀，從而為后面學(xué)習(xí)“滑輪的本質(zhì)是杠桿的變形”做好鋪墊，可謂一舉兩得。

還如，對杠桿尺的不穩(wěn)定性的改進（力臂探究實驗中的創(chuàng)新）。學(xué)生在利用杠桿尺探究力臂的過程中又有新的發(fā)現(xiàn)。發(fā)現(xiàn)杠桿尺穩(wěn)定性比較差，在左右掛鉤碼時由于有先后順序，所以在杠桿尺一邊有負(fù)重的情況下，必須用手扶穩(wěn)，否則極易圍繞支點大幅度偏轉(zhuǎn)，稍有不慎鉤碼就會掉落桌面，導(dǎo)致實驗不能順利進行。學(xué)生在接二連三地經(jīng)歷了鉤碼落地的窘迫后，不禁思考：如何讓杠桿尺在一定范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動，又不會使鉤碼落地？學(xué)生經(jīng)過反復(fù)摸索，最終在支點上方0.5cm處設(shè)置牢固的障礙卡（廢舊鐵絲彎成的），使杠桿尺能在有限范圍內(nèi)偏轉(zhuǎn)而不影響杠桿尺的平衡效果。在此實驗中，杠桿尺上加障礙卡，限制偏轉(zhuǎn)幅度，可以有效保障實驗進程。一個小小的障礙卡體現(xiàn)了學(xué)生遇到問題解決問題的能力。應(yīng)了那句話：紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行。

學(xué)生在整個力臂微實驗探究的過程中，不僅深刻理解并掌握了力臂的概念和畫法，更重要的是掌握了一種探究問題的方法，從而使探究思維不斷地得到提升。

三、借助微實驗實現(xiàn)學(xué)以致用，提升學(xué)生探究能力

物理知識來源于生活又服務(wù)于生活。在學(xué)生探究完杠桿平衡條件后，教師可以引導(dǎo)學(xué)生利用杠桿原理設(shè)計生活中的省力杠桿，做到學(xué)以致用。

例如，利用細(xì)棍設(shè)計省力杠桿。實驗器材為3根5cm長的細(xì)棍、1段縫衣服用的細(xì)線、1個裝有水的飲料瓶。（1）用細(xì)線系住飲料瓶的瓶口，其中一根細(xì)棍放在桌子邊沿，把系飲料瓶的細(xì)線掛在第一根細(xì)棍上，用手按住細(xì)棍的另一端。（2）第二根細(xì)棍把線撐起來。第三根細(xì)棍抵住第一根細(xì)棍的頭部，再把它的尾部抵在第二根細(xì)棍的中間位置。調(diào)整好重心，慢慢移開壓住第一根細(xì)棍的手，飲料瓶穩(wěn)穩(wěn)地掛了起來。這種省力杠桿在生活中用處很大，如指甲刀、瓶起子、鉗子等。高品質(zhì)的物理學(xué)習(xí)的核心就是讓學(xué)生學(xué)會運用物理知識和方法來解決實際問題，就是我們經(jīng)常說的學(xué)以致用。

又如，設(shè)計蠟燭蹺蹺板。實驗器材為2個碗，縫衣針、蠟燭、剪刀、打火機各1個。一個縫衣針穿過一根蠟燭，就形成一個杠桿。針的兩端蠟燭質(zhì)量不相等，就會使兩端力和力臂的乘積不相等。乘積大的一端向下傾斜，這一端的火苗燃燒使蠟燭熔化較快，力和力臂的乘積小于另一端，從而向上翹起;反之，另一端力和力臂的乘積變小后又會向上翹起……這就像我們小時候玩的蹺蹺板一樣，蠟燭蹺蹺板便做成了。物理知識的學(xué)習(xí)不是枯燥乏味的，教師要引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)設(shè)有趣的蘊含物理知識的微實驗，培養(yǎng)學(xué)生在做中學(xué)、玩中學(xué)，學(xué)生的探究思維才能真正調(diào)動起來，真正體會學(xué)習(xí)的快樂。

目前，物理微實驗的學(xué)術(shù)研究與實踐探索剛剛起步，對以微實驗為手段培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力的認(rèn)識尚不夠，指向探究能力提升的初中物理“微實驗課堂”創(chuàng)設(shè)方面的研究尚不完善。只要我們加強探索，必將摸索出一條簡單易行、方便操作的提升學(xué)生科學(xué)探究能力的新路徑，從而使初中學(xué)生科學(xué)探究能力提升由一個抽象的理念變成一個看得見、摸得著的行動。

參考文獻：

丁玉祥.學(xué)生自主創(chuàng)新實驗的意義、價值與實踐路徑[J].實驗教學(xué)與儀器，2009（5）.

注：本文系江蘇省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2020年度重點課題“指向探究能力提升的初中物理微實驗開發(fā)與應(yīng)用研究”（批準(zhǔn)號：B-b/2020/02/194）的階段性成果。