基于比較的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改進(jìn)策略

摘 要：對(duì)于初學(xué)物理的八年級(jí)學(xué)生來說，物理具有極大的神秘感.為此，在物理教學(xué)起始階段，就有必要強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法的訓(xùn)練，從而幫助學(xué)生快速地入物理之門，比較法就是一種便捷而實(shí)用的學(xué)習(xí)方法，引導(dǎo)學(xué)生通過比較逐步從被動(dòng)地吸引走向主動(dòng)地探究，實(shí)現(xiàn)在動(dòng)手中主動(dòng)建構(gòu)物理知識(shí)以培育學(xué)科關(guān)鍵能力.本文結(jié)合“熔化和凝固”一課的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，分享如何在課前準(zhǔn)備和課堂實(shí)施中運(yùn)用比較法進(jìn)行教學(xué).

關(guān)鍵詞：比較教學(xué);同中求異;異中求同;逆向比較

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1008-4134（2021）18-0028-03

作者簡(jiǎn)介：王雷（1969-），男，江蘇南通人，本科，中學(xué)高級(jí)教師，研究方向：初中物理專題學(xué)習(xí)研究.

比較就是通過事物間相同或相異特征揭示事物本質(zhì)和區(qū)別的方法，是科學(xué)研究的基本方法之一.在日常教學(xué)中，運(yùn)用比較法可以幫助學(xué)生接受新概念或加強(qiáng)對(duì)概念的理解，最終分解復(fù)雜問題和抽象知識(shí)，即從個(gè)別現(xiàn)象中找到普遍規(guī)律.基于物理的學(xué)科特點(diǎn)，在物理學(xué)習(xí)的過程中，引導(dǎo)學(xué)生迅速掌握并能自覺運(yùn)用比較法是物理入門學(xué)習(xí)的重要手段，可起到事半功倍的效果.從比較的形式來看，可分為橫向比較和縱向比較[1].那怎樣有效地滲透比較法于物理教學(xué)之中呢？下文結(jié)合“熔化和凝固”一課的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)談?wù)劚容^法在物理教學(xué)中的應(yīng)用.

1 實(shí)驗(yàn)裝置的比較與改進(jìn)

“熔化和凝固”一課的教材安排，各版本有著不同的思考，總體思想都是通過對(duì)兩類物質(zhì)的熔化差異進(jìn)行比較從而找到固體熔化的規(guī)律.蘇科版教材把此部分內(nèi)容安排在“汽化和液化”之后學(xué)習(xí)，安排的是“冰和燭蠟”的熔化比較，并設(shè)計(jì)為活動(dòng)，而非學(xué)生必做的分組實(shí)驗(yàn)，但從教學(xué)效果看，把這一活動(dòng)設(shè)計(jì)成學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，對(duì)學(xué)習(xí)效果無疑具有極好的提升價(jià)值.

1.1 燭蠟熔化裝置的改進(jìn)

（1）定制“長(zhǎng)度10cm，內(nèi)徑2cm”的試管.實(shí)驗(yàn)室配備的內(nèi)徑2cm試管的默認(rèn)長(zhǎng)度是20cm，使用長(zhǎng)試管有兩個(gè)弊端：一是攪拌困難，二是溫度計(jì)大部分讀數(shù)區(qū)在試管內(nèi)，影響溫度讀數(shù)（如圖1所示）.

（2）燭蠟制成顆粒狀.因?yàn)闋T蠟碎屑給學(xué)生的起始感覺就是軟的，利用小顆粒狀燭蠟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，能讓學(xué)生感受到固態(tài)燭蠟也是有一定硬度的.

（3）采用橡皮塞固定溫度計(jì)，把試管、燭蠟顆粒、溫度計(jì)、攪棒四位一體，做成一套整體器材，以降低學(xué)生操作的難度和節(jié)省實(shí)驗(yàn)時(shí)間（整體裝置如圖1所示）.

1.2 冰熔化裝置的改進(jìn)

冰熔化實(shí)驗(yàn)是極難控制的.常見的困難有以下三點(diǎn)[2]：

（1）溫差過大引起的結(jié)霜.裝置從冰箱取出，在常溫25℃條件下，其表面會(huì)迅速結(jié)霜，實(shí)驗(yàn)時(shí)需要及時(shí)擦除結(jié)霜和結(jié)水.冰也會(huì)在常溫下迅速升溫熔化，學(xué)生往往還在清除結(jié)霜過程中就錯(cuò)失了對(duì)冰熔化前的現(xiàn)象觀察與溫度數(shù)據(jù)的測(cè)量.

（2）實(shí)驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng).冰的熔化所需熱很多，反復(fù)實(shí)驗(yàn)，2g冰在25℃的常溫條件下自然吸熱完全熔化約為7分鐘.

（3）熔化溫度的不穩(wěn)定性.當(dāng)溫度計(jì)實(shí)測(cè)到-1℃時(shí)，外圍的冰就已開始熔化，會(huì)在-1℃、0℃、1℃、2℃等溫度點(diǎn)有較長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定期，這一現(xiàn)象是因?yàn)楸菬岬牟涣紝?dǎo)體，導(dǎo)熱效果不理想所致.

基于學(xué)生對(duì)冰熔化的認(rèn)識(shí)，冰熔化時(shí)的固態(tài)特征是不會(huì)改變的，只會(huì)在量上變少.為此，把這個(gè)實(shí)驗(yàn)的觀察點(diǎn)確定為冰在熔化時(shí)狀態(tài)變化和溫度的測(cè)量.從實(shí)驗(yàn)效果和時(shí)間兩方面進(jìn)行綜合權(quán)衡，設(shè)計(jì)了以下方案.

裝置設(shè)計(jì)：使用“長(zhǎng)度10cm，內(nèi)徑2cm”的試管，用雙層管塞固定溫度計(jì)，溫度計(jì)玻璃泡位置在冰珠中偏下一點(diǎn)，因?yàn)楸刍^程中總體積漸少，這種設(shè)計(jì)可保證玻璃泡一直處于冰水混合物的中央，溫度計(jì)量程采用-12℃～100℃，以便記錄冰升溫的過程（裝置如圖2所示）.

冰的制?。和ㄟ^反復(fù)試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)材料以球型冰珠為最佳，采用直徑0.5cm的扁圓型藥片底板，加注一滴水進(jìn)行冷凍，冰珠因水凝固膨脹基本趨于圓形.為了保證冰的純度較高，冰珠用純凈水制作.器材準(zhǔn)備全部在冰箱的冷凍室完成，學(xué)生拿到冰珠時(shí)，初溫可達(dá)到-18℃左右，要求學(xué)生在溫度升到-12℃時(shí)開始記錄數(shù)據(jù).

通過這樣的改進(jìn)，是為了獲得最佳的觀察效果，兩套裝置有相似的地方，又有不同，給學(xué)生留下了比較的空間，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)的同時(shí)也會(huì)感到疑惑，為什么兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的裝置有著明顯的不同呢？為了讓學(xué)生主動(dòng)去學(xué)會(huì)比較，教師課前對(duì)比較內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)器材的預(yù)設(shè)準(zhǔn)備就尤為必要.

2 實(shí)驗(yàn)操作的比較與方法

“冰和燭蠟”熔化實(shí)驗(yàn)方法是有較大差異的，實(shí)驗(yàn)方法的比較更有利于拓寬學(xué)生的探究思路，幫助學(xué)生自主認(rèn)識(shí)到實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的科學(xué)性和可行性.

2.1 加熱方式的比較

燭蠟熔化實(shí)驗(yàn)采用“水浴加熱”.這是因?yàn)槌叵聽T蠟是固態(tài).蘇科版教材把這一實(shí)驗(yàn)安排在“水沸騰”實(shí)驗(yàn)后的一次操作，這使學(xué)生有機(jī)會(huì)通過前后比較進(jìn)行裝置的安裝和實(shí)驗(yàn)，在對(duì)比中，學(xué)生很輕松地完成裝置安裝，能夠準(zhǔn)確地把溫度計(jì)的安裝按照如圖1裝置固定.

冰熔化實(shí)驗(yàn)采用“空氣加熱”.這是因?yàn)閷W(xué)習(xí)這一內(nèi)容時(shí)，氣溫約為25℃左右，裝置從冰柜取出時(shí)為-20℃左右，如此大的溫差，完成冰熔化實(shí)驗(yàn)不需要任何輔助熱源，且2g左右的冰珠熔化的時(shí)間約為6-7分鐘，可充分觀察到冰熔化全程的現(xiàn)象，并能及時(shí)記錄有關(guān)的數(shù)據(jù).

2.2 攪拌方式的比較

因?yàn)槎叩娜刍^察要素有著較大的差異，而對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察僅僅靠視覺是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因?yàn)楹芏鄬?shí)驗(yàn)現(xiàn)象還需要其它的感官參與，才能相對(duì)全面地、多維地認(rèn)識(shí)到物理變化過程中的各種現(xiàn)象.

燭蠟熔化實(shí)驗(yàn)采用攪棒參與攪拌.這里的攪拌一是為了促使?fàn)T蠟顆粒受熱均勻;二是燭蠟的狀態(tài)變化不僅是靠看就能看出來的，通過攪棒參與攪拌，能真切地感受到燭蠟在熔化過程中發(fā)生著從“硬—軟—稠—稀”的變化過程.實(shí)踐證明，這樣的改進(jìn)能有效地獲得可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，現(xiàn)象明顯，可觀、可觸、可感.學(xué)生能迅速根據(jù)所得數(shù)據(jù)描繪出燭蠟的熔化圖像，還能知道各階段燭蠟熔化的樣態(tài).

冰熔化實(shí)驗(yàn)的裝置中不使用攪拌，改為振蕩.因?yàn)楸刍^程中冰珠之間、冰珠與管壁之間易出現(xiàn)粘連，攪拌恰恰會(huì)把冰珠攪離玻璃泡壁，反而使玻璃泡周圍出現(xiàn)空間導(dǎo)致溫度的測(cè)不準(zhǔn).在此，振蕩比攪拌更能有效地使溫度達(dá)到均勻，也能加快熔化（如圖3所示），振蕩還有利于冰珠一直包圍在玻璃泡周圍，使冰熔化過程穩(wěn)定在0℃的時(shí)間也較長(zhǎng)，可獲得較為準(zhǔn)確和完整的過程數(shù)據(jù);同時(shí)振蕩發(fā)出的“沙沙聲”同樣能證明冰的固態(tài)特征，此處的觀察不僅是視覺，還有聽覺參與起到輔助觀察的作用.整體裝置的簡(jiǎn)潔設(shè)計(jì)減少了對(duì)觀察的干擾，將注意力集中于觀察重點(diǎn).學(xué)生輕松可得較為理想的冰熔化過程的數(shù)據(jù)，并繪制出較為理想的熔化過程圖像，以便于進(jìn)一步的學(xué)習(xí).

學(xué)生在不同實(shí)驗(yàn)中使用既相似又存在不同的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，同樣會(huì)引起學(xué)生的注意，在對(duì)比中尋找理由，為今后能主動(dòng)運(yùn)用比較法去學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ).

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)的比較與實(shí)施

在本課的教學(xué)過程中，“比較”是主旋律.本課先做燭蠟熔化實(shí)驗(yàn)，學(xué)生自然會(huì)去和“水沸騰實(shí)驗(yàn)”進(jìn)行比較，得出裝置的相同與不同之處，后做冰熔化實(shí)驗(yàn)，學(xué)生會(huì)下意識(shí)地將兩種物質(zhì)的熔化特點(diǎn)進(jìn)行比較.在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生受到潛移默化的滲透，思考著實(shí)驗(yàn)裝置的不同、實(shí)驗(yàn)方法的差異，進(jìn)而通過比較主動(dòng)建構(gòu)出本節(jié)知識(shí)的脈絡(luò)和框架.從比較手段來看，本課安排的比較按“異中求同、同中求異、逆向比較”三個(gè)維度展開[3-5].

3.1 異中求同和同中求異

因?qū)嶒?yàn)的精心準(zhǔn)備，學(xué)生在上課時(shí)能獲得較為完美的數(shù)據(jù)，繪制兩種物質(zhì)的熔化圖像（如圖4所示）.

課堂片段1 熔化的比較

問：這兩個(gè)圖像存在著顯著差異，那它們之間有怎樣的相同點(diǎn)和不同點(diǎn)呢？

學(xué)生：相同點(diǎn)是固體熔化時(shí)都要吸熱.不同點(diǎn)是燭蠟熔化過程中溫度不斷上升，而冰熔化過程中溫度保持不變.

PPT出示：一組物質(zhì)的熔化圖像（如圖5所示）.

問：對(duì)于這一組物質(zhì)熔化的圖像，你覺得怎么分類？說出你的分類依據(jù).

學(xué)生：可把燭蠟、玻璃、松香分為一類，它們沒有固定的熔化溫度;把冰、海波、萘分為一類，它們都有固定的熔化溫度.

教師：很好.固體從熔化性質(zhì)上可分為兩類，像燭蠟這類沒有固定熔化溫度的物質(zhì)叫非晶體，像冰這類有固定熔化溫度的物體叫晶體.

教師：請(qǐng)繼續(xù)比較海波、冰和萘熔化圖像，找出相同點(diǎn)和不同點(diǎn)？

學(xué)生：相同點(diǎn)是它們?cè)谌刍^程中不斷吸熱但溫度不變，不同點(diǎn)是它們的熔化溫度不同.

教師：物理上把晶體的固定熔化溫度叫作晶體的熔點(diǎn).非晶體沒有熔點(diǎn).

在此，通過異中求同和同中求異的反復(fù)比較，學(xué)生能輕松地認(rèn)識(shí)到存在著兩類固體，他們?cè)谌刍^程中是有差異的，但也存在著共同的特征.

3.2 逆向比較

水凝固實(shí)驗(yàn)在常態(tài)課堂是不可能去做的，一般由教師口述講解完成，通過分析指出凝固是熔化的逆過程，再通過反復(fù)的題目訓(xùn)練去完成對(duì)凝固的學(xué)習(xí).本課引用溫度傳感器對(duì)燭蠟熔液和水凝固實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比.

課堂片段2 兩類物質(zhì)的凝固比較[2]

教師：凝固是熔化的逆過程，那么凝固又有怎樣的特點(diǎn)呢？

演示1：采用直徑1cm，長(zhǎng)度10cm的小試管，注入1mL水放入冷源中凝固.因水凝固過程很難觀察，這一實(shí)驗(yàn)改為教師演示、學(xué)生觀察進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在溫度降到0℃時(shí)，適時(shí)取出裝置觀察，可見在試管壁的周邊已有結(jié)冰現(xiàn)象，而平置后，仍有水流出（如圖6所示），這一操作動(dòng)作要快，以不影響水凝固過程和圖像的生成.反復(fù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這一裝置在-8℃上下的冷源中完成的實(shí)驗(yàn)圖像大約需要150秒.用第一傳感器記錄下冰的凝固過程.

演示2：將放在保溫杯中的燭蠟熔液放入第二傳感器獲得凝固變化曲線.

凝固實(shí)驗(yàn)介入溫度傳感器，也是為了滲透現(xiàn)代化設(shè)備為教學(xué)服務(wù)的需要，通過直接記錄實(shí)驗(yàn)過程的曲線，能讓學(xué)生更直觀地感知一個(gè)物理變化的過程.用傳感器直觀地得出二者的凝固圖像（如圖7所示），通過比較，學(xué)生自然而然就能夠理解凝固是熔化的逆過程，同樣晶體和非晶體在凝固時(shí)存在著差異，晶體熔液凝固時(shí)溫度不變，對(duì)外放熱，而非晶體熔液凝固時(shí)對(duì)外放熱，溫度不斷降低.在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生再次比較得出晶體和非晶體熔化和凝固時(shí)的差異，可得晶體的熔點(diǎn)和晶體熔液的凝固點(diǎn)是相同的.

通過上述層層推進(jìn)的比較，學(xué)生學(xué)會(huì)了分類，找到了分類依據(jù)，而分類依據(jù)正是本課要尋找的物理規(guī)律.在這樣的差異比較過程中，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生對(duì)新知識(shí)的主動(dòng)發(fā)現(xiàn)和自主建構(gòu).在這樣的訓(xùn)練中，學(xué)生會(huì)將比較法從不自覺逐步走向自覺地應(yīng)用于以后的學(xué)習(xí).

參考文獻(xiàn)：

[1]魯繼柏.在“比較”中“發(fā)現(xiàn)”——淺談高中物理教學(xué)中的“比較”教學(xué)法[J].中學(xué)物理，2016，34（13）：54-55.

[2]王雷.對(duì)冰熔化和水凝固實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[J].物理教學(xué)，2020（07）：56-58.

[3]金建東.初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改進(jìn)與創(chuàng)新策略探究[J].文理導(dǎo)航（中旬），2021（05）：49+58.

[4]張麗華.淺談初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改進(jìn)與創(chuàng)新策略[J].天天愛科學(xué)（教育前沿），2021（06）：57-58.

[5]陳曄.初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改進(jìn)策略[J].試題與研究，2021（08）：106-107.

（收稿日期：2021-05-31）