初中物理實(shí)驗(yàn)器材的改進(jìn)與創(chuàng)新

楊 琳

(江蘇省無錫市梅里中學(xué)，江蘇 無錫 214112)

1 引言

物理實(shí)驗(yàn)是初中生掌握物理知識(shí)技能、提升關(guān)鍵能力、發(fā)展核心素養(yǎng)的重要載體，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師應(yīng)基于教學(xué)需求，從多角度對(duì)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，需要對(duì)實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行必要的改進(jìn)與創(chuàng)新，引導(dǎo)學(xué)生具身體悟新奇的物理現(xiàn)象，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，合理利用實(shí)驗(yàn)器材和生活中的常見物品，親歷實(shí)驗(yàn)探究過程，自主建構(gòu)物理概念，掌握必備的知識(shí)技能和方法，發(fā)展高階思維能力。真正落實(shí)“從生活走向物理，從物理走向社會(huì)”的課程理念，實(shí)現(xiàn)物理學(xué)科的育人價(jià)值。

2 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)器材，創(chuàng)設(shè)任務(wù)情境

學(xué)習(xí)興趣和探究意識(shí)是學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)驅(qū)力，直接影響中學(xué)階段的物理學(xué)習(xí)甚至終身學(xué)習(xí)。興趣的缺乏、探究意識(shí)的淡薄，不是短時(shí)間內(nèi)就能改善的，學(xué)習(xí)興趣和探究意識(shí)需要教師在教學(xué)過程中有意識(shí)地持續(xù)培養(yǎng)。在教學(xué)中，需要?jiǎng)?chuàng)新實(shí)驗(yàn)器材，設(shè)計(jì)趣味實(shí)驗(yàn)引入新課，創(chuàng)設(shè)具有啟發(fā)性、挑戰(zhàn)性的任務(wù)情境，可以有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升其學(xué)習(xí)內(nèi)驅(qū)力。筆者在“平面鏡”教學(xué)中，自制創(chuàng)新教具“燈光隧道”，引導(dǎo)學(xué)生觀察新奇的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，與日常生活中常見現(xiàn)象形成強(qiáng)烈反差，以此引入新課，激發(fā)了學(xué)生的探究興趣。

在“平面鏡”這一節(jié)，教材由一張“澆不滅的燭焰”照片引入新課，引發(fā)學(xué)生提出問題并進(jìn)行猜想。在教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)這樣的引入存在下列問題：(1) 有些教師單用照片引入新課，真實(shí)性不強(qiáng)，激趣功能不強(qiáng)；(2) 用照片引入新課，學(xué)生缺乏具身體驗(yàn)，有悖于新課程對(duì)知識(shí)構(gòu)建的要求；(3) 實(shí)際操作“澆不滅的燭焰”實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生會(huì)觀察到茶色玻璃前點(diǎn)燃的蠟燭，在教室兩側(cè)的學(xué)生也可能觀察到玻璃板后杯內(nèi)沒有蠟燭，降低了實(shí)驗(yàn)的激趣和驅(qū)動(dòng)思考的教學(xué)功能。

根據(jù)創(chuàng)設(shè)任務(wù)情境的教學(xué)功能需求，筆者利用“燈光隧道”教具，通過演示實(shí)驗(yàn)引入新課，突出新奇的特點(diǎn)，激發(fā)了學(xué)生探究新知的熱情?！盁艄馑淼馈敝谱鞑牧现饕校簣A形平面鏡、圓形半透面鏡、圓形燈管和外框等。具體制作步驟如下：(1) 將平面鏡固定在外框底座上；(2) 將半透鏡固定在外框前面板上，前面板中間為圓形孔洞；(3) 將圓形燈管固定在前面板上；(4) 將前面板固定在底座上，形成一個(gè)密閉的盒子(圖1)。

本實(shí)驗(yàn)器材的優(yōu)點(diǎn)如下：(1) 由于學(xué)生無法觀察到密閉盒內(nèi)的結(jié)構(gòu)，難以猜到將要產(chǎn)生的現(xiàn)象，有很好的激趣作用；(2) “學(xué)起源于思，思起源于疑”。當(dāng)學(xué)生觀察到接通電源后的燈光隧道神奇現(xiàn)象，一時(shí)無法解釋現(xiàn)象，學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)驅(qū)力得以提升；(3) 教師打開盒子，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)是兩塊平面鏡的作用，并啟發(fā)學(xué)生進(jìn)一步思考、提出問題和合理猜想，巧妙地創(chuàng)設(shè)了驅(qū)動(dòng)性任務(wù)情境。

圖1

3 優(yōu)化和改進(jìn)實(shí)驗(yàn)器材，驅(qū)動(dòng)深度學(xué)習(xí)

教師應(yīng)根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)和學(xué)習(xí)心理，設(shè)置動(dòng)手操作、思考辨識(shí)實(shí)際問題的任務(wù)情境，將已學(xué)的物理知識(shí)和生活經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生動(dòng)手操作實(shí)踐和探究歸納生成新知識(shí)的載體，給學(xué)生提供必要的探究新知的學(xué)習(xí)資源和思維支架，驅(qū)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)探究，建構(gòu)新知。教師基于教學(xué)需求優(yōu)化、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)器材，是開展探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)的保障，是驅(qū)動(dòng)學(xué)生課堂深度學(xué)習(xí)、培養(yǎng)其實(shí)踐應(yīng)用和創(chuàng)新能力的有效途徑。

實(shí)驗(yàn)器材的優(yōu)化改進(jìn)原則是趣味性、實(shí)效性、創(chuàng)新性和聚焦學(xué)生問題解決過程。筆者結(jié)合教學(xué)實(shí)際，優(yōu)化改進(jìn)“研究氣泡的運(yùn)動(dòng)規(guī)律”的實(shí)驗(yàn)器材及方案，驅(qū)動(dòng)學(xué)生深度學(xué)習(xí)。

教材中的實(shí)驗(yàn)步驟如下：(1) 在內(nèi)徑約為0.8厘米、長為100厘米的玻璃管中注水近滿，上端留一小段空氣柱，再用橡皮塞塞住管口；(2) 將玻璃管翻轉(zhuǎn)后豎直(或傾斜)放置，觀察氣泡的運(yùn)動(dòng)情況；(3) 測(cè)量氣泡從零點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到20厘米、40厘米、60厘米和80厘米處所用的時(shí)間，把測(cè)得的數(shù)據(jù)填入記錄表，并計(jì)算出相應(yīng)的速度。

在具體教學(xué)中發(fā)現(xiàn)存在下列問題：(1) 學(xué)校實(shí)驗(yàn)室配套的實(shí)驗(yàn)器材是內(nèi)徑為1厘米、長為80厘米的玻璃管，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，小氣泡運(yùn)動(dòng)很快，運(yùn)動(dòng)20厘米所用時(shí)間太短，測(cè)量運(yùn)動(dòng)時(shí)間難度較大；(2) 學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)時(shí)，通常是2名或4名同學(xué)為一組，其中1名同學(xué)直接用手拿著玻璃管，管口先正立朝上加水近滿，上端留一小段空氣柱，用橡皮塞塞住管口，再將玻璃管翻轉(zhuǎn)后豎直(或傾斜)放置，測(cè)量氣泡從零點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到20厘米、40厘米、60厘米和80厘米處所用的時(shí)間，由于學(xué)生直接用手拿著玻璃管，難以做到在整個(gè)測(cè)量過程中玻璃管始終保持豎直或傾斜的角度不變，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的時(shí)間誤差較大，算出的各段路程上的運(yùn)動(dòng)速度不等且有較大差異；(3) 實(shí)驗(yàn)時(shí)由于水和小氣泡都是無色的，不能清晰地觀察到小氣泡的運(yùn)動(dòng)情況，影響各段路程上運(yùn)動(dòng)時(shí)間測(cè)量的精確度。

筆者對(duì)實(shí)驗(yàn)器材及方案進(jìn)行了改進(jìn)：(1) 選用內(nèi)徑為0.5厘米、長為50厘米的玻璃管，以10厘米長為一段，在玻璃管外表面用紅色的細(xì)線做標(biāo)記，裝水近滿留有一段近1厘米長的小氣泡，再用橡皮塞塞住管口，小氣泡在每一段運(yùn)動(dòng)的時(shí)間約為10秒左右，便于學(xué)生測(cè)量和記錄；(2) 用電鉆在木尺上制作兩個(gè)孔，再用常見的綁扎帶把玻璃管固定在木尺上，最后固定在鐵架臺(tái)上(圖2)，以保證玻璃管翻轉(zhuǎn)后豎直或者傾斜一定的角度且保持不變，便于控制實(shí)驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)記錄；(3) 往水中滴加適量紅墨水，紅色的液體與無色的小氣泡有一定的對(duì)比度，便于清晰地觀察小氣泡的運(yùn)動(dòng)情況和記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

對(duì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了上述改進(jìn)后，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更清晰，便于觀察和準(zhǔn)確記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)操作更便捷，易于歸納得出探究結(jié)論。更重要的是激發(fā)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究興趣，驅(qū)動(dòng)學(xué)生課堂深度學(xué)習(xí)，提升了他們的高階思維能力。

4 優(yōu)化組合實(shí)驗(yàn)器材，提升習(xí)題教學(xué)效果

習(xí)題訓(xùn)練是鞏固知識(shí)技能、遷移課堂學(xué)習(xí)成果的重要手段，物理習(xí)題更是掌握物理學(xué)習(xí)方法、進(jìn)階思維、提升關(guān)鍵能力的有效載體。教師選擇習(xí)題時(shí)一定不能隨意，必須緊扣并服務(wù)于教學(xué)目標(biāo)，必須對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)有意義、有價(jià)值并且有趣，難易適度，具有啟發(fā)性和典型性。優(yōu)化組合實(shí)驗(yàn)器材設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)類鞏固習(xí)題，可增加學(xué)生的具身體驗(yàn)，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，驅(qū)動(dòng)學(xué)生做中學(xué)，做中練，不斷提升關(guān)鍵能力，發(fā)展物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

在“力與運(yùn)動(dòng)關(guān)系”的教學(xué)中，通常教師先通過實(shí)驗(yàn)探究得出結(jié)論：“力可以改變物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)”，接著運(yùn)用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)一些習(xí)題，例如：操場(chǎng)上滾動(dòng)的足球最終停下來、手拉小球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)、從樹上落下的蘋果等。對(duì)學(xué)生進(jìn)行強(qiáng)化訓(xùn)練，達(dá)到鞏固所學(xué)知識(shí)的目的。在教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)這類習(xí)題雖能鞏固知識(shí)，但學(xué)生缺乏實(shí)際參與，對(duì)激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、深度理解概念、提升學(xué)習(xí)內(nèi)驅(qū)力的效果不明顯。

圖3

興趣是最好的老師，學(xué)生一旦產(chǎn)生興趣，學(xué)習(xí)就產(chǎn)生了。筆者在“力與運(yùn)動(dòng)關(guān)系”的教學(xué)中，基于教學(xué)功能需求和激趣需要，優(yōu)化組合實(shí)驗(yàn)器材，設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)類習(xí)題，并引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作：讓一個(gè)鋼球豎直下落到小盒內(nèi)(圖3)，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是否改變？為什么？將一塊磁鐵用夾子夾住，將小球從原來位置落下，它還能落到盒內(nèi)嗎？為什么？是什么原因使它的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生了改變？

設(shè)計(jì)以上實(shí)驗(yàn)類鞏固習(xí)題，旨在使學(xué)生深度理解“運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變”，自主探究得出結(jié)論：“力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因”。本實(shí)驗(yàn)原來的設(shè)計(jì)是用磁鐵在桌面上吸引運(yùn)動(dòng)中的鐵球改變其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，直觀性很強(qiáng)，但實(shí)驗(yàn)不可控，成功率較低。于是筆者對(duì)實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行了進(jìn)一步的優(yōu)化組合，將鐵球的水平運(yùn)動(dòng)改為豎直下落，通過觀察鐵球是否下落到小盒內(nèi)顯示其運(yùn)動(dòng)方向的改變，實(shí)驗(yàn)直觀、可控。教師引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)真觀察，應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，這樣的習(xí)題訓(xùn)練既促進(jìn)了學(xué)生深度理解“力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因”，又充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生練習(xí)的積極性和主動(dòng)性，讓學(xué)生在輕松愉快的學(xué)習(xí)氛圍中正向遷移課堂學(xué)習(xí)成果，提升實(shí)踐應(yīng)用能力。

5 結(jié)語

威廉·亞瑟·瓦爾德說過：平庸的教師講述，好的教師解釋，優(yōu)秀的教師示范，偉大的教師啟發(fā)。初中階段是學(xué)生學(xué)習(xí)物理的關(guān)鍵期，而初中生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律決定了只有在學(xué)習(xí)興趣盎然的前提下，學(xué)生才會(huì)主動(dòng)探索物理知識(shí)，發(fā)展關(guān)鍵能力。教師應(yīng)基于教學(xué)功能需求對(duì)實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行改進(jìn)與創(chuàng)新，以實(shí)驗(yàn)探究為載體，以任務(wù)為主線，以問題為導(dǎo)向，引導(dǎo)學(xué)生自主探究，提升他們的核心素養(yǎng)。