巧設(shè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn) 凸顯科學(xué)思維

袁超

摘? ?要：在初中物理光學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，以三個(gè)初中物理光學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，從改“抽象問(wèn)題”為“直觀實(shí)驗(yàn)”，改“觀察現(xiàn)象”為“體驗(yàn)過(guò)程”，改“平面實(shí)驗(yàn)”為“立體實(shí)驗(yàn)”，三個(gè)視角出發(fā)，闡述如何通過(guò)設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維。。

關(guān)鍵詞：創(chuàng)新實(shí)驗(yàn);光學(xué)實(shí)驗(yàn);自制教具、科學(xué)思維

引言

初中物理實(shí)驗(yàn)具有真實(shí)、直觀、形象、生動(dòng)的特點(diǎn)，通過(guò)物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驅(qū)⒊橄蟮奈锢碛^念具體化，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。此外，教師在巧設(shè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，還可以讓學(xué)生自己動(dòng)手，體驗(yàn)“解決問(wèn)題，獲得成功”的喜悅[ 1 ]，這對(duì)學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)具有至關(guān)重要的作用?；诖耍P者以三個(gè)初中物理光學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教具的制作為例，從改“抽象問(wèn)題”為“直觀實(shí)驗(yàn)”、改“觀察現(xiàn)象”為“體驗(yàn)過(guò)程”、改“平面實(shí)驗(yàn)”為“立體實(shí)驗(yàn)”三個(gè)視角出發(fā)，闡述了如何通過(guò)設(shè)計(jì)創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，旨在為一線物理教師在進(jìn)行自制實(shí)驗(yàn)教具培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的教學(xué)改革方面提供參考。

1? 改“抽象問(wèn)題”為“直觀實(shí)驗(yàn)”，培養(yǎng)學(xué)生建模能力

物理實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜃寣W(xué)生從直觀的現(xiàn)象中體驗(yàn)到物理知識(shí)的本質(zhì)，在抽象的問(wèn)題中提煉出其中所蘊(yùn)含的道理。但現(xiàn)行教材中有些物理問(wèn)題的呈現(xiàn)較為抽象，僅依靠教師講解或動(dòng)畫演示，難以實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維的教學(xué)效果。因此，通過(guò)對(duì)抽象的物理問(wèn)題進(jìn)行實(shí)物模型的建構(gòu)方式，將“抽象問(wèn)題”轉(zhuǎn)化為“直觀實(shí)驗(yàn)”，能夠在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時(shí)，助力學(xué)生思維的過(guò)渡，進(jìn)而培養(yǎng)了學(xué)生模型建構(gòu)的能力。

案例1：日食、月食演示儀

1.1? 教材處理

在滬科版“光的反射”一節(jié)中，雖未提及日食、月食的相關(guān)內(nèi)容，但是，日食、月食作為光沿直線傳播的較為抽象的重要典例，如采用傳統(tǒng)的講授式教學(xué)，學(xué)生理解難度大。因此，筆者依據(jù)改“抽象問(wèn)題”為“直觀實(shí)驗(yàn)”的原則，制作了如下裝置進(jìn)行教學(xué)。

1.2? 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

（1）制作材料

地理演示教具——“三球儀”、手電筒、小反光鏡。

（2） 制作方法

如圖1所示，在三球儀中的“太陽(yáng)”上裝一盞手電筒;在“月亮”上黏一塊小鏡片。

1.3? 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

（1）模擬日食——旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，讓“月亮”剛好處于“太陽(yáng)”和“地球”之間，手電筒發(fā)出來(lái)的光剛好被“月球”擋住，這時(shí)在地球上就能看到一個(gè)黑斑。

（2）模擬月食——繼續(xù)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，使“太陽(yáng)”處于“月球”和“地球”之間，這時(shí)“月球”上小鏡片反射的光被“太陽(yáng)”擋住后，就無(wú)法形成完整的光斑。

1.4? 實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新

（1）通過(guò)實(shí)物模型的建構(gòu)將抽象、復(fù)雜的問(wèn)題，變成一個(gè)直觀的演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行突破，讓學(xué)生真正明白到底是：“誰(shuí)”把“誰(shuí)”的光擋住了。

（2）取材方便，制作簡(jiǎn)單。

2? 改“觀察現(xiàn)象”為“體驗(yàn)過(guò)程”，增強(qiáng)學(xué)生探究意識(shí)

探究性實(shí)驗(yàn)是指學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)、探索、分析、研究得出結(jié)論，形成科學(xué)概念的一種認(rèn)知活動(dòng)[ 2 ] 。將傳統(tǒng)的教師“做實(shí)驗(yàn)”、學(xué)生“看實(shí)驗(yàn)”的演示實(shí)驗(yàn)方式轉(zhuǎn)化為學(xué)生自主的探究過(guò)程，讓學(xué)生在教師的啟發(fā)與引導(dǎo)下，從實(shí)驗(yàn)材料、實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)步驟等方面進(jìn)行探究，自主發(fā)現(xiàn)并解決問(wèn)題，對(duì)學(xué)生探究能力的培養(yǎng)具有重要意義。

案例2：探究眼球成像原理實(shí)驗(yàn)

2.1? 教材處理

眼球的晶狀體變焦過(guò)程及視力的矯正，是滬科版《神奇的眼睛》的重點(diǎn)和難點(diǎn)。但是教材中卻無(wú)相關(guān)的探究實(shí)驗(yàn)，僅有幾張插圖，教師在處理這部分內(nèi)容時(shí)大多只是用水透鏡進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)，但該實(shí)驗(yàn)器材可視性較差，不能夠有效地激發(fā)學(xué)生的探究欲望和探究意識(shí)。基于此，筆者依據(jù)改“觀察現(xiàn)象”為“體驗(yàn)過(guò)程”的原則，通過(guò)設(shè)置分組探究性實(shí)驗(yàn)，來(lái)提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。

2.2? 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

（1）制作材料

圓珠筆芯、礦泉水瓶、凸透鏡、PE膜、LED燈源、眼球結(jié)構(gòu)模型、攝像頭、大小夾子。

（2）制作方法

如圖2，此裝置包括F型LED燈源（模擬觀察的物體）、自制水透鏡（模擬晶狀體和睫狀?。?、眼球結(jié)構(gòu)模型（模擬視網(wǎng)膜）等。其中水透鏡是將兩個(gè)凸透鏡中的玻璃鏡片用PE膜替換，然后粘貼在一起，中間利用圓珠筆芯與礦泉水瓶相連，擠壓水瓶，水便進(jìn)入水透鏡中，從而鼓起（如圖3）。

2.3? 器材功能

（1）通過(guò)手?jǐn)D壓瓶子調(diào)節(jié)水透鏡的焦距，模擬晶狀體。

（2）手用力擠壓，模擬睫狀肌緊張用力的過(guò)程。

（3）睫狀肌長(zhǎng)期緊張用力，就像瓶子被擠壓變形無(wú)法恢復(fù)原狀，模擬近視眼的形成。

（4）在矯正近視眼時(shí)，此套裝置還用于模擬所需要用到的可變焦凹透鏡。（只需在灌水時(shí)，先將瓶子捏扁一點(diǎn)再旋上蓋子，就成了可變焦凹透鏡）。

（5）在矯正遠(yuǎn)視眼時(shí)，此套裝置還用于模擬所需要用到的可變焦凸透鏡。

（6）在沒(méi)有條件做到分組實(shí)驗(yàn)的情況下，也可以通過(guò)眼球內(nèi)的攝像頭，將視網(wǎng)膜上成的像投影出來(lái)。

2.4? 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2.4.1? 通過(guò)投影演示，讓學(xué)生了解眼球成像儀的工作原理

在教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生認(rèn)識(shí)眼球的結(jié)構(gòu)后，又會(huì)產(chǎn)生了新的疑問(wèn)“為什么眼球能夠看清遠(yuǎn)、近不同的物體呢？也就是說(shuō)物距發(fā)生改變了，像為何還呈現(xiàn)在視網(wǎng)膜上”。所以，教師為了突破此難點(diǎn)，應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生理解晶狀體的調(diào)節(jié)作用——晶狀體在睫狀肌的作用下可以使其球面曲度發(fā)生改變。為了讓學(xué)生更好的理解水透鏡曲度與成像的關(guān)系，筆者利用眼球模型內(nèi)的攝像頭進(jìn)行演示：當(dāng)瓶?jī)?nèi)的水?dāng)D入水透鏡時(shí)，可變焦晶狀體的球面曲度增大;松手，水又從水透鏡內(nèi)倒流進(jìn)入瓶?jī)?nèi)，則晶狀體的球面曲度減小，視網(wǎng)膜上的像清晰程度就因此發(fā)生了變化。92F9E5FE-9192-4AB4-BECC-04D2DE2161A3

2.4.2? 探究眼睛如何看清遠(yuǎn)近不同的物體（如圖4）

組織學(xué)生分別將物體放置在距離眼球遠(yuǎn)近不同的位置開展實(shí)驗(yàn)，同時(shí)通過(guò)擠壓瓶子改變晶狀體的曲度使其清晰成像。通過(guò)實(shí)驗(yàn)學(xué)生可發(fā)現(xiàn)：要看清近處物體時(shí)，擠入的水較多，晶狀體曲度變大;反之要看清遠(yuǎn)處物體時(shí)，曲度變小。最后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究，引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)出：

（1）所成的像是倒立的。

（2）看近處物體時(shí)晶狀體的曲度較大，看遠(yuǎn)處物體時(shí)晶狀體的曲度較小。

（3）眼睛看物體時(shí)，像是近大遠(yuǎn)小。

2.4.3? 探究近視眼的成因及矯正方法（如圖5）

由于近視眼是長(zhǎng)時(shí)間看近處物體而引起，因此用大夾子擠壓瓶子使液體推入水透鏡中，水透鏡曲度過(guò)大，從而模擬近視眼的晶狀體。此時(shí)將LED燈源推向遠(yuǎn)處時(shí)，因近視眼的晶狀體曲度不能及時(shí)恢復(fù)，會(huì)聚能力過(guò)強(qiáng)，視網(wǎng)膜上的像變模糊，實(shí)際所成像落在視網(wǎng)膜的前方（驗(yàn)證：拿一個(gè)光屏放在視網(wǎng)膜前方，可見清晰倒立的F字）。最后，在眼球前方放置一個(gè)自制變焦凹透鏡（跟模擬晶狀體的自制水透鏡一樣，只是裝水時(shí)先將瓶子稍微捏扁一點(diǎn)，蓋上蓋子后膜內(nèi)的水被吸入瓶?jī)?nèi)，薄膜因此向內(nèi)變凹，就成了可變焦的凹透鏡），像又可以落到視網(wǎng)膜上了。從而說(shuō)明近視眼可用凹透鏡矯正。

2.4.4? 探究遠(yuǎn)視眼的成因及矯正方法（如圖6）

由于老年人睫狀肌松弛，張力不夠，看近處的物體時(shí)，晶狀體曲度不夠，教師可引導(dǎo)學(xué)生利用小夾子擠壓瓶子使液體推入水透鏡中，水透鏡的曲度較小，從而模擬遠(yuǎn)視眼的晶狀體。而將LED燈源推向近處時(shí)，因遠(yuǎn)視眼的睫狀肌張力不夠，晶狀體曲度不足，會(huì)聚能力弱，視網(wǎng)膜上的像變模糊，實(shí)際所成像應(yīng)落在視網(wǎng)膜的后方（驗(yàn)證：將視網(wǎng)膜上的開口打開，拿一個(gè)光屏放在視網(wǎng)膜后方，可見清晰倒立的F字）。最后在眼球前方放置一個(gè)自制變焦水透鏡，擠壓瓶子、調(diào)節(jié)水透鏡的曲度，像又可以落到視網(wǎng)膜上了。從而說(shuō)明遠(yuǎn)視眼可用凸透鏡矯正。

2.5? 實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新

同傳統(tǒng)的水透鏡相比，該實(shí)驗(yàn)儀器優(yōu)勢(shì)在于：

（1）裝水方便，膜內(nèi)不容易有氣泡：一開始往膜內(nèi)灌水時(shí)，有些許氣泡，只需將塑料瓶倒置，將膜內(nèi)的氣泡抖入瓶?jī)?nèi)，再倒置回來(lái)后，氣泡就停留在瓶蓋的下方。因瓶蓋下方的管子較長(zhǎng)（如圖7），所以無(wú)論如何擠壓瓶子，都只有水進(jìn)出透鏡，氣泡不會(huì)進(jìn)入到水透鏡內(nèi)部。

（2）可用手?jǐn)D壓瓶子，模擬睫狀肌的工作原理：瓶子壓久了，需要一段時(shí)間才能恢復(fù)原狀，模擬近視眼的形成，從而培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的用眼習(xí)慣。

（3）結(jié)合眼球模型，形象生動(dòng)，學(xué)生易于理解。

（4）可利用攝像頭進(jìn)行投影，增加可視性：在條件受限不方便分組實(shí)驗(yàn)時(shí)，可利用儀器內(nèi)的攝像頭進(jìn)行投影演示。

（5）制作簡(jiǎn)易，成本低廉，操作簡(jiǎn)單。

3? 改“平面實(shí)驗(yàn)”為“立體實(shí)驗(yàn)”，拓展學(xué)生空間思維

物理觀念的形成總是和理想模型密不可分，而理想模型的構(gòu)建需要一定的空間思維能力。在平時(shí)的教學(xué)中，教師應(yīng)該注重拓展學(xué)生的空間思維，這對(duì)于學(xué)生學(xué)習(xí)物理有很大的幫助] 3 ]。光學(xué)的學(xué)習(xí)難點(diǎn)在于光線是在一個(gè)立體空間內(nèi)，看不見又摸不著的物理模型，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)也只是將光線呈現(xiàn)在一個(gè)平面空間內(nèi)，不利于學(xué)生空間思維的培養(yǎng)。因此，筆者嘗試將“平面實(shí)驗(yàn)”改為“立體實(shí)驗(yàn)”，來(lái)拓展學(xué)生空間思維。

案例3：探究光的折射規(guī)律實(shí)驗(yàn)

3.1? 教材處理

在探究光的反射規(guī)律時(shí)，滬科版教材中提到的將（如圖8）教具中光屏的右半部向后折，在右半邊光屏上無(wú)法看到折射光線，就證明三線在同一平面內(nèi)。筆者認(rèn)為這種驗(yàn)證方法不夠嚴(yán)謹(jǐn)，因?yàn)楫?dāng)右半邊光屏向后折時(shí)，光屏上承接不到折射光線，只能說(shuō)明折射光線沒(méi)有射向光屏的后方，但光屏的其他方位呢？所以，為了提高本實(shí)驗(yàn)探究的嚴(yán)密性，筆者是利用如下創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)組織教學(xué)。

3.2? 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

3.2.1? 制作材料

鐵架臺(tái)、平底燒瓶、重垂線、橡膠塞、滴有牛奶的水、香、激光筆。

3.2.2? 制作方法

如圖9，將裝有適量水（水中滴加幾滴牛奶）的平底燒瓶固定在鐵架臺(tái)上，瓶?jī)?nèi)掛有重垂線，起到法線的作用。瓶的兩側(cè)印有角度，用來(lái)測(cè)量折射時(shí)的入射角和折射角。

3.3? 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

（1）用香在平底燒瓶中添加煙霧。

（2）探究光從空氣斜射入水時(shí)角度的變化規(guī)律——用激光筆分別從瓶上方的不同角度，對(duì)準(zhǔn)分界面與重垂線（法線）的交點(diǎn)入射，記錄入射角、折射角。

（3）探究光從水中斜射入空氣時(shí)角度的變化規(guī)律——改變激光筆的位置，讓激光分別從瓶下方不同角度，對(duì)準(zhǔn)分界面與重垂線（法線）的交點(diǎn)入射，記錄入射角、折射角。

（4）探究光路可逆——用另一根激光筆逆著原來(lái)的折射光線射回去，觀察此時(shí)折射后的光線是否能和原來(lái)的入射光線重合。

3.4? 實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新

（1）制作簡(jiǎn)單、成本低廉。

（2）將光的折射現(xiàn)象呈現(xiàn)在立體空間內(nèi)，拓展學(xué)生的空間思維能力。

（3）可視性高，可以讓各個(gè)方向的學(xué)生都能觀察到清晰的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

結(jié)束語(yǔ)

課堂教學(xué)不僅要提高學(xué)生的學(xué)習(xí)成績(jī)，更重要的是要培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，提高學(xué)生的科學(xué)思維。在課堂教學(xué)中巧用創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，能夠使教師真正做到以學(xué)生為主體，引導(dǎo)學(xué)生在發(fā)現(xiàn)和探索問(wèn)題的過(guò)程中，把握問(wèn)題的實(shí)質(zhì)，增強(qiáng)探究體驗(yàn)，激發(fā)創(chuàng)新能力，從而促使其科學(xué)思維得到發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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[3] 肖紫珍，廖婷.物理教學(xué)中空間形象思維能力的培養(yǎng)[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2018（14）：8-9.92F9E5FE-9192-4AB4-BECC-04D2DE2161A3