開(kāi)發(fā)低成本創(chuàng)新演示實(shí)驗(yàn)，突破物理思維障礙

劉建政

【摘要】高中物理課程的目的是讓學(xué)生更好地掌握科學(xué)知識(shí)，并能更好地發(fā)展他們的科學(xué)素養(yǎng).然而，由于學(xué)生的認(rèn)知水平、課程內(nèi)容及教師的教學(xué)方式等因素的影響，學(xué)生普遍感到高中物理難學(xué).本文研究如何開(kāi)發(fā)低成本創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，以幫助學(xué)生突破物理學(xué)習(xí)中的思維障礙.

【關(guān)鍵詞】思維障礙；高中物理；創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

物理學(xué)是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，學(xué)生存在物理學(xué)習(xí)上的思維障礙，主要原因有：物理概念本身的抽象性、學(xué)生受到先入為主的前概念的影響以及教師的教學(xué)方式等.教師若能采取有效的教學(xué)策略，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)更多地進(jìn)行直觀形象思維，將有利于突破教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)，有利于突破物理思維上的障礙.

在教學(xué)過(guò)程中需要教師積極創(chuàng)造實(shí)驗(yàn)條件，用日常生活器具做實(shí)驗(yàn)，開(kāi)發(fā)低成本演示實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的直觀形象思維能力，從而突破物理思維障礙.低成本實(shí)驗(yàn)的取材可以是身邊的日常用品，也可以是手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等電子產(chǎn)品，也可以是高科技產(chǎn)品.就地取材更貼近學(xué)生的生活，更有親切感.多渠道的開(kāi)發(fā)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，低成本物理實(shí)驗(yàn)是一種重要的課程資源.

1?高中物理學(xué)習(xí)中常見(jiàn)的思維障礙

高中學(xué)生常見(jiàn)的思維障礙有：日常經(jīng)驗(yàn)的影響，前科學(xué)概念等.舉例如下：重的物體比輕的物體下落快；有力的作用物體才會(huì)運(yùn)動(dòng)，沒(méi)有力的作用物體就會(huì)停止；光的傳播速度與參考系的選取有關(guān)；物體沖上斜面是因?yàn)槭艿揭粋€(gè)向上的沖力等，從而得出錯(cuò)誤的結(jié)論.開(kāi)發(fā)低成本實(shí)驗(yàn)是突破物理思維障礙的有效方法.

2?開(kāi)發(fā)低成本創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，突破物理思維障礙

2.1?火車(chē)轉(zhuǎn)彎問(wèn)題的演示實(shí)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)

在“生活中的圓周運(yùn)動(dòng)”一節(jié)的教學(xué)中，火車(chē)轉(zhuǎn)彎問(wèn)題是教學(xué)難點(diǎn)，學(xué)生對(duì)火車(chē)轉(zhuǎn)彎處的鐵軌沒(méi)有直觀的認(rèn)識(shí).學(xué)生沒(méi)有見(jiàn)過(guò)火車(chē)輪子的結(jié)構(gòu)，對(duì)輪緣的結(jié)構(gòu)更是一無(wú)所知，為什么在轉(zhuǎn)彎處要外高內(nèi)低，學(xué)生難以理解，因此給學(xué)生學(xué)習(xí)這部分內(nèi)容帶來(lái)很大的困難.在什么情況下內(nèi)側(cè)鐵軌對(duì)輪緣有向外的側(cè)向壓力，什么情況下外側(cè)鐵軌對(duì)輪緣有向內(nèi)的側(cè)向壓力？為了使學(xué)生能有直觀的感受，筆者做了一個(gè)火車(chē)彎道的模型，如圖1所示，教學(xué)效果非常好.取材簡(jiǎn)單，小制作大智慧，體現(xiàn)了物理知識(shí)是來(lái)源于生活的.

2.2?“落磁實(shí)驗(yàn)”的開(kāi)發(fā)研究

人教版選修3-2“楞次定律”，這一節(jié)的內(nèi)容非常抽象，為了給學(xué)生直觀的感受，筆者設(shè)計(jì)了以下演示實(shí)驗(yàn).

器材?一根鋁合金管（長(zhǎng)約1m），一塊磁鐵，一個(gè)砝碼.如圖2

實(shí)驗(yàn)?zāi)康?通過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生親身感觸 “阻礙”的效果，給學(xué)生直觀形象的感受.

準(zhǔn)備階段?購(gòu)買(mǎi)一根長(zhǎng)約1m的鋁合金管，一塊磁鐵.實(shí)驗(yàn)結(jié)果是磁鐵在鋁合金管中下落很快，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯.筆者總結(jié)了不成功的原因：一是鋁合金管的管壁太薄，合金的電阻率過(guò)大，導(dǎo)致電阻大，產(chǎn)生的渦流太弱；二是磁鐵的磁性太弱，普通的磁鐵不能滿(mǎn)足要求.

重新購(gòu)買(mǎi)一個(gè)強(qiáng)磁鐵最大磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.5T）和一個(gè)外徑20mm、內(nèi)徑18mm左右的鋁管，重新做了這個(gè)實(shí)驗(yàn).

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象?讓磁鐵由靜止從管口下落，磁鐵在鋁管內(nèi)的下落時(shí)間長(zhǎng)達(dá)6s左右（砝碼只需用0.5s），說(shuō)明磁鐵的下落時(shí)非常緩慢的，同時(shí)也說(shuō)明鋁管對(duì)磁鐵產(chǎn)生了阻礙其運(yùn)動(dòng)的作用.

課堂演示?在演示實(shí)驗(yàn)中讓學(xué)生上臺(tái)配合完成操作，第一次用一個(gè)砝碼，學(xué)生很快就接到了砝碼（大約需要0.5s）；第二次用磁鐵重復(fù)上面的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生等了較長(zhǎng)的時(shí)間才接住磁鐵（大約需要6s）.這個(gè)等待的過(guò)程會(huì)給學(xué)生深刻的印象.

通過(guò)自制的落磁實(shí)驗(yàn)教具，學(xué)生看到震撼的現(xiàn)象，使得直觀形象思維與抽象思維有機(jī)結(jié)合，學(xué)生對(duì)理解楞次定律中的“阻礙”有了深刻的認(rèn)識(shí).

2.3?體驗(yàn)靜摩擦力的演示實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

將兩本書(shū)一頁(yè)一頁(yè)地交叉對(duì)插，找力氣最大的兩個(gè)同學(xué)各自抓住一本書(shū)的書(shū)脊用力對(duì)拉，結(jié)果用很大的力氣也拉不開(kāi).提出問(wèn)題：這是什么力在起作用呢？引入靜摩擦力的概念，可以極大地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的熱情.還可以結(jié)合一段視頻，激發(fā)學(xué)生的興趣，用兩輛車(chē)向兩個(gè)相反的方向拉，費(fèi)了很大力氣才拉開(kāi).這樣引入靜摩擦力可以給學(xué)生留下難忘的印象.

2.4?電磁爐的模型

在學(xué)習(xí)人教版選修3-2“渦流”一節(jié)的內(nèi)容時(shí)，為了給學(xué)生直觀的信息，尋找一個(gè)廢舊的電磁爐，把上面的隔熱板打開(kāi)，展示給學(xué)生研究，可以清楚地看到大量的線(xiàn)圈.學(xué)生對(duì)理解電磁爐的工作原理，有了直觀的感性認(rèn)識(shí)，電磁爐的加熱部分不是隔熱板，而是交流電產(chǎn)生的變化的磁場(chǎng)在鍋底產(chǎn)生的渦流.

2.5?利用激光筆做雙縫干涉實(shí)驗(yàn)及單縫衍射實(shí)驗(yàn)

做雙縫干涉實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以用做雙縫干涉實(shí)驗(yàn)儀器的雙縫、單縫和激光筆，也可以用刀片劃出單縫和雙縫.學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中把干涉圖樣呈現(xiàn)在天花板上，或者墻壁上，就能進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)條紋的間距與光屏的遠(yuǎn)近是有關(guān)系的，直觀地理解了雙縫間距與雙縫到屏的距離的關(guān)系.

這個(gè)實(shí)驗(yàn)所需要的器材很容易得到，而且實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象非常明顯，學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情也很高.

2.6?利用智能手機(jī)設(shè)計(jì)測(cè)重力加速度的實(shí)驗(yàn)

用手機(jī)軟件Phyphox（是一款專(zhuān)門(mén)針對(duì)物理學(xué)實(shí)驗(yàn)打造的移動(dòng)手機(jī)應(yīng)用），調(diào)用手機(jī)的傳感器測(cè)量手機(jī)的加速度.在地面上提前放置一軟墊，讓手機(jī)做自由落體運(yùn)動(dòng)下落到軟墊上，從手機(jī)軟件上得到a-t圖像，發(fā)現(xiàn)手機(jī)下落過(guò)程中加速度不隨時(shí)間改變，選擇“選取數(shù)據(jù)”并點(diǎn)擊曲線(xiàn)的某點(diǎn)，可以看到手下落過(guò)程中手機(jī)在該時(shí)刻的加速度約為9.7m/s2，實(shí)驗(yàn)過(guò)程向?qū)W生展示軟件中可以調(diào)用的傳感器，向?qū)W生提供豐富的可用工具，為以后開(kāi)展實(shí)驗(yàn)提供素材儲(chǔ)備.多種信息技術(shù)融合開(kāi)展物理教學(xué)，既傳承了傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)的思想和方法，也提供了新的實(shí)驗(yàn)手段和方案，有利于學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的提升.

在教學(xué)過(guò)程中開(kāi)發(fā)的一些低成本實(shí)驗(yàn)，在課堂教學(xué)過(guò)程中取得了很好的教學(xué)效果，承載了獨(dú)特的教育價(jià)值—取材方便、動(dòng)手動(dòng)腦、貼近生活、培養(yǎng)創(chuàng)新能力等，這正是低成本實(shí)驗(yàn)的魅力所在.而且利用手機(jī)開(kāi)發(fā)低成本實(shí)驗(yàn)，更容易激發(fā)起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.

3?結(jié)語(yǔ)

在高中物理教學(xué)中，要盡量創(chuàng)造條件做物理實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生的物理形象思維獲得正常的發(fā)展；創(chuàng)造性地開(kāi)展演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)，用常見(jiàn)的日常生活用品和智能手機(jī)設(shè)備自制教具，直觀形象地說(shuō)明深?yuàn)W的物理問(wèn)題，幫助學(xué)生疏通認(rèn)知障礙，形成科學(xué)觀念.開(kāi)發(fā)低成本實(shí)驗(yàn)不僅環(huán)保經(jīng)濟(jì)，還可以讓學(xué)生從生活的角度理解物理知識(shí)的深刻內(nèi)涵，真正體驗(yàn)“從生活走向物理，從物理走向社會(huì)”的教學(xué)理念.

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