從實(shí)驗(yàn)方法的角度引導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

郭梅帶

(廣東省中山市中山紀(jì)念中學(xué)火炬一中, 廣東 中山 528400)

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2022年版)》中提出:“引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究過程,學(xué)習(xí)科學(xué)研究方法,培養(yǎng)科學(xué)思維習(xí)慣,進(jìn)而學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)……”.由此可見,“引導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)”在新課程改革的背景下已是迫在眉睫[1].筆者結(jié)合自己多年的教學(xué)實(shí)踐,將從多種實(shí)驗(yàn)方法的角度來引導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)展開討論.

1 從控制變量法的角度,引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

控制變量法是科學(xué)探究中的重要思想方法,它在物理學(xué)的科學(xué)探究和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用特別廣泛.控制變量法是指:在研究某個(gè)問題(如物理量等)與兩種或兩種以上因素的關(guān)系時(shí),每次只改變一個(gè)因素,其他因素保持不變,通過分析這個(gè)改變的因素與所研究問題之間的關(guān)系,再綜合分析得出結(jié)論(或規(guī)律).

例如在“研究液體壓強(qiáng)大小的實(shí)驗(yàn)”活動(dòng)中,學(xué)生猜想:①可能跟浸入液體的深度有關(guān);②可能跟液體密度大小有關(guān);③可能跟方向有關(guān).要驗(yàn)證上述猜想是否正確,如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)?先讓學(xué)生討論,然后教師引導(dǎo)提問:怎樣判斷液體壓強(qiáng)大小?要驗(yàn)證猜想①該怎樣做?要驗(yàn)證猜想②又如何設(shè)計(jì)?引導(dǎo):要用兩種液體,只改變液體密度,而控制深度和方向均不變;要驗(yàn)證猜想③就要控制液體密度和深度不變,只改變橡皮膜的方向做實(shí)驗(yàn).引導(dǎo)學(xué)生分析后選擇器材:兩種或以上密度不同的液體、液體壓強(qiáng)計(jì)、燒杯.通過教師恰當(dāng)?shù)囊龑?dǎo),學(xué)生就能設(shè)計(jì)出完整且科學(xué)合理的實(shí)驗(yàn)方案,在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的過程中又兼顧了思維方法.通過以上問題的提出和分析討論,學(xué)生對整個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的過程和方法都有了清晰的認(rèn)識(shí),接下來的實(shí)驗(yàn)和收集數(shù)據(jù)就相對容易完成,也為接下來的科學(xué)探究過程奠定了基礎(chǔ).

2 從轉(zhuǎn)換法的角度,引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

在保證效果不變的前提下,物理學(xué)中對于一些看不見摸不著的現(xiàn)象或不易直接測量的物理量,通常用一些非常直觀的現(xiàn)象去認(rèn)識(shí)或用易測量的物理量間接測量,這種研究問題的方法叫轉(zhuǎn)換法.

初中物理利用轉(zhuǎn)換法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究的實(shí)例很多,例如探究阻力對物體運(yùn)動(dòng)的影響實(shí)驗(yàn)中,引導(dǎo)學(xué)生通過小車在不同表面上運(yùn)動(dòng)的距離來反映阻力對物體運(yùn)動(dòng)的影響情況,探究電磁鐵磁性的強(qiáng)弱實(shí)驗(yàn)中,引導(dǎo)學(xué)生通過吸引大頭針的多少來反映磁性強(qiáng)弱,探究影響壓力作用效果的因素實(shí)驗(yàn)中,利用小桌陷入海綿的深度來判斷壓力的作用效果等.在上述測液體壓強(qiáng)大小與什么因素有關(guān)的實(shí)驗(yàn)中,我們將液體的壓強(qiáng)轉(zhuǎn)換成我們能看到的液柱高度差的變化.再如,在探究不同物質(zhì)吸熱情況的實(shí)驗(yàn)中,水和食用油吸收熱量的多少無法直接觀測和比較,在引導(dǎo)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過程中如何將“兩種物質(zhì)吸收熱量的多少”反映出來,這就需要用到轉(zhuǎn)換法.首先引導(dǎo)學(xué)生思考選擇的加熱器是相同還是不相同?為什么選相同?學(xué)生就會(huì)思考到:選規(guī)格相同的電加熱器目的是使水和食用油每秒鐘吸收的熱量相同.因此,學(xué)生在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)自然就想到物質(zhì)吸熱的多少轉(zhuǎn)換成加熱時(shí)間的長短來表示.接著,再進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生思考:如何判斷物質(zhì)的吸熱能力?學(xué)生討論得出結(jié)果:①加熱相同的時(shí)間,比較升高的溫度;②升高相同的溫度,比較加熱的時(shí)間.通過這樣引導(dǎo)學(xué)生思考,轉(zhuǎn)換的思維方法得到訓(xùn)練,學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的能力也同時(shí)提高.

3 從比值替換法的角度,引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

很多測量型的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)需要用比值替換法來思考.在引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí),教師提出疑問:實(shí)驗(yàn)中要測量的物理量如果無法直接測量應(yīng)該怎么辦?引導(dǎo)學(xué)生改變角度,用另外兩個(gè)可以直接測量的物理量之“比”來替換這個(gè)難以直接測量的物理量,在初中物理實(shí)驗(yàn)中的電阻、功率、壓強(qiáng)、密度、速度等物理量的測量,都應(yīng)用了比值替換法.

例如,在“伏安法測小燈泡的電阻”實(shí)驗(yàn)中,學(xué)生實(shí)驗(yàn)器材中沒有測量電阻的電阻表這個(gè)儀器,教師引導(dǎo)學(xué)生思考要根據(jù)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)器材或能夠直接測量的物理量來替換小燈泡的電阻這個(gè)物理量.教師可以提出以下問題來引領(lǐng)學(xué)生思考,并自主設(shè)計(jì)完整的實(shí)驗(yàn)方案.①這個(gè)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理,即電阻的計(jì)算公式是什么?②根據(jù)這個(gè)公式,要測出小燈泡的電阻,需要測出相關(guān)的物理量有哪些?③測這兩個(gè)物理量需要用到什么儀器?④在什么條件下測出的電阻才是小燈泡的額定電阻?⑤如何改變小燈泡兩端的電壓?我們需要用到什么實(shí)驗(yàn)器材?⑥滑動(dòng)變阻器與小燈泡是串聯(lián)還是并聯(lián)?最后要求學(xué)生根據(jù)上述提示,來設(shè)計(jì)測量小燈泡電阻的電路圖和實(shí)驗(yàn)方案,并依據(jù)設(shè)計(jì)的電路圖連接實(shí)驗(yàn)器材完成測量.教師通過循序漸進(jìn)的設(shè)問,指引學(xué)生巧妙深入地探究,使學(xué)生逐漸認(rèn)識(shí)到如何依據(jù)實(shí)驗(yàn)原理中需要測量的物理量來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì).同時(shí),學(xué)生在思考要素的過程中,也能對實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法有完整且清晰的認(rèn)識(shí),自然形成了分析問題的方法.

4 從等效替代法的角度,引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

研究某一個(gè)物理現(xiàn)象和規(guī)律時(shí),在保證某種效果(特性和關(guān)系)相同的前提下,將實(shí)際的、陌生的、復(fù)雜的物理問題和物理過程用等效的、簡單的、易于研究的物理問題和物理過程來代替研究和處理的方法得到結(jié)論,這種方法叫“等效替代法”[2].此方法如果運(yùn)用恰當(dāng),不僅能簡化研究問題,更容易得出結(jié)論,而且易被學(xué)生接受和理解.

例如在“測量固體的密度”實(shí)驗(yàn)中,小礦石的體積不規(guī)則,不能直接用公式計(jì)算出它的體積,從數(shù)學(xué)的角度難以測量.教師可以引導(dǎo)學(xué)生討論得到小礦石所占空間大小就是它的體積,并得出用液體的體積來等效替代固體的體積.具體做法是:學(xué)生先用量筒測出一部分水的體積,然后把細(xì)線系好的小礦石緩慢放入裝水的量筒中,所增加的體積就等于小礦石的體積.采用等效替代法測量的體積簡潔而精確.在初中物理課堂上,教師應(yīng)有意識(shí)地培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的等效替代思維,這樣有利于提升學(xué)生對物理現(xiàn)象和問題實(shí)質(zhì)的理解,同時(shí)也有助于物理課堂教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成.另外,應(yīng)用等效替代法有助于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和激發(fā)學(xué)生科學(xué)探究的欲望,提升學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng).

5 從對比法的角度,引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

初中物理更多的是視覺認(rèn)知,物理教材中有大量演示實(shí)驗(yàn)和學(xué)生實(shí)驗(yàn),這些實(shí)驗(yàn)的結(jié)論大部分都是通過對比法得出的:通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的對比提出猜想,通過改變前后的條件,對比實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,得出結(jié)論.

例如,探究“阻力對物體運(yùn)動(dòng)的影響”實(shí)驗(yàn),牛頓第一定律的內(nèi)容與學(xué)生日常生活體驗(yàn)的認(rèn)知完全相反,為了讓學(xué)生更快地理解并通過實(shí)驗(yàn)探究得出牛頓第一定律,如圖1所示,通過在斜面相同高度滑下的同一小車,對比小車在鋪毛巾、鋪棉布以及鋪玻璃表面滑行距離的長短,引導(dǎo)學(xué)生得出小車滑行過程中受到的阻力越小,運(yùn)動(dòng)的距離越長.引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步推理出在理想狀態(tài)下:如果小車在絕對光滑的水平面上運(yùn)動(dòng),即沒有受到任何阻力的情況下,小車將會(huì)一直運(yùn)動(dòng)下去,即保持勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變.讓學(xué)生在對比中得出結(jié)論,符合新課改讓學(xué)生在自主學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)和交流合作中 ,經(jīng)歷知識(shí)獲取的過程.

6 從放大法的角度,引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

有些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象我們能看到,但是不容易觀察,我們需要將產(chǎn)生的效果進(jìn)行放大再進(jìn)行研究.

例如,正在發(fā)聲的音叉其震動(dòng)難以觀察,教師可以先讓學(xué)生觸摸發(fā)聲的音叉,感受發(fā)聲的物體在震動(dòng),接著演示把震動(dòng)的音叉放進(jìn)水中,讓學(xué)生觀看水被濺起,引發(fā)學(xué)生思考:如何把微小的音叉震動(dòng)放大?學(xué)生很容易想到利用乒乓球或小泡沫球?qū)F(xiàn)象放大.發(fā)聲的音叉輕觸系在細(xì)繩上的乒乓球,球被彈起說明音叉正在振動(dòng),用力敲音叉響度大,乒乓球彈的遠(yuǎn),輕敲音叉響度小,彈的近,說明響度大小與振幅有關(guān).再如,觀察壓力對玻璃瓶的作用效果時(shí)我們將玻璃瓶密閉,裝水,插上一個(gè)細(xì)玻璃管,將玻璃瓶的形變引起的液面變化放大成細(xì)玻璃管液面的變化.放大法與比較法一樣,也是物理實(shí)驗(yàn)中最普遍、最基本的實(shí)驗(yàn)方法之一.

7 綜合運(yùn)用多種研究方法,引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

除了上述討論到的實(shí)驗(yàn)方法外,初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中還會(huì)用到很多其它方法,例如圖像法、模型法、科學(xué)推理法等.有些比較復(fù)雜的物理問題,不能用一種方法來解決,而要用到多種物理研究方法.

例如,在“探究電磁鐵磁性的強(qiáng)弱”教學(xué)中,難點(diǎn)是電磁鐵磁性的強(qiáng)弱怎么體現(xiàn)?學(xué)生猜想出電磁鐵磁性強(qiáng)弱可能跟電流大小和線圈匝數(shù)有關(guān)后,引導(dǎo)學(xué)生思考:

(1)如何判斷電磁鐵磁性的強(qiáng)弱?讓學(xué)生明白在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中要用到兩種探究方法:控制變量法和轉(zhuǎn)換法.當(dāng)研究電磁鐵磁性的強(qiáng)弱跟電流大小的關(guān)系時(shí),要控制線圈匝數(shù)相同;當(dāng)研究電磁鐵磁性的強(qiáng)弱跟線圈匝數(shù)的關(guān)系時(shí),要控制電流大小相同;而電磁鐵磁性的強(qiáng)弱不能直接看出,如何判斷強(qiáng)弱?通過每次實(shí)驗(yàn)的引導(dǎo),學(xué)生很容易就能想到通過吸引大頭針的數(shù)量來反映.

(2)要選用哪些實(shí)驗(yàn)器材?引導(dǎo)學(xué)生思考:實(shí)驗(yàn)時(shí),怎樣改變電流大小?(串聯(lián)滑動(dòng)變阻器來調(diào)節(jié));改變線圈匝數(shù)時(shí)又如何保持電流相同?(把兩個(gè)電磁鐵串聯(lián)),而保持電流相同時(shí)又如何改變線圈匝數(shù)?(用兩個(gè)匝數(shù)不同的電磁鐵).通過以上引導(dǎo)分析,學(xué)生容易正確地選擇實(shí)驗(yàn)器材.讓學(xué)生掌握物理研究方法,容易明白制定計(jì)劃與設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的整個(gè)過程,順利完成實(shí)驗(yàn).

通過多種實(shí)驗(yàn)方法從多方面引導(dǎo),讓學(xué)生去經(jīng)歷過程,是做好實(shí)驗(yàn)教學(xué)的第一步,也是培養(yǎng)學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ年P(guān)鍵一步.初中物理教學(xué)中要增強(qiáng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué),注重培養(yǎng)學(xué)生的探究能力,使學(xué)生由被動(dòng)的“要我學(xué)”轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)的“我要學(xué)”,使學(xué)生的思維能力、實(shí)踐能力和探究能力得到真正的提高,最終提升學(xué)生的綜合能力.