“五化”物理實驗 提高課堂效率

浙江省杭州市錢塘區(qū)金沙湖實驗學校(310020) 包海霞

物理實驗在教學中起著重要的作用,它能激發(fā)學生的學習興趣、激活學生的內(nèi)驅(qū)力、培養(yǎng)學生的思維品質(zhì)、提升學生的動手能力。創(chuàng)新實驗是物理實驗中一類最特殊最典型的存在,它包括實驗裝置創(chuàng)新和教學方式方法的創(chuàng)新,創(chuàng)新使實驗操作更簡、實驗現(xiàn)象更明、實驗效果更強、實驗結(jié)論更清,更能激發(fā)學生的學習興趣和積極性,促使學生深度學習,提高實驗效率。

1 物理實驗改進存在的主要問題

物理實驗創(chuàng)新雖然作用很大,但經(jīng)筆者調(diào)查發(fā)現(xiàn),在教學過程中還是存在著一些問題,具體如下:

1.1 按部就班,不思創(chuàng)新

很多教師認為創(chuàng)新太苦且用處不大,上課時只按照教材實驗按部就班進行演示和展示,導(dǎo)致一些實驗現(xiàn)象不明顯,學生理解不透。

1.2 重視創(chuàng)新,不明方向

很多教師知道物理實驗創(chuàng)新作用很大,也重視創(chuàng)新物理實驗,但自己無法進行有效創(chuàng)新,主要原因是不清楚物理實驗創(chuàng)新的方向,所以碰到教學上的問題或難點時,教師們往往望洋興嘆。

1.3 略明方向,為改而改

部分教師有一定的創(chuàng)新方向,但只是簡單地改變一下,為改而改,無法真正發(fā)揮改進實驗的價值,無法達到現(xiàn)象更明、效果更佳、操作更易、結(jié)論更明的程度。

2 “五化”物理實驗的實踐

2.1 生活化:材料易找、成本低廉

偉大教育家陶行知說過:不以生活為目的的教育是死教育,是偽教育[1]?，F(xiàn)代的物理課堂教學中,設(shè)置情境也大多傾向于生活化情境。實驗改進方向也應(yīng)該多傾向生活化,因為生活化的實驗裝置更能激發(fā)學生的學習積極性和求知欲,讓他們一看到裝置就有探究的欲望。

在保證生活化實驗成功率和實驗效果的前提下,實驗創(chuàng)新的方向要考慮材料是否容易尋找。如在研究凸透鏡成像的本質(zhì)特點時,可以用圓柱體杯子或塑料瓶來做實驗,具體操作:①找1張有趣的圖片,要求畫面內(nèi)容上下左右都不一樣(當然也可以直接在紙上畫個箭頭),把手機放在杯子的后面, 如圖1所示;②在杯子中逐漸倒入水,可以看到如圖2所示的現(xiàn)象,發(fā)現(xiàn)圖像左右顛倒了。出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因為左右是透鏡而上下不是透鏡,反之,如果要出現(xiàn)上下顛倒而左右不顛倒,只要把杯子平放,即上下是透鏡而左右不是透鏡。繼續(xù)問:如果要出現(xiàn)上下左右都顛倒,應(yīng)該怎么做?答案很明顯:做成球形,即透鏡模樣。

圖1 空杯和圖片 圖2 加水后的成像圖

實驗的改進必須考慮實驗的成本問題。成本低廉是生活化實驗的另一大特征,成本越低,效果越好,實驗所呈現(xiàn)的性價比就越高。因此,在材料易找和效果極佳的前提下,還要考慮成本的高低,最好用生活化的廢棄物,如礦泉水瓶、小藥瓶、針筒等來創(chuàng)新實驗。如探究物體浮沉條件時,可以制作如圖3所示的浮沉子,用一透明的塑料瓶和帶有顏色的小瓶子(此實驗用的是藍色的小瓶子),這樣小瓶里水位的多少及水的進出就看得非常清楚,便于探究物體的浮沉條件。當手用力壓礦泉水瓶時,可以看到隨著手的壓力的增大,水進入小藍瓶中,小藍瓶下降,放手后,可以看到小藍瓶中的水出來,同時小藍瓶上浮,學生根據(jù)實驗現(xiàn)象很順利地得出實驗結(jié)論。

圖3 不一樣的浮沉子

2.2 生動化:現(xiàn)象有趣,沖擊力強

實驗之所以有如此大的魅力,主要源于它本身所提供或表現(xiàn)出來的生動化場景,用生動化的實驗?zāi)芩查g吸引學生的眼球,化無效為有效,化低效為高效,大大提高學生的學習興趣和學習積極性,從而提高實驗教學的有效性。

愛因斯坦說過:興趣是最好的老師?，F(xiàn)象有趣的實驗,能充分激發(fā)學生的內(nèi)驅(qū)力和求知欲,使他們要學、愿學和樂學。教師在創(chuàng)新實驗的過程中,要向著有趣的實驗方向研究,用有趣的實驗激發(fā)他們的好奇心,使他們真正的愛上物理。如影響導(dǎo)體電阻的因素一課,教材沒有設(shè)置溫度對導(dǎo)體電阻的影響實驗,教師可以設(shè)置如圖4所示的實驗[1],取節(jié)能燈的1根鎢絲,把它串聯(lián)到電路中,調(diào)節(jié)到一定的位置,合上開關(guān)使小燈泡剛好不能發(fā)光。接著用嘴吹小燈泡,會發(fā)現(xiàn)隨著嘴吹風(其實是吹在鎢絲上,使它溫度降低),小燈泡逐漸變亮,停止吹風(鎢絲溫度又升高了很多),小燈泡又滅了。從中得出:溫度是導(dǎo)體電阻的影響因素,金屬導(dǎo)體的溫度越低,電阻越小,反之就越高。

圖4 吹亮的電珠

實驗創(chuàng)新應(yīng)該向沖擊力強的方向研究,用視覺沖擊很強的實驗來震撼學生的心靈,能引發(fā)學生的認知沖突,快速擊碎錯誤前概念,促使他們對知識、概念和規(guī)律的快速理解和建構(gòu),同時,因為震撼,在他們心目中留下深刻的印象,促進思維品質(zhì)的提升。如熱機一課,做功沖程很難演示,教師可以自制如圖5所示的實驗,找1個長嘴打火機,在長嘴上用熱熔膠粘上1段6分管,接著找來個礦泉水瓶,里面放1 mL酒精,振蕩并甩干酒精,再把長嘴打火機套在瓶內(nèi),點火,可以聽到“嘣”的一聲巨響,同時看到礦泉水瓶飛出去了20多米遠,此時,學生真正理解了做功沖程的原理和意義。

圖5 做功沖程裝置

2.3 簡約化:簡潔明了,操作簡單

實驗裝置越簡單、操作步驟越簡便、材料種類越少,實驗成功率就越高,因此,實驗改進方向也要向簡約化發(fā)展。

簡潔明了就是實驗現(xiàn)象要明顯,同時實驗步驟、實驗材料等不要太麻煩,實驗結(jié)論也要努力做到一看就懂,一看就清楚且結(jié)論準確可靠。如在研究氣體對外做功和外界對氣體做功實驗時,我們可以創(chuàng)新做這樣一個實驗:先在紙巾上涂一些變溫油墨,然后把它晾干后放入針筒中,用手將針筒活塞向內(nèi)擠壓(外界對氣體做功),可以看到油墨顏色很快由紅色變成黃色,如圖6～8所示,接著用手向外拉針筒活塞(氣體對外做功),可以看到油墨顏色又由黃色很快變成紅色。同時可以發(fā)現(xiàn),壓縮得越厲害,變黃速度越快,也即溫度越高,這也為汽油機和柴油機的區(qū)別--有無火花塞打下基礎(chǔ)。

對于實驗來說,操作越簡單越好,這樣既節(jié)省時間,成功率也會大大提高。如當飛行員從右側(cè)舷窗看到的“天地分界線”如圖9(b)所示時,飛機可能在( )

圖9 天地分界線圖示

A．斜向上爬升 B．斜向下俯沖

C．豎直向上爬升 D．豎直向下俯沖

在解答此題目時,很多教師很難找到好的講解方法,而且在教師講解后學生聽了還是云里霧里,不能真正理解為什么會選B。教師可以用如圖10所示的實驗來解決此問題,具體操作如下:①按圖10(a),在手機下面放1本書,用書邊緣當作地平線,用手機代表飛機右側(cè)舷窗;②斜向下俯沖手機,如圖10(b)所示,拍個照片;③把手機放正了,如圖10(c)所示,可以看到此時的照片與圖9(b)一致,所以答案就是B。

圖10 用手機創(chuàng)新實驗解釋題目答案

2.4 數(shù)字化:數(shù)字傳感,精準測量

對于物理實驗來說,有時僅僅停留在實驗現(xiàn)象上是不夠的,如要得出作用力與反作用力之間的大小關(guān)系、最大靜摩擦力與滑動摩擦力大小之間的關(guān)系等,這時往往需要精確的數(shù)據(jù)作為支撐進行分析,從而得出結(jié)論和規(guī)律。

用數(shù)字傳感器(如朗威傳感器)能解決很多傳統(tǒng)物理實驗解決不了的問題,如在研究最大靜摩擦力與滑動摩擦力時,可以使用如圖11所示的裝置,用1個朗威力學傳感器、1塊木頭、1塊木板、1臺計算機,連接好這些實驗器材后用手開始拉下面的木板,直接拉走為止,此時,可以在電腦上看到如圖12所示的圖像,通過分析,很明顯,靜摩擦力開始隨著拉力的增大而增大,當達到最大值時,就變成了滑動摩擦力,此時的摩擦力,很明顯比最大靜摩擦力要小。

圖11 靜摩擦力與滑動摩擦力裝置 圖12 摩擦力圖像

2.5 探究化:改變方式,探究實踐

實驗改進不但要從硬件(如材料、裝置等)方面改進,有時也要多往軟件(如實驗呈現(xiàn)的方式,實驗的種類)等方面改進。用硬件使實驗效果更好、實驗現(xiàn)象更明、實驗結(jié)論更準,用軟件使實驗聚焦高階思維,促進深度學習。軟硬件的高度融合,真正促進實驗教學的高效性。

改變方式就是把驗證性實驗改成探究性實驗,這樣能更好地讓學生分析、評價和創(chuàng)造,更好地培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力,在培養(yǎng)能力的同時,也培養(yǎng)思維。如在做覆杯實驗時,為了證明紙張是大氣壓壓住的而不是水吸住的,可以改變教學方式。先讓學生自己猜測是什么原因?qū)е录埌鍥]掉下來?在學生猜測有可能是水把紙板吸住,也有可能是大氣把紙板壓住后,讓學生針對猜測設(shè)計實驗方案,學生設(shè)計出的實驗方案如下:一是把紙片換成是不能被水吸住的塑料片甚至是鐵片,看是否掉下;二是在杯的底部先鉆個洞,先用手指堵住洞做覆杯實驗,當覆杯實驗成功時,把手指放掉,看紙片是否掉下;還有一種是把覆杯實驗裝置放入鐘罩中,抽氣,看紙片是否掉下。

探究實踐是科學核心素養(yǎng)之一,也是物理實驗的基礎(chǔ)和核心所在。在物理實驗中,盡量把教師的演示實驗改成學生的分組探究實驗,讓學生在沉浸式、具身性的實踐研究中找出規(guī)律和得出結(jié)論。如在研究近視和遠視成因及矯正的課中,教師往往是演示實驗或不做實驗,此時,教師可以自制水透鏡,讓學生把水透鏡放在光具座上,自主合作探究近視遠視的成因,如往水透鏡中注水或抽水,發(fā)現(xiàn)像都變模糊了,往水透鏡中注水,而在水透鏡與物體(F光源)之間放一個學生戴的近視眼鏡鏡片,發(fā)現(xiàn)像又變清晰了。

3 反思提高

3.1 實驗要做到“三做”

實驗在物理教學中有著非常重要的作用,因此,作為物理教師,應(yīng)該努力做到“三做”實驗,即多做、真做和巧做。多做是教材實驗必須做,分組實驗一定做,能做的一定做,不能做的積極為學生創(chuàng)造條件做。真做是一定要真真實實地做,認認真真地做。巧做就是要按照五化實驗創(chuàng)新方向,利用創(chuàng)新實驗的高見度效果,巧妙地做實驗。

3.2 創(chuàng)新實驗要多讓學生參與

現(xiàn)階段大多數(shù)創(chuàng)新或改進實驗基本都是由教師完成,然后拿到課堂上去演示,其實我們應(yīng)該在遵循“五化”方向改進的基礎(chǔ)上,多讓學生參與實驗的改進與創(chuàng)新,如對難的實驗可以使用教師主導(dǎo)、學生輔助的方法;對于相對簡單的實驗,可以完全讓學生自主創(chuàng)新、自主家庭實驗;針對一些習題資料的實驗,也可以讓學生自己制作實驗來分析問題和解決問題。

3.3 創(chuàng)新實驗要與課堂深度融合

實驗最終是為課堂服務(wù),為學生的素養(yǎng)提升服務(wù)。因此,創(chuàng)新實驗不能因改而改,要努力做到創(chuàng)新實驗與課堂的深度融合,一方面要考慮學生的學情,要依據(jù)學情而設(shè);另一方面要考慮知識與實驗的融合,做到完美結(jié)合,無縫鏈接,當然,在融合的前提下,最好多挖掘?qū)嶒灡旧淼膬r值,使得它更好為課堂服務(wù)。