陳蒼鵬

(杭州市十三中教育集團，浙江 杭州 310012)

·初中園地·

例析初中物理微實驗設(shè)計創(chuàng)新幾個方法

陳蒼鵬

(杭州市十三中教育集團，浙江 杭州 310012)

在物理教學(xué)中我們經(jīng)常借助于實驗來探究規(guī)律,使抽象的規(guī)律變得更加直觀．通過微材料開發(fā)、過程微拓展、方法微創(chuàng)新、手段微創(chuàng)意等方式來激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識等.物理微實驗創(chuàng)新設(shè)計探索各種新方式,更大限度地發(fā)揮實驗在物理教學(xué)中的作用．

物理教學(xué);微實驗設(shè)計;創(chuàng)新方法

實驗是物理教育中的重要方法,它不僅承載一定的科學(xué)知識, 而且蘊含著科學(xué)素質(zhì)、科學(xué)思維方法、科學(xué)研究能力等核心素養(yǎng)．在科學(xué)技術(shù)發(fā)達的當(dāng)今,實驗教學(xué)仍然保持旺盛的生命活力,因此,我們必須對實驗教學(xué)繼續(xù)思考并著力有效地推進實驗教學(xué)．課堂教學(xué)中實驗設(shè)計一般是基于教材實驗并以教材的實驗為背景,其功能主要是用于幫助學(xué)生建立概念,突破教學(xué)重點與難點．

1 微材料:取材簡單激活興趣

在物理教學(xué)實驗設(shè)計中,實驗材料的選取和獲得是實驗是否成功的一個重要因素．學(xué)生對于物理學(xué)既好奇又膽怯,以為物理很難學(xué),物理實驗更是難上加難．實際上,許多初中物理實驗的材料在我們身邊隨處可找,依據(jù)一定的物理原理,設(shè)計好一定的實驗方案后,或者根據(jù)平時自己的觀察與留意,根據(jù)材料的性能,結(jié)合所學(xué)的物理原理,可以開發(fā)很多的微實驗,來幫助攻克學(xué)習(xí)的重點與難點,有效地激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣．

圖1

案例1.鯉魚跳龍門.

在學(xué)習(xí)流體流速與壓強的關(guān)系時,教師創(chuàng)設(shè)情景:鯉魚跳龍門．讓硬幣代替鯉魚,用牙簽等材料制作一個個龍門,讓學(xué)生吹氣使“鯉魚”跳過“龍門”,如圖1所示．學(xué)生做如下操作:將牙簽等“龍門”按高度關(guān)系,隔一定的距離分擺在桌面上并固定牢,寓意依次為一級龍門、二級龍門……將硬幣放在牙簽前,在其上方用力水平吹氣,硬幣便可一躍而起,跳過“龍門”．隨著氣流的大小變化,躍起的高度也會相應(yīng)變化．掌握吹氣力度,看誰能使硬幣躍過更高級的“龍門”．

空氣流速與壓強的關(guān)系為:流速越大,壓強越?。?dāng)用力在硬幣上方水平吹氣時,硬幣上方的空氣流速大,壓強就減小了,使得硬幣上下壓強不等,硬幣下方向上的大氣壓力大于硬幣上方向下的壓力和重力,就把硬幣向上抬起,成躍起的姿勢．

圖2

案例2.制作降落傘.

我們在學(xué)習(xí)了“流速越大壓強越小”的原理之后,還可以引導(dǎo)學(xué)生做以下實驗:用A4紙制作降落傘(如圖2),降落傘在下落的過程中,總是左右不停地晃動,這是為什么呢?學(xué)生經(jīng)過合作交流后,認為“降落傘”在下降的過程中,“降落傘”的周邊空氣流速大,壓強較小,隨著“降落傘”的下降,便形成一個“旋渦”,降落傘處于旋渦之中, 這樣降落傘當(dāng)然就不穩(wěn)定．在教師的啟發(fā)下,學(xué)生悟到,只要在降落傘的頂部剪一個小孔,空氣就會往小孔處流,就破壞了原來的旋渦,降落傘就平穩(wěn)下落．在實驗中,這個小孔的大小也要合理,不宜太大,也不能太?。?/p>

物理實驗設(shè)計從某種意義上講,就是材料的選擇和組織,對于某個物理原理來說是既定的,但可以選擇的材料很多,不同的教師由于教學(xué)理念、教學(xué)經(jīng)驗不同以及學(xué)校的教學(xué)條件不同,可以選擇不同的材料．對于教學(xué)材料的選擇,需要教師個人或者教研組作深入的思考和選擇,使實驗更加完美．

2 微拓展:提升思維能力

實驗拓展的方法很多,可以按照教材上的物理知識點進行拓展,也可以把生活和社會中的科學(xué)現(xiàn)象以及與物理知識有關(guān)的問題作為實驗內(nèi)容,以拓寬實驗的視野,激發(fā)學(xué)生探究的欲望,提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)、培養(yǎng)學(xué)生的探究能力．

案例3.魔力紙——壓強拓展.

“壓力與壓強”是初中物理中一個重要的單元,其中可以拓展的東西還是很多的．學(xué)生已知壓強與“受力面積、壓力大小”有關(guān),那么,物體承受壓力大小與物體的形狀和結(jié)構(gòu)有關(guān)嗎?引導(dǎo)學(xué)生首先進行受力分析,例如拱形物體能把外來的壓力向兩側(cè)分散,因此會承受較大的壓力,如拱形橋其承壓能力就大大地增大;L形物體也能將力分散到不同部位,也能承受較大的壓力,如L形鋼鐵其承壓能力就強．據(jù)此,我們進一步引導(dǎo)學(xué)生進行自主設(shè)計、自主探究、自主評價,用實驗來論證“物體的形狀和結(jié)構(gòu)影響其承受壓力的大小”．學(xué)生實驗過程和方法如下:取兩本較厚的書本平放在書桌上(圖3),把紙條搭在兩本書中間,在紙條上放上一塊橡皮,不斷改變紙條的形狀,觀察不同形狀的紙條所能承受的壓力的大?。?/p>

A. 紙條平放時被壓下來 B. 紙條拱形能托住橡皮 C. L形紙條能托住橡皮

案例4.測量密度——氣壓拓展.

學(xué)生們在測量小石塊的密度后,教師提供大米,讓學(xué)生們測量大米的密度．學(xué)生發(fā)現(xiàn)用天平可以測得質(zhì)量,由于米粒間存在較大間隙,直接用量筒測量大米體積,測量值比實際值大,但是用排水的方法測量大米的體積,由于大米容易吸水,顯然也是不合理的．能否用排空氣的方法測量大米的體積呢?在教師的幫助下,根據(jù)玻意耳定律,在密閉容器中的定量氣體,在恒溫下氣體的壓強和體積成反比關(guān)系,其公式為p1V1=p2V2．根據(jù)公式可以知道,獲取數(shù)據(jù)需要器材如下:一個測量壓強的壓強傳感器,和一只容積較大的注射器,設(shè)計如圖4裝置．只要測出某容器中空氣和大米的總體積,根據(jù)玻意耳定律,測得容器內(nèi)空氣的體積,其差值就是大米的體積．

思路理清后,進行如下實驗: 取適量的大米,用天平測出其質(zhì)量m,然后將大米裝入注射器內(nèi);活塞至某一位置,記錄體積V1,通過壓強傳感器、數(shù)據(jù)采集器從計算機上讀取此時氣體的壓強p1;再緩慢推動注射器活塞至另一個位置,記錄體積V2,讀出氣壓p2,根據(jù)記錄的數(shù)據(jù),可以計算出體積V=(p2V2-p1V1)/(p2-p1),繼而可以算出大米的密度為ρ=m(p2-p1)/(p2V2-p1V1)．

“還學(xué)于生”是課程改革的一個重要理念．學(xué)生學(xué)習(xí)過程中,就是一個不斷發(fā)現(xiàn)問題、拓展問題、分析問題、解決問題的過程．例如在學(xué)習(xí)壓力壓強時,通過一定的問題情景,使學(xué)生靜下心來思考與分析,在已有物理知識的基礎(chǔ)上,進一步拓展壓強的內(nèi)涵與外延,培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力,讓學(xué)生在思考分析中激活思維、優(yōu)化認知結(jié)構(gòu)、內(nèi)化新知識,同時提高學(xué)生質(zhì)疑能力、反思能力、發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力．

3 微方法:培養(yǎng)靈動的科學(xué)方法

教育要從真正意義上實現(xiàn)“素質(zhì)教育”,不僅僅減少考試次數(shù),更重要的是課堂教學(xué)要體現(xiàn)以人為本,靈活應(yīng)變,要求我們在物理教學(xué)中提高學(xué)生的分析能力和問題解決能力,還要學(xué)習(xí)科學(xué)家在科學(xué)研究中所運用的科學(xué)方法,增強學(xué)生的創(chuàng)新能力和創(chuàng)新意識．

案例5.內(nèi)能的實驗改進1.

在學(xué)習(xí)“內(nèi)能”一課時,探究對氣體壓縮做功,對筒內(nèi)空氣做了功,空氣內(nèi)能增加,溫度升高,棉花燃燒起來．我們往往采取實驗如圖5所示的裝置:在一個配有活塞的厚壁玻璃筒中放一小團硝化棉,迅速向下壓活塞,壓縮玻璃筒內(nèi)的空氣,讓學(xué)生認真觀察筒內(nèi)是否有著火現(xiàn)象．可是效果不大好,往往燒不起來,甚至由于教師用力過猛,把玻璃筒給壓壞了．我們在此基礎(chǔ)上,在一個注射器中安裝一個溫度傳感器(如圖6所示),用手慢慢地壓下活塞,傳感器顯示屏上的溫度示數(shù)慢慢地變大,效果非常明顯．學(xué)生由此可以分析得出“對筒內(nèi)空氣做了功,空氣內(nèi)能增加,溫度升高,空氣的內(nèi)能增大”．反之,松開手后讓活塞慢慢地彈出,溫度示數(shù)慢慢地下降．可以反復(fù)做幾次,讓學(xué)生深刻領(lǐng)悟其中能量轉(zhuǎn)化的原理．

案例6.內(nèi)能的實驗改進2.

在“內(nèi)能”一節(jié)中,教材上利用如圖7的裝置來演示,用來說明“氣體膨脹對外做功,內(nèi)能減小”,這個實驗缺點是“能見度”低,大多數(shù)學(xué)生看不到或者看不清楚．在課堂中,筆者采用了如下的方法進行改進.

圖7圖8

教師事先讓每個學(xué)生都帶一個礦泉水瓶(瓶壁較薄一些的效果佳),在瓶子里加入1-2滴酒精,讓每一位學(xué)生都使勁擰緊礦泉水瓶,直到不能擰緊為止(如圖8),然后快速把蓋子打開,此時會聽到“砰”的一聲響,瓶蓋飛出,這時可以看到瓶口出現(xiàn)了明顯的“白氣”．這個實驗效果好,而且這樣使演示實驗變成了人人參與的學(xué)生實驗,學(xué)生興奮度很高．

圖9

案例7.內(nèi)能的實驗改進3.

如圖9,制作一個氣密性良好的裝置．在瓶中加入少量的水,搖晃幾下,讓水潤濕一下內(nèi)壁,之后將多余的水倒掉,然后點燃一根火柴并熄滅它,把帶煙的火柴快速地投入瓶子中,并迅速把瓶塞塞緊,塞緊后立即通過管子向里吹氣,盡量多地吹氣,吹氣停止后用手指堵住管口一會兒,此時,瓶內(nèi)是清澈透明的,然后移開手指,瓶中出現(xiàn)“白霧”．這是因為移開手指后,瓶內(nèi)氣體對外做功,內(nèi)能減小,溫度下降,由于瓶內(nèi)存在一定量的固體小顆粒(煙),水蒸氣液化出現(xiàn)白霧，其中的煙就是充當(dāng)凝結(jié)核的作用,有利于水蒸氣凝結(jié)．

初中物理教學(xué)在傳授知識的同時,我們應(yīng)該重視科學(xué)方法的教育,把科學(xué)方法融合在物理教學(xué)中，讓學(xué)生在實驗探究中,不斷嘗試利用科學(xué)方法來解決實際問題,如以上的物理實驗,就是把科學(xué)方法揉和在教學(xué)內(nèi)容之中,如案例7的實驗也可以在探究“降水的條件”中使用,來解釋凝結(jié)核的作用．這樣的實驗活動,學(xué)生非常喜歡,涉及的知識點也多,方法靈活多樣,有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng),較大地刺激學(xué)生大膽思考，從而參與實驗設(shè)計與創(chuàng)新．

4 微創(chuàng)意:提高學(xué)生創(chuàng)新意識

教師在引導(dǎo)學(xué)生感知物理現(xiàn)象、構(gòu)建物理原理、掌握物理規(guī)律、解決實際問題的過程中,不斷改進物理實驗,點燃學(xué)生的創(chuàng)新欲望,激發(fā)學(xué)生的靈感,培養(yǎng)學(xué)生的探究精神,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)實驗素養(yǎng)和創(chuàng)新意識．微創(chuàng)意是科學(xué)實驗教學(xué)的一個重要方法,以科學(xué)課中的實驗為根源,探索一些來自生活的創(chuàng)新實驗來替代書本同類實驗,可使實驗生活化、趣味化、多樣化．

案例8.電磁感應(yīng)的實驗創(chuàng)新.

在“電磁感應(yīng)”教學(xué)時,我們往往利用圖10進行實驗,從而引出電磁感應(yīng)現(xiàn)象．能否給學(xué)生一個簡單又震撼的實驗?zāi)?我們可以利用電磁感應(yīng)原理,利用身邊的材料制作一個簡易的電磁感應(yīng)實驗裝置,如圖11所示．學(xué)生看到這個實驗時,必定驚嘆不已．

圖10

圖11

案例9.電動機的實驗創(chuàng)新.

為了進一步了解直流電動機的構(gòu)造和工作原理,教材安排通過練習(xí)安裝直流電動機的模型,培養(yǎng)學(xué)生動手組裝能力．教材按圖12所示,把直流電動機模型的各個部件安裝成整機．學(xué)生對于這么一個“高大上”的電動機,只能是望洋興嘆,如果自己也能做一個電動機那是多好的一件事呀.

圖12 電動機模型圖13 簡易電動機

實際上,只要真正懂得電動機的原理及其結(jié)構(gòu)的本質(zhì)特點,我們可以引導(dǎo)學(xué)生進行制作,讓孩子們玩?zhèn)€夠.

電動機創(chuàng)新1:制作線圈15匝,調(diào)整線圈頭尾引線位置,使其在轉(zhuǎn)子線圈的直徑的延長線上,將引線的絕緣漆一端的漆全部刮去，另一端刮去一半.在泡沫板上放上磁鐵,用回形針制作支架,并在支架上各繞上電線,將回形針支架固定在泡沫板上,將磁鐵放在支架的中間．安裝電池并使轉(zhuǎn)子與支架接觸良好,如圖13所示．只要輕輕動一下線圈,它便會持續(xù)地轉(zhuǎn)動起來．

電動機創(chuàng)新2:我們知道,直流電動機中有一個很具創(chuàng)意的重要部件——換向器,如果想把這個本不十分復(fù)雜的換向器也改掉,即要設(shè)計一個簡化的、不用換向器的電動機．改進如下:用銅線做一個方型線圈(如圖14所示),一節(jié)5號電池,一個鈕扣磁鐵,把線圈架上,線圈將會轉(zhuǎn)動來,這就是一個簡易的電動機模型了(如圖14)．

圖14 簡易電動機

上述實驗中,為探究電動機提供了一種新的思路和方法,讓學(xué)生利用身邊的材料,自主設(shè)計實驗體驗電動機的魅力,在學(xué)生展示自己的作品的時候,表現(xiàn)出了活躍的思維和豐富的創(chuàng)意,在不斷改進的實驗中,學(xué)生真正理解電動機的物理原理,無需死記硬背電磁感應(yīng)原理．

遷移和創(chuàng)新是解決問題的核心,而物理是以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科,實驗作為重要的學(xué)習(xí)方法,既能形象地反映物理本質(zhì),也能展示直觀的復(fù)雜的物理過程； 既能提升學(xué)生的思維能力,也能提高學(xué)生的動手操作能力,更能在實際的情景中培養(yǎng)創(chuàng)新意識．我們要積極開展實驗創(chuàng)新活動,摒棄以題代教的教學(xué)模式,減少題海戰(zhàn)術(shù),從而培養(yǎng)學(xué)生解決物理問題的能力．

1 賈濃鈾.趣味科學(xué)實驗室[M].天津:天津古籍出版社,2010:105.

2 鄭青岳.教學(xué)創(chuàng)新設(shè)計的幾條思路[J].教學(xué)月刊,2016,718(5):20-23.

3 黃俊芳.例析加拿大高中生物學(xué)微實驗設(shè)計的策略[J].生物學(xué)教學(xué),2016,41(8):12-13.

2016-12-16)