意识 功能 方法—物理实验在激发学生智慧中的作用

王超良

(浙江省义乌中学,浙江义乌 322000)

物理课对学生的抽象思维能力和形象思维能力的要求都比较高,学生在学习中普遍感到比较困难.而人教版的普通高中课程标准实验教材中,教学内容多、对学生思维的要求高,学生在学习中的困难就更大了.因此,如何通过合理的演示实验、学生实验、随堂小实验和师生互动性实验来增强物理教学的趣味性和直观性,降低学生思维的坡度,是摆在我们面前的重要课题,也是进行有效教学、减轻学生学习负担的有效途径.

笔者在近几年的高中物理课程改革实践中,在有意识地进行探索与实践的基础上,体会到采用以下策略可以有效地增强物理教学的直观性和课堂教学的有效性,切实提高学生的思维能力.

1 努力挖掘实验的趣味性功能,适时引导学生思维的方向

中学生的形象思维比较成熟,而抽象思维能力较弱.美国著名教师哈里德◦颜森有句经常引用的格言:“讲给我听,我将忘记……;演示给我看,我将记得;与我有关,我将要学;…….”这是对学生学习心理状态的描述.尽管物理学与日常生活密切相关,但仍有许多学生在学习物理时,总感到枯燥无味,其根本原因就在于教师在授课中往往偏重于演绎推理,而轻视直观教学的缘故.当然,在社会、学校强大的升学与就业双重压力下的教师,也不得不压缩正常的教学进程,以匀出足够的教学时间让学生进行大量的、高难度的解题训练,从而使得学生几乎无法体会到物理学在日常生活中的用途,也感受不到物理学对其综合素质的提高甚至可能对其今后的发展产生深刻的影响,因而对常见的物理现象熟视无睹,并逐渐失却了学习物理的热情,黯淡了学习的智慧.

教学实践表明,学科本身并不能激起学生的学习兴趣,为了充分调动学生学习的热情,让学生积极地参与到学习的过程中来,教师的想象力以及教师所传授的内容和方法必须生动活泼,富有情趣.

图1

例如,在进行“磁场对运动电荷的作用力”内容的教学时,通常的做法是用磁铁靠近阴极射线管,让学生看到阴极射线管中的电子流在磁场的作用下发生偏转的情景中引出“洛伦兹力”的概念.这样处理教材,从教学的角度来说,不会有什么困难,但从学生思维启动的角度,从激发学生学习的积极性方面来看,却不很合适的.为此,我们受电视机显像管中偏转磁场的启发,把这个实验改进成了如图1所示的装置(其中以半径约为10 cm的铁环为铁芯,用直径为0.5 mm的漆包线缠绕200圈左右制成“偏转线圈”,其外层用不透明的塑料布包裹形成黑匣子元件.如果单从外表上看这只是个好玩的“圆环”).授课时,对实验的操作方式也进行设计,把演示实验改变成在教师引导下由几个学生相互配合进行的表演性探究实验:

(1)先让学生观察通过感应圈给阴极射线管加上高压后阴极射线管中产生的电子流的运动情况.

(2)请几个思维比较活跃、动手能力也较强的学生,手握串套于阴极射线管外面的“圆环(通电线圈)”,让圆环沿不同方向运动时,看看会发生什么情况?

(3)在圆环运动过程中,为什么阴极射线管中电子流的运动方向有时候会发生偏转,而有时候却不会发生偏转呢?

说明:有些学生会回答,是通电圆环产生的磁场对运动电荷的作用力使电子流的运动方向发生了偏转.

(4)改变圆环中电流的方向,看看阴极射线管中电子流的运动情况是否发生变化?

(5)(教师在引导学生进行理性分析的基础上肯定这种说法后,顺便指出磁场对运动电荷的力,叫洛伦兹力)这个通电线圈所产生的磁场是怎样分布的呢?请你用画图的方法来表示.

(6)你认为这个线圈是怎么绕制的呢?

(7)洛伦兹力的方向有规律可寻吗?

用这样的方法引导学生进行探究的过程中,顷刻间就引爆了学生们的好奇心,激发了学生们浓厚的学习兴趣,学生们积极参与的热情就像火山一样迸发出来了,为整个教学内容的有效展开创设了良好的学习情境.

2 善于发挥实验的量化功能,顺利突破教学难点

课堂教学中,如果教师能设法使学生理解所学内容的认知要求、社会要求和情感要求,其学习效果将会大大提高.因此,教师要善于引导学生在完成学习任务的过程中不断地提出与学习任务间存在某种必然联系的一些假设,让学生进行选择和利用,使学生在解决问题的过程中,在思维的方式方法上渐入佳境,走向成熟.

许多物理规律的发现过程中,蕴含着丰富的科学思想和巧妙的设计方法.在物理教学中,按照物理知识发生、发展和变化的过程,把科学家运用科学思维和实验的方法发现物理规律的过程有机、有意和适时地展示给学生,对提高学生思维的水平和处理具体问题的能力方面将产生非常积极的影响.爱因斯坦所说的“对真理的探索比占有更加宝贵”也就是这个意思.

例如,在“磁感应强度”的教学中,对“磁感应强度”概念的建立,历来都是在定性叙述的过程中,得出的结论.这样的处理,从教学的层面看,不仅学生感到茫然,教师也觉得很别扭.因为在定义电场强度的概念时,我们就经历了这样的尴尬.什么“……比值是一个定值”,这个比值真的是一个定值吗?从教育的层面上看,科学家发现物理规律的过程中所经历的艰辛、思维的渐变过程以及富有创造性的研究智慧都被人为地削去了,学生只是被动地接受知识,而无法达到在感悟科学家创造性的工作过程中也受到激发思维的目的,也就无法从中获得有益的养分.这样的教学,教育的功能被大大地削弱了,失去了应有的教育价值.

怎样才能让学生确信“……这个比值真的是一个定值”呢?为了充分体现这个教学环节所隐含的知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观这三维目标的教学价值,我们对实验进行了改进,把较难定量研究的“磁感应强度 B”在引入力传感器与电传感器后用函数图像的形式显示出来.这样处理,既增强了教师所传授的知识的信度,也帮助学生提升了分析问题与解决问题的水平.

图2

首先,我们采用一些横店磁性集团生产的磁性很强的环形磁铁,用两面包裹铁皮的方式制作成几块长宽均约15 cm、厚约1 cm的板形磁铁.以长约20 cm、宽约 10 cm左右的塑料盒经处理后作骨架,用直径约0.5 mm的铜线绕制成200圈左右的线圈.然后,用铁架台、力传感器、电流传感器、电源、滑线变阻器、导线和电键等器材组成如图2所示的实验装置.

其次,在该教学片段的实施过程中,我们对实验展开过程的基本程序也进行了设计:

(1)帮助学生认识到磁场是有强弱的.

①播放电磁铁提升重物的视频.

②演示磁铁吸引铁桶的实验.

③演示竖直悬挂着的两条长约2 m、彼此靠近的铝箔,通电后产生相互作用的实验.

④演示磁铁对置于其旁边的通电导线有力的作用的实验.

(2)让学生根据现有的知识经验猜想:你认为磁场对置于其中的磁体的作用力跟哪些因素有关?

(3)磁场的强弱可以用什么物理量来描述?应该从何处入手进行研究呢?

在学生经历积极主动地参与和认真思考的过程后,教师引导学生进行理性思维:

①首先应该想到,要研究磁场的强弱,就必须以我们已经熟悉的磁场的有关特点为抓手.

②磁场的强弱可以从“磁场对置于其中的磁体有力的作用”这个特点入手研究.那么,应该选什么物体为研究对象呢?

说明:让学生进行思维发散,教师把学生提出的构想依次写在黑板上.

③引导学生运用相应的物理知识对这些设想进行分析筛选后,确定选“电流元”为研究对象比较好(可控、便于操作).并让学生思考:实验中,“电流元”是不是可以随意放置呢?为什么?

④应该选择哪些实验仪器?如何进行实验?引导学生想到可以类比电场强度的研究方案,运用控制变量法,并采用上面的实验装置进行实验,引导学生在通过力传感器与电传感器采集实验数据,并从大屏幕上显示出来的函数图像上亲眼看到F∝I、F∝L的结果,综合分析后得出F∝IL,即是一个定值.

⑤你认为这个结论具有普遍性吗?引导学生在磁场中的不同位置进行实验探究,看看情况会怎样?

⑥引导学生在综合分析的基础上形成研究结论.

⑦抓住典型问题,通过问题辨析、分析判断,深化磁感应强度的概念.

应该注意的是,对物理教学实验来说,重要的不是获得某一项具体的结果,而是让学生经历体验的过程,为了使学生通过实验活动认识物理现象和规律,得到科学思维方法的训练和研究能力的锻炼.教学实践表明,在实验教学中有意识地营造一种探究性教学的氛围,在师生共同参与的“亚研究”中,可以使学生更好地领会实验的精髓,增强问题研究意识,提高实验的素养,形成分析问题和处理实际问题的能力.

3 把握实验的多样化功能,激发学生学习的兴趣

学生进入课堂时都带着自己的生活经验,也正是这些生活经验引领着他们对世界与真理产生了特定的看法.因此,富有意义的课堂活动,应该在证实或转变这些观念的努力中,来支持或反驳学生的这些假设,帮助学生在头脑中形成准确的概念和规律.而物理演示实验可以为这种努力发挥出很好的作用.

物理教学中,演示实验一般都是以复合刺激物的形式来呈现的.实验中,客体的不同成份对学生的刺激作用也不尽相同,一些反映本质特征的现象不一定以强刺激的形式出现,而那些表现非本质特征的现象倒有可能给学生以较强的刺激,并影响着教学的效果.为此,我们可以根据教学内容的实际需要,精心编排实验操作的流程,通过适当地调控各种成份的刺激量,有效地吸引学生的注意力,准确地把握事物的本质特征.

例如,在“机械能守恒定律”的教学中,我们可以通过以下方式引入课题,展开教学过程.

教师提出问题:我们已经学习了动能定理,知道了合外力做多少功物体的动能就改变多少.在重力势能一节的学习中,我们又知道了物体重力势能的改变量由重力所做的功来量度.那么,引起物体动能与势能间转化的原因是什么?它们在转化过程中,是否遵循什么规律呢?

师:请同学们先来看看下面的实验.

图3

教师(实验准备:将两块长约100 cm、高5 cm的木板一端用合页制成两板间的夹角 α可调的“V”形轨道.在“V”形轨道开口的一端垫上高约3 cm厚的木板.)先将两板间的夹角α调小些,并把双锥体水平地横放在轨道中部(如图3所示).松手后,双锥体从高处向低处滚动.

师:这说明了什么问题?

生:双锥体由于受重力作用,向低处滚动,重力势能转化为动能.这是一个平常不过的实验.

师:将两板间的夹角α逐渐调大(教师事先要作精心地准备).将双锥体水平地横放在轨道中部.松开手,看到双锥体却稳稳地静止在轨道上不动了.

生:双锥体为什么会静止在轨道上呢?

师:将两板间夹角继续增大,把双锥体水平横放在轨道中部.松开手,双锥体却向高处滚动.

生:……

师:为什么双锥体会从低处向高处滚呢?

生:(陷入了沉思)

师:只要大家认真进行思考,我相信你们一定能发现其中的奥妙.

学生分组讨论情况摘录:学生们通过再次仔细观察,认真分析后发现,由于双锥体轨道结构的特殊性,当双锥体顺着轨道从低处向高处滚动时,双锥体的重心其实是降低的.弄清了双锥体爬坡的原因后,解释双锥体静止在斜面上的原因也就轻而易举了.

师:双锥体爬坡时其实是通过重力做正功将重力势能转化为动能的过程.

师:动能与势能在相互转化的过程中,是否遵循什么规律呢?

师:请同学们再仔细观察研究下面的实验,看看会有什么发现?

实验集成块呈现:(1)单摆实验.①自由摆动;②用铁条在某处档住摆线后的摆动;③摆球贴着黑板的摆动.(2)弹簧振子在简易气垫导轨上的振动.①充气条件下的振动;②不充气情形下的振动.

说明:教师在引导学生通过实验观察初步认识到在只有重力和弹力做功的条件下,物体系机械能保持不变后,再引导学生用演绎的方法,如针对自由落体运动通过运用动能定理得到机械能守恒的条件,使学生思维的启动与发生、发展的过程更合理,对知识的把握与深化也更理性、更全面,从而提高学生学习新知识的水平.

这种似乎与生活经验“矛盾”的实验结果对学生形成了一种强刺激,打破了学生原有的认知结构,从而把学生的学习兴趣、学习热情、智力和情感等方面的积极因素都迅速地调动起来了,使学生自觉自愿并积极地投入到新课题的学习中来,学习效果也就不言而语了.

4 抓住实验的交互性功能,让学生积极地参与到问题研究中来

新课改倡导自主、探究和合作学习的教学理念.自主学习强调培养学生学习中主动、独立的学习能力,为学生自主发展和适应社会奠定基础.探究学习强调培养学生探究未知世界的能力,为学生能够创造出更多的新的思维产品奠定基础.而合作学习则强调协作与分享的精神,为学生在社会性群体中的适应和发展作准备.这三种价值取向相互并行而又互为补充,缺一不可.

在教学过程中,我们首先要根据教学内容和学生的实际情况科学地设计好教学方案,努力选择适合于学生实际情况的学习方式,有效地调控好学生的学习行为.其次,还可以通过先让学习小组内各成员间的相互质疑,并通过采取或小组、或个人、或竞赛、或强化,或辩论、或演示、或操作等丰富多彩的释疑方式,达到合作达标的目的.

例如,人教版普通高中课程标准实验教科书中引入了“探究功与物体速度变化的关系”的内容,其目的显然是为了给学生增加探究体验的机会,提高理论联系实际的水平.但对教师来说,这是一节非常难以驾驭的内容,无论是教学设计,还是实验准备,都有相当的难度.尽管探究的目的非常明确,无非是为了得出功与物体速度变化的关系,明确探究实验的设计思路以及实验数据的采集与处理.但为什么要设计一个这样的实验?通过探究活动,学生在思维的发散与聚合的层次上、在分析考虑问题的能力上、在对已有知识进行分析与综合的水平上,将经历一些怎样的情感体验?会有一些什么收获?能够达到什么层次?所有的这些,都是教师在教学设计中应该认真考虑和注意突破的问题.教师在教学中深感难以驾驭的就是如何引导学生进行积极地思考,在促使学生充分发挥好创造性思维的同时,把探究过程深入下去,并让学生在亲身经历实验探究的过程中获得情感的体验,产生能力层次的递进.这样的教学,才与新课改所倡导的探究发现、合作学习的理念相和谐.但要真正达到探究的目的,关键还在于要确保实验的成功.这就需要教师积极开动脑筋,在刻意进行实验开发的基础上,积极引导学生围绕探究的目标,以探究过程中所要测定的物理量为中心,通过对实验方案的设计与选择、实验仪器的组装、实验数据的采集与分析的过程中,努力把学生的注意力吸引到分析解决问题上来,让学生在经历思考与讨论的过程中,在实验操作中获得真切的体验.

鉴于这样的分析和考虑,我们拟定了下面的教学设计方案.

师:我们知道,物体由于运动而具有的能叫动能.同学们对动能有什么认识吗?

生:…….

师:请同学们仔细观看下面的录像(这些视频资料可上网查找下载,也可在电视节目中录像得到).

播放视频1:(激发起学生探究的欲望和热情)自然界中能引起强烈震撼的体现动能能量的多媒体视频音像小片段(如龙卷风、雪崩、热带风暴等).

播放视频2:足球世界杯赛中,足球运动员射门的情景.

播放视频3:奥运会射箭比赛中,拉开的弓把箭射出的情景.

提出问题:足球射门中,运动员射箭时,足球与箭都获得了动能.据测算,足球射门时,速度最大可达到100 m/s左右,这些动能是从哪里来的?

教学活动情况说明:先让学生回答后,教师再适当地进行点拨指导.

师:外力作功会引起物体动能的变化.功与物体动能的变化量间存在着什么关系呢?

生:……

师:我们知道,物体的动能与它的速度是密切相关的,而物体速度的变化又与它所受力的功有关.那么,功与物体速度的变化之间又存在着怎样的关系呢?

生:……

师:探究功与物体速度变化的关系时可以采用什么方法?

说明:引导学生认识到要探究功与物体速度变化的关系,既可以从理论的层面用逻辑推导的方法进行研究,也可以通过实验的方法进行探究.今天,我们通过实验的方法来探究功与物体速度变化的关系.

师:我们应该采用什么实验方案进行探究呢?请同学们先设计一个合理可行的实验方案.

教学活动情况说明:先让学生交流实验方案(指定几名学生在黑板上画出,其余学生在草稿纸上画).然后,教师选择在巡回指导中搜集到的具有代表性的设计方案利用投影仪进行展示.

师:同学们提出了许多实验方案,我们选择什么方案比较好呢?请同学们认真想一想,利用实验探究功与物体速度变化的关系时需要测量哪些物理量?

生:测量力对物体所做的功及力对物体做了这个功后物体运动的速度.

师:在实验探究中,应如何对物体做功?怎样表示每次做功的大小呢?

生:…….

讨论情况摘要:(引导学生讨论)既可以考虑用恒力做功,也可以用变力做功.若用恒力做功,例如用一砝码盘牵引着小车做实验,则可以用改变砝码盘中砝码的质量,通过测出物体发生的位移s,用 W=Fs表示功的大小(引导学生思考怎样在实验中测出功).当然,也可以选择在斜面上或竖直方向上运动的情况进行探究.

引导学生思考:能否设计一个实验来探究变力的功与物体速度变化的关系呢?

图4

说明:引导学生回忆射箭运动员射箭的情景,若用小车代替箭、用橡皮筋代替弦,把车放在轨道上,我们是否能够设计一个实验来研究功与物体速度变化的关系呢?学生们经过认真地分析讨论后得出可以考虑用教材中图7.6-1所示的方法进行实验(教师出示图4所示的实验器材,它由教材中图7.6-1所示的实验改进而成,因为直接采用教材中的实验装置很难进行实际操作),通过每次增加一根橡皮筋的方法来改变功的大小.

师:应该怎样测量物体的速度呢?

讨论情况摘要:(教师引导学生讨论)学生很容易想到用打点计时器,也可以考虑用与气垫导轨配套的光电门测量速度,或用红外线传感器直接测量物体的速度.

师:选用什么方法测量物体的速度比较好呢?

讨论情况摘要:(教师引导学生通过讨论选定采用的方案)采用哪种方法,各有什么优缺点?根据现有的实验条件,选择什么方案为好?

说明:运用各种不同方法测量小车的速度时,教师应引导学生通过各种途径了解实验原理和实验过程,这不仅仅是为了动手实验,更是不断动脑、不断解决问题的过程.这也是实验的价值所在.

师:请同学们按照上面的讨论,用实验桌抽屉中的实验器材把这个探究性实验所需要的有关器材组装起来(如图4所示),按4人小组进行实验,把有关数据记录在实验报告中自己所设计的表格上,并在对实验数据进行分析综合的基础上得出功与物体速度变化的关系.教师进行巡回指导.

生:……

说明:学生实验进行到一定程度后,教师要及时引导学生对实验数据进行分析处理,在对学生画出的 W-v图像进行评析的基础上,引导学生思考:能否运用 W-v2图像进行分析,并用Excel软件进行数据处理,通过电脑进行拟合得出力所做的功与物体速度变化间关系,使学生对实验探究得出的结论印象更加清晰,更加深刻,也拓展了学生的视野.

5 突出实验的情景化功能,触发学生思维的灵感

物理实验离不开理性思维的引导和支持,“以物明理,物理渗透”是物理学科非常鲜明的教学特色.因此,在物理教学中,我们要坚持物理实验与思维同步并进使之交互感应的原则,使实验观察活动真正为思维活动提供丰富的感性素材,也使理性思维为实验研究提供良好地导向作用,从而使课堂活动内容丰富,气氛和谐,也富有情趣,将学生的思维水平推向更高的层次.

在“互感和自感”一节的教学中,在学习自感现象时,一般的处理方法是按书本上的两种电路进行操作,抓住灯泡延迟发光的事实,引导学生在进行分析推理的过程中,形成结论.这样的教学,思路顺畅,结论也明确.但课后许多学生却心存疑虑:为什么要选这两种情况来做实验呢?为什么一种电路只能演示一种自感(通电或断电)现象呢?究其原因,就在于没有把实验观察与思维活动有机地结合起来.因此,我们采用了“程序思维实验法”展开教学,把实验过程脉络清楚的展示给学生.

(1)如图5(a)所示的电路中,当闭合(或断开)电键S时,线圈B中有无感应电动势E感产生?方向如何?

(2)去掉线圈 B,如图 5(b)所示,合上电键S时,线圈A中有无感应电动势E感产生?先引导学生运用电磁感应知识进行推断,而后串联灯泡L1进行检验,结果观察不到L1延迟发光的现象.是推断有误?还是观察的方法不对?

图5

(3)并接灯泡 L2(如图5(c)所示)后,进行观察,发现电键S闭合后L1的发光有明显的延迟现象.抓住这个结果,顺势引导学生运用电磁感应知识追本溯源,展开探究活动.

(4)图5(c)所示的电路中,当断开电键S时,A中有无感应电动势E感产生?请你认真思考一下:应该观察到什么现象?

可是在演示中却发现,电流减弱时,L1却并无明显的延迟现象.这是为什么?我们要紧紧抓住这个“异常”情况,引导学生在运用理论知识分析原因的基础上,不断地提出问题,并在改进后的电路中进行演示,让学生体会到成功的喜悦.

(5)去掉L1,如图 5(d)所示,使电路稳定时 I1＞I2.断开电键S时,发现L2中出现瞬间的强光.

(6)L2发出强光,岂不与电磁感应理论相悖?引导学生进行理论分析后,再接上发光二极管后进行实验,在对比观察(如图5(e)所示)中发现:电键S自合上至电路达到稳定状态过程中,L1发出暗淡的红光,而L2并不发光;断开电键S的瞬时,L2发出强光.

这样的教学,在以实验为载体展开思维活动的过程中,也以问题为线索突出了理论对实验的指导作用,既降低了思维的坡度,体现了物理教学“以物明理,物理渗透”的思想,也可以有效地帮助学生把感性认识上升为理性认识.

值得指出的是,尽管每个实验都蕴含了它所特有的物理思想和科学方法,但实际教学中的效果如何,却最终取决于教师的思维方式和科学素养.只有当教师对实验所蕴含的物理思想、科学方法以及解决实际问题的技能、技巧有深刻的体会,对学生的心理活动特点和认识规律有充分地了解时,才能使实验发挥出最大的效益.因此,在课堂教学中,教师要努力创造适宜的学习环境,切实关注学生的思考过程,努力帮助学生去思考一些比较复杂的问题,努力培养学生善于用联系的观点看问题的能力,设法使学生真正承担起自己应有的学习责任. (收稿日期:2009-09-12)