初中物理实验教学失谐的案例分析及其启示

2014-10-21张杰

物理教师 2014年8期

关键词：测力计小孔光斑

张杰

（无锡市锡山区教育局，江苏无锡 214101）

注重实验探究，不仅是新课程的基本理念之一，也是新课程的重要目标.然而受“分数至上”思想的影响，实验教学在日常教学实践中并没有相应地得到加强，失去了实验教学的和谐之音.

1 创设问题情景，点到为止

案例1.苏科版8年级上册教材“光的折射”教学片段.

（1）演示实验：创设情景模拟叉鱼.

（2）教学过程：储物箱中装大半箱水，在一块泡沫板的下部画一条小鱼，并将泡沫板竖直插入水中，请一个学生上台用一根竹签叉泡沫板上的鱼.教师刚讲完要求，学生已处于跃跃欲试的兴奋状态，感觉叉鱼很容易，何况泡沫板上的小鱼是一条“死鱼”.一个学生满面春风地上台叉鱼，等泡沫板拿离水面时发现竹签并没有叉中鱼时，顿时满脸疑惑，离开讲台时还嘟噜一句：“我明明看准了”.这时教室里象炸开的锅一样，沸腾了，不服气者居多，纷纷表示想上台一试.教师让一个学生再次进行实验，结果仍然没有叉中，这时班级稍稍安静一下，“为什么？”、“到底怎么回事？”等疑问在学生的大脑中盘旋.

（3）教师总结：你们想知道为什么吗？等学完这节课后你就知道了.

上述案例，教师通过演示实验创设的问题情景达到了一定的效果，但教师的总结使得情景创设仅停留在发现一个现象和激发学生学习兴趣上，把“情景”的作用降得太低了.“等学完这节课后你们就知道了”使得学生刚刚触发的思维火花瞬时熄灭，对问题进一步探究的欲望戛然而止.通过演示实验，创设问题情景不仅是为了激发学习兴趣，增加学生对一节课的期待，也是课堂的起点和问题的原点，还是学生学习的出发点，一个问题可以超越模式的设计，引发思维.因此，以“情景”为中心设计物理实验，展示物理过程，设计出具有思考价值和实际意义的问题，引导学生个体与群体去思考，去探究，去尝试，在这一过程中促进学生对问题的解决.

为了更好地发挥创设情景的作用，可以进行如下的设计.

（1）引入课题：创设情景模拟叉鱼（同上）.

（2）学生思考：确实是对准“看到”的鱼叉下去的，为什么又叉不中？难道“眼见为实”有假？

（3）现象描述：对准“看到”的鱼，竹签叉中的位置在鱼的上面，现象背后隐藏着什么规律呢？

（4）问题驱动：请大家先说一说“看到”的含义，例如用手能摸到“看到”的镜子中的像吗？为什么？再想一想，若鱼也在空中，能叉不中吗？但鱼在水中，人在空中就叉不中了，那么光从水中到空中与空中到空中是什么因素导致结果不同？

（5）实验变式：碗中放上水，将筷子放入水中，观察看到的现象并描述.与竹签戳中的位置在鱼上方现象进行对比，尝试能否将筷子末端比作“鱼”，分析水中筷子“向上弯曲”的现象解释叉鱼而不中的问题？

（6）建立概念：光的折射现象及其规律.

……

问题的解决是认知的核心，教师的作用主要表现在引导学生在解决问题的过程中提取蕴含方法和能力的知识，通过分解和稀释，根据学生的心理特点，把它转化为学生的学习行为.上述设计，利用水中筷子向上弯曲现象迁移到叉鱼不中难题，思考现象背后的原因，降低思维难度，诱发学生思考，让学生在自我感悟中学习知识，体会方法，拓展思维空间.

部分教师受传统教育的影响，重知识传授，轻实验设计，这是因为教师对实验功能的理解不到位.Kerr J F把实验的功能总结为10项内容：（1）培养观察和记录能力；（2）培养科学思维习惯；（3）训练操作能力；（4）训练解决问题能力；（5）满足实验考试要求；（6）帮助理解理论知识；（7）证实科学事实和科学理论；（8）发现科学事实和科学理论；（9）激发和保持学习科学的兴趣；（10）感受科学现象的真实性.实验功能的界定不仅对学科教学具有指导作用，而且对理解实验教学也具有借鉴价值.在日常教学中一些教师常常为了完成实验而实验，没有深入思考实验的功能并进行实验设计，遇到能够碰撞出思维火花的实验设计时，往往不能抓住实验现象背后蕴含的价值进行深度的挖掘.

2 解释实验现象，浅尝辄止

案例2.探究定滑轮特点的教学片段.

（1）实验演示：通过图1、图2、图3用定滑轮匀速提升物体来探究定滑轮的特点（实验中弹簧测力计已调零）.

（2）实验现象：图1～图3对应弹簧测力计的读数分别为F1＝2N，F2＝2N，F3＝1.8N.

图1

图2

图3

（3）实验结论：使用定滑轮不省力，但能改变施力的方向.

为什么F3＝1.8N？教师的解释是弹簧测力计自身重量原因，加上自重0.2N，就等于钩码的重量.

质疑：对F3＝1.8N的解释对吗？如何正确解释这一现象？

教师对现象的解释没有涉及问题的本质，浅尝辄止.即使教师的解释正确，也属于结论式解释，没有因为这个解释让学生由疑惑到清晰，由不理解到理解.

图4

如何化解学生心中的疑惑？需要先了解弹簧测力计的结构，其结构如图4所示.实验中的弹簧测力计是竖直向上将其调零，因为与弹簧相连的金属片的重力作用，虽然指针指向零刻度，但弹簧已伸长Δl，即kΔl＝G金属片；当弹簧测力计倒过来使用时，将弹簧测力计指针再次拉到0刻度时，需要外力F＝2G金属片.对图3中绳子和弹簧测力计挂钩接触点进行受力分析可知：G钩码＝2G金属片＋F拉.因此，将弹簧测力计自重的说法改为与弹簧相连的金属片重力引起的即可.虽然不需要向初中学生详细解释原因，但也不能给出错误信息.另外，当弹簧测力计在水平方向使用时，也涉及到调零问题，在此不再赘述.

教师对实验现象解释不合理，从表面上来看是教师对实验现象缺乏思考，而深层次原因是教师的实验技能和实验素养不够.2013年3月在我区级比赛基础上，选拔24位初中物理教师参加无锡市的实验操作技能大赛，其中一个实验课题是：在光具座上模拟出近视眼，并进行矫正.实验操作中有近半的教师先将蜡烛放在离凸透镜较近的地方并在光屏上得到蜡烛清晰的像，后直接将光屏向后移动使之像在其前方摸拟近视眼而导致失误.这是直接利用近视眼成像在视网膜前方的结论进行实验，并没有思考什么叫近视眼？近视眼的缺陷是什么？光屏代替视网膜进行模拟得到清晰的像后还能单独移动光屏吗？因此，物理教师要提高实验技能，加强实验素养方面的专业发展，在物理实验教学中要养成认真观察实验现象、分析实验数据、尊重实验事实的习惯，从而提高思辨能力.教师展示给学生的图景一定要经得起推敲，教师对实验现象的分析和解释一定要是合情合理的，并且是科学的.

3 解读实践活动，蜻蜓点水

案例3.苏科版8年级上册教材第3章综合实践活动：探究树荫下的光斑.

该教材针对课题将探究活动分为发现问题、提出猜想、设计方案、实验探究与交流评价5个环节进行.教材编写的主要目的是通过教师对小孔成像知识的理解、对实践活动的解读、对探究活动的指导，开展以学生为活动主体的实践性、自主性、创造性为主要特征的综合实践活动.

图5

为了评价学生应用学科知识解决实际问题的能力，2013年无锡中考命制了这样一道考题：晴天正午，小明与同学从树荫下走过时，发现地面上有许多大小、形状不同的光斑，如图5所示.光斑形状与什么因素有关呢？光斑又是如何形成的呢？对此他们马上进行了探究.他们猜想光斑的形状：

（a）与树叶形状有关，光斑是树叶的影子.

（b）与树叶间空隙形状有关.

（c）与树叶间空隙大小有关.

（1）根据所学知识，可确定猜想（a）___________（选填“合理”或“不合理”）.

（2）为进行探究，他们制作了如图6所示的（a）、（b）、（c）、（d）4张带孔卡片.其中，（a）、（b）卡片中小孔的尺寸均为3mm，（a）、（c）、（d）卡片中大孔的尺寸均大于2cm，且（c）、（d）卡片中大孔尺寸相同.在进行探究时，他们在地上铺上一张白纸，把带孔的卡片置于上方，让太阳光透过卡片上的孔，观察纸面上出现的光斑形状.

图6

若让你在（a）、（b）、（c）、（d）4张卡片中选择1张卡片来证实“光斑形状与树叶间空隙形状有关”，应选用卡片.

在探究“光斑形状与树叶间空隙大小是否有关”时，小明选用（a）卡片进行实验探究，发现白纸上得到4个圆形光斑，由此得出“光斑形状与树叶间空隙大小无关”的结论，这结论________（选填“可靠”或“不可靠”）.若由你进行探究，你将如何设计带孔的卡片？请画出孔的形状.

（3）通过探究，他们得到了以下结论，其中错误的是____________.

（A）通过小孔形成的圆形光斑是像，通过大孔形成的光斑不是像.

（B）小孔形成的光斑与小孔的形状无关，大孔形成的光斑与大孔的形状有关.

（C）小孔和大孔所形成的光斑，其大小均与孔到地面的距离有关.

（D）不管光斑是不是像，它们都是由光的直线传播形成的.

参考答案：（1）不合理；（2）（c），不可靠，如图7所示；（3）（C）.

第（1）题只有部分学生因没有看清题意而出错.第（2）题因不理解题意而出错，证实“光斑形状与树叶间空隙形状有关”需要改变空隙形状，并进行对比实验才能使结论具有普遍意义；部分学生虽然理解题意，但没有联系小孔成像的形状和小孔无关这个知识点而导致出错.其中第2填空题少数学生出错，原因是选填时没有考虑部分圆形光斑是太阳的像，大孔形状必须排除圆孔，或者在学生的知识储备中没有圆形光斑是太阳的像这一知识点.对于如何设计卡片的问题，部分学生设计的孔的形状如图8、9所示的圆、椭圆（带圆形大孔的卡片只要不正对太阳光，有一定倾斜，在地面上像为椭圆）.对探究“光斑形状与树叶间空隙大小有关”和“小孔成像”出现相互干扰.部分学生设计的孔能够考虑避免圆形，如图10、11、12所示，在控制形状相同时尽量使图像体现出明显的差别，但由于图像复杂，往往在实际操作（画图、剪切）时难以保证孔的形状不变；这部分学生没有体会到命题者的意图，题目中展示孔的形状（正方形、等边三角形、菱形）相对简单，便于控制形状，这表明学生在平时学习中，此类实践活动比较少，缺乏来自实践的体验.少数学生设计孔的大小比例失衡，数学上相似性原理在设计中没有得到很好的体现；还有部分学生的设计随意性大，随便找几个小孔形状，敷衍了事.

图7

图8

图9

图10

图11

图12

第（3）题由于对树荫下的光斑是否是像未做过思考，对通过小孔和大孔形成的光斑的差别不清晰等原因导致答题错误.

答题失分的主要原因有对小孔成像知识的缺失，小孔和大孔与光斑之间的对应关系不明确，缺乏探究实验的体验，以及没有对比、辨析思想等等.

上述答题的错误汇总，认真分析其失分的原因，笔者认为与教师对教材的解读不到位有关.在教材的“生活·物理·社会”中栏目介绍了小孔成像的知识，而教师对该教材内容的处理方法一般有以下几个层次：（1）让学生自学；（2）结合光的直线传播，介绍小孔成像的知识；（3）介绍小孔成像知识并自制教具进行小孔成像的实验探究；（4）进行实验探究，并将实验中的小孔用手指一戳，使小孔变成大孔，再进行实验，对比现象，辨析现象背后的成因.如果对教材的解读仅仅停留在知识层面，学生虽然学习了小孔成像知识但极易遗忘，最后导致答题出错.

如果能进行实验探究，即使没有将小孔变大孔进行对比实验，也会在头脑中留有印迹，答题时能结合题意和情景，提取相应的知识和方法进行解答.对于教材安排的综合实践活动“探究树荫下的光斑”，如果教师能理解教材编者的意图，读懂综合实践活动内容所蕴含的方法、能力、思想等，一定会安排好学生进行探究活动，并对学生的探究活动进行指导、评价、交流和改进，学生在这种实验探究过程中不仅学习了知识，还提高了动手能力，理解了探究方法，获得了探究体验，那么学生在答题时一定能理解“小孔尺寸均为3mm，大孔尺寸均大于2cm”的含义.如果教师对教材解读到位，安排学生的实验探究活动也会到位，那么学生在解答此类相关的问题时遇到的阻力就会减小.