例析初中物理微实验设计创新几个方法

陈苍鹏

(杭州市十三中教育集团，浙江 杭州 310012)

·初中园地·

例析初中物理微实验设计创新几个方法

陈苍鹏

(杭州市十三中教育集团，浙江 杭州 310012)

在物理教学中我们经常借助于实验来探究规律,使抽象的规律变得更加直观．通过微材料开发、过程微拓展、方法微创新、手段微创意等方式来激发学生学习兴趣、培养学生创新意识等.物理微实验创新设计探索各种新方式,更大限度地发挥实验在物理教学中的作用．

物理教学;微实验设计;创新方法

实验是物理教育中的重要方法,它不仅承载一定的科学知识, 而且蕴含着科学素质、科学思维方法、科学研究能力等核心素养．在科学技术发达的当今,实验教学仍然保持旺盛的生命活力,因此,我们必须对实验教学继续思考并着力有效地推进实验教学．课堂教学中实验设计一般是基于教材实验并以教材的实验为背景,其功能主要是用于帮助学生建立概念,突破教学重点与难点．

1 微材料:取材简单激活兴趣

在物理教学实验设计中,实验材料的选取和获得是实验是否成功的一个重要因素．学生对于物理学既好奇又胆怯,以为物理很难学,物理实验更是难上加难．实际上,许多初中物理实验的材料在我们身边随处可找,依据一定的物理原理,设计好一定的实验方案后,或者根据平时自己的观察与留意,根据材料的性能,结合所学的物理原理,可以开发很多的微实验,来帮助攻克学习的重点与难点,有效地激发学习的兴趣．

图1

案例1.鲤鱼跳龙门.

在学习流体流速与压强的关系时,教师创设情景:鲤鱼跳龙门．让硬币代替鲤鱼,用牙签等材料制作一个个龙门,让学生吹气使“鲤鱼”跳过“龙门”,如图1所示．学生做如下操作:将牙签等“龙门”按高度关系,隔一定的距离分摆在桌面上并固定牢,寓意依次为一级龙门、二级龙门……将硬币放在牙签前,在其上方用力水平吹气,硬币便可一跃而起,跳过“龙门”．随着气流的大小变化,跃起的高度也会相应变化．掌握吹气力度,看谁能使硬币跃过更高级的“龙门”．

空气流速与压强的关系为:流速越大,压强越小．当用力在硬币上方水平吹气时,硬币上方的空气流速大,压强就减小了,使得硬币上下压强不等,硬币下方向上的大气压力大于硬币上方向下的压力和重力,就把硬币向上抬起,成跃起的姿势．

图2

案例2.制作降落伞.

我们在学习了“流速越大压强越小”的原理之后,还可以引导学生做以下实验:用A4纸制作降落伞(如图2),降落伞在下落的过程中,总是左右不停地晃动,这是为什么呢?学生经过合作交流后,认为“降落伞”在下降的过程中,“降落伞”的周边空气流速大,压强较小,随着“降落伞”的下降,便形成一个“旋涡”,降落伞处于旋涡之中, 这样降落伞当然就不稳定．在教师的启发下,学生悟到,只要在降落伞的顶部剪一个小孔,空气就会往小孔处流,就破坏了原来的旋涡,降落伞就平稳下落．在实验中,这个小孔的大小也要合理,不宜太大,也不能太小．

物理实验设计从某种意义上讲,就是材料的选择和组织,对于某个物理原理来说是既定的,但可以选择的材料很多,不同的教师由于教学理念、教学经验不同以及学校的教学条件不同,可以选择不同的材料．对于教学材料的选择,需要教师个人或者教研组作深入的思考和选择,使实验更加完美．

2 微拓展:提升思维能力

实验拓展的方法很多,可以按照教材上的物理知识点进行拓展,也可以把生活和社会中的科学现象以及与物理知识有关的问题作为实验内容,以拓宽实验的视野,激发学生探究的欲望,提升学生的科学素养、培养学生的探究能力．

案例3.魔力纸——压强拓展.

“压力与压强”是初中物理中一个重要的单元,其中可以拓展的东西还是很多的．学生已知压强与“受力面积、压力大小”有关,那么,物体承受压力大小与物体的形状和结构有关吗?引导学生首先进行受力分析,例如拱形物体能把外来的压力向两侧分散,因此会承受较大的压力,如拱形桥其承压能力就大大地增大;L形物体也能将力分散到不同部位,也能承受较大的压力,如L形钢铁其承压能力就强．据此,我们进一步引导学生进行自主设计、自主探究、自主评价,用实验来论证“物体的形状和结构影响其承受压力的大小”．学生实验过程和方法如下:取两本较厚的书本平放在书桌上(图3),把纸条搭在两本书中间,在纸条上放上一块橡皮,不断改变纸条的形状,观察不同形状的纸条所能承受的压力的大小．

A. 纸条平放时被压下来 B. 纸条拱形能托住橡皮 C. L形纸条能托住橡皮

案例4.测量密度——气压拓展.

学生们在测量小石块的密度后,教师提供大米,让学生们测量大米的密度．学生发现用天平可以测得质量,由于米粒间存在较大间隙,直接用量筒测量大米体积,测量值比实际值大,但是用排水的方法测量大米的体积,由于大米容易吸水,显然也是不合理的．能否用排空气的方法测量大米的体积呢?在教师的帮助下,根据玻意耳定律,在密闭容器中的定量气体,在恒温下气体的压强和体积成反比关系,其公式为p1V1=p2V2．根据公式可以知道,获取数据需要器材如下:一个测量压强的压强传感器,和一只容积较大的注射器,设计如图4装置．只要测出某容器中空气和大米的总体积,根据玻意耳定律,测得容器内空气的体积,其差值就是大米的体积．

思路理清后,进行如下实验: 取适量的大米,用天平测出其质量m,然后将大米装入注射器内;活塞至某一位置,记录体积V1,通过压强传感器、数据采集器从计算机上读取此时气体的压强p1;再缓慢推动注射器活塞至另一个位置,记录体积V2,读出气压p2,根据记录的数据,可以计算出体积V=(p2V2-p1V1)/(p2-p1),继而可以算出大米的密度为ρ=m(p2-p1)/(p2V2-p1V1)．

“还学于生”是课程改革的一个重要理念．学生学习过程中,就是一个不断发现问题、拓展问题、分析问题、解决问题的过程．例如在学习压力压强时,通过一定的问题情景,使学生静下心来思考与分析,在已有物理知识的基础上,进一步拓展压强的内涵与外延,培养学生解决实际问题的能力,让学生在思考分析中激活思维、优化认知结构、内化新知识,同时提高学生质疑能力、反思能力、发现问题和解决问题的能力．

3 微方法:培养灵动的科学方法

教育要从真正意义上实现“素质教育”,不仅仅减少考试次数,更重要的是课堂教学要体现以人为本,灵活应变,要求我们在物理教学中提高学生的分析能力和问题解决能力,还要学习科学家在科学研究中所运用的科学方法,增强学生的创新能力和创新意识．

案例5.内能的实验改进1.

在学习“内能”一课时,探究对气体压缩做功,对筒内空气做了功,空气内能增加,温度升高,棉花燃烧起来．我们往往采取实验如图5所示的装置:在一个配有活塞的厚壁玻璃筒中放一小团硝化棉,迅速向下压活塞,压缩玻璃筒内的空气,让学生认真观察筒内是否有着火现象．可是效果不大好,往往烧不起来,甚至由于教师用力过猛,把玻璃筒给压坏了．我们在此基础上,在一个注射器中安装一个温度传感器(如图6所示),用手慢慢地压下活塞,传感器显示屏上的温度示数慢慢地变大,效果非常明显．学生由此可以分析得出“对筒内空气做了功,空气内能增加,温度升高,空气的内能增大”．反之,松开手后让活塞慢慢地弹出,温度示数慢慢地下降．可以反复做几次,让学生深刻领悟其中能量转化的原理．

案例6.内能的实验改进2.

在“内能”一节中,教材上利用如图7的装置来演示,用来说明“气体膨胀对外做功,内能减小”,这个实验缺点是“能见度”低,大多数学生看不到或者看不清楚．在课堂中,笔者采用了如下的方法进行改进.

图7图8

教师事先让每个学生都带一个矿泉水瓶(瓶壁较薄一些的效果佳),在瓶子里加入1-2滴酒精,让每一位学生都使劲拧紧矿泉水瓶,直到不能拧紧为止(如图8),然后快速把盖子打开,此时会听到“砰”的一声响,瓶盖飞出,这时可以看到瓶口出现了明显的“白气”．这个实验效果好,而且这样使演示实验变成了人人参与的学生实验,学生兴奋度很高．

图9

案例7.内能的实验改进3.

如图9,制作一个气密性良好的装置．在瓶中加入少量的水,摇晃几下,让水润湿一下内壁,之后将多余的水倒掉,然后点燃一根火柴并熄灭它,把带烟的火柴快速地投入瓶子中,并迅速把瓶塞塞紧,塞紧后立即通过管子向里吹气,尽量多地吹气,吹气停止后用手指堵住管口一会儿,此时,瓶内是清澈透明的,然后移开手指,瓶中出现“白雾”．这是因为移开手指后,瓶内气体对外做功,内能减小,温度下降,由于瓶内存在一定量的固体小颗粒(烟),水蒸气液化出现白雾，其中的烟就是充当凝结核的作用,有利于水蒸气凝结．

初中物理教学在传授知识的同时,我们应该重视科学方法的教育,把科学方法融合在物理教学中，让学生在实验探究中,不断尝试利用科学方法来解决实际问题,如以上的物理实验,就是把科学方法揉和在教学内容之中,如案例7的实验也可以在探究“降水的条件”中使用,来解释凝结核的作用．这样的实验活动,学生非常喜欢,涉及的知识点也多,方法灵活多样,有利于培养学生的科学素养,较大地刺激学生大胆思考，从而参与实验设计与创新．

4 微创意:提高学生创新意识

教师在引导学生感知物理现象、构建物理原理、掌握物理规律、解决实际问题的过程中,不断改进物理实验,点燃学生的创新欲望,激发学生的灵感,培养学生的探究精神,培养学生的科学实验素养和创新意识．微创意是科学实验教学的一个重要方法,以科学课中的实验为根源,探索一些来自生活的创新实验来替代书本同类实验,可使实验生活化、趣味化、多样化．

案例8.电磁感应的实验创新.

在“电磁感应”教学时,我们往往利用图10进行实验,从而引出电磁感应现象．能否给学生一个简单又震撼的实验呢?我们可以利用电磁感应原理,利用身边的材料制作一个简易的电磁感应实验装置,如图11所示．学生看到这个实验时,必定惊叹不已．

图10

图11

案例9.电动机的实验创新.

为了进一步了解直流电动机的构造和工作原理,教材安排通过练习安装直流电动机的模型,培养学生动手组装能力．教材按图12所示,把直流电动机模型的各个部件安装成整机．学生对于这么一个“高大上”的电动机,只能是望洋兴叹,如果自己也能做一个电动机那是多好的一件事呀.

图12 电动机模型图13 简易电动机

实际上,只要真正懂得电动机的原理及其结构的本质特点,我们可以引导学生进行制作,让孩子们玩个够.

电动机创新1:制作线圈15匝,调整线圈头尾引线位置,使其在转子线圈的直径的延长线上,将引线的绝缘漆一端的漆全部刮去，另一端刮去一半.在泡沫板上放上磁铁,用回形针制作支架,并在支架上各绕上电线,将回形针支架固定在泡沫板上,将磁铁放在支架的中间．安装电池并使转子与支架接触良好,如图13所示．只要轻轻动一下线圈,它便会持续地转动起来．

电动机创新2:我们知道,直流电动机中有一个很具创意的重要部件——换向器,如果想把这个本不十分复杂的换向器也改掉,即要设计一个简化的、不用换向器的电动机．改进如下:用铜线做一个方型线圈(如图14所示),一节5号电池,一个钮扣磁铁,把线圈架上,线圈将会转动来,这就是一个简易的电动机模型了(如图14)．

图14 简易电动机

上述实验中,为探究电动机提供了一种新的思路和方法,让学生利用身边的材料,自主设计实验体验电动机的魅力,在学生展示自己的作品的时候,表现出了活跃的思维和丰富的创意,在不断改进的实验中,学生真正理解电动机的物理原理,无需死记硬背电磁感应原理．

迁移和创新是解决问题的核心,而物理是以实验为基础的学科,实验作为重要的学习方法,既能形象地反映物理本质,也能展示直观的复杂的物理过程； 既能提升学生的思维能力,也能提高学生的动手操作能力,更能在实际的情景中培养创新意识．我们要积极开展实验创新活动,摒弃以题代教的教学模式,减少题海战术,从而培养学生解决物理问题的能力．

1 贾浓铀.趣味科学实验室[M].天津:天津古籍出版社,2010:105.

2 郑青岳.教学创新设计的几条思路[J].教学月刊,2016,718(5):20-23.

3 黄俊芳.例析加拿大高中生物学微实验设计的策略[J].生物学教学,2016,41(8):12-13.

2016-12-16)