分析物理实验异常现象促进学生深度学习

徐善勇 孙福如

摘 要：物理学是一门以实验为基础的学科，初中学生在物理实验过程中出现异常现象司空见惯.充分利用这些异常现象，促进学生深度学习，是值得初中物理教师研究的一个重要课题.通过对异常现象的分析，可以使学生认识实验条件对结论的影响、掌握辨识问题的思路与方法、提高实验操作能力和分析能力、熟悉科学探究的程序和方法、加深对知识的理解.

关键词：初中物理;学生实验;异常现象;分析;深度学习

文章编号：1008-4134（2020）06-0007    中图分类号：G633.7    文献标识码：B

物理学是一门以实验为基础的学科，初中学生在物理实验中，由于种种原因，出现与预期不一致的异常现象是常见的.如实验设计异常、操作过程异常以及实验现象异常等等，这都是极好的动态生成、培养学生良好科学素养的教学资源.实验中的异常现象有时具有积极意义，我们知道，物理学史上许多发现源于对“异常现象”的探索.物理异常实验现象中孕育着创新，有利于学生求异思维和创新精神的形成.教师应引导学生分析产生异常现象的原因，提出并清晰表达自己的观点，让学生在真实的问题情境中进行探究，亲身体验科学的研究过程，把握科学的研究方法，这样不仅能培养学生的问题意识，促进学生对物理知识的理解和深度学习，而且能有效培养学生的实验探究能力，甚至提出新的、富有创造性的实验思路.通过对实验中异常现象的分析，可以从以下几方面促进学生的深度学习.

1 让学生认识实验条件对实验结论的影响

科学知识和结论都是有条件的，物理知识也不例外.加強实验教学，让学生动手实验，尤其是让学生亲自体验并分析实验中的异常现象，有助于学生理解条件和结论之间的关系，能够使学生在应用结论和知识时考虑到它们的条件和局限性，还能帮助学生理解一些重要实验方法与原理，如控制变量法等.

案例1 在探究“滑动摩擦力大小与什么因素有关”的实验时，同学们猜想：滑动摩擦力大小可能跟接触面的面积有关.于是大多数小组利用滑块平面和侧面粗糙程度相同的木块，用弹簧测力计沿水平方向拉着木块做匀速直线运动，如图1所示，分别测出平放与侧放时的摩擦力，发现滑动摩擦力大小与接触面面积大小无关.但有两个小组利用粗糙程度相同、大小不同的两块木块，分别用弹簧测力计沿水平方向拉着木块做匀速直线运动，分别测出它们平放时的摩擦力.这两小组发现小木块受到的摩擦力小于大木块受到的摩擦力.由于小木块的接触面积小，于是他们得出的结论是：滑动摩擦力大小与接触面的面积有关，滑动摩擦力的大小随接触面面积的减小而减小.在交流时他们发现自己的结论与他人不同，这时教师引导他们分析，要求他们小组叙述实验的经过，在叙述过程中他们发现了问题所在，没有控制变量，即没有控制压力一定.使他们懂得实验条件对结论的影响.再让全班同学思考，如果用大小不同的两块木块探究，怎么做呢？许多同学立即想到，只要两块木块上下交换叠放就可以了.使同学们有“众里寻他千百度，蓦然回首，那人却在灯火阑珊处”的感觉，正确的方法就很自然地存在于我们脑中.

案例2 在探究“影响液体蒸发快慢的因素”时，为了探究蒸发的快慢与液体表面空气流动快慢的关系，将酒精滴在玻璃上，分别观察在自然状态下和增大空气流动速度的情况下的蒸发快慢情况，有的同学为了增大空气流动速度，采用的方法是用嘴吹，此时虽然得到的结论是正确的，但方法是错误的，因为用嘴吹气改变了温度，没有控制温度不变，这时教师必须及时指出，引起同学们注意.

2 能培养学生辨识问题的思路和方法

实验中异常现象的发生涉及诸多因素，如实验的仪器、原理、条件、操作过程以及注意事项等因素的影响.要辨识出主要问题并提出有针对性的解决方案，需要一定的思路与方法，培养这种思路与方法，对培养学生良好的科学素养有很重要的作用，也更好地完善了物理实验这一宝贵的物理教学资源的功能.这种思路与方法需要在解决复杂问题的过程中逐步培养，对实验异常现象的分析就是很好的契机.

案例3 苏科版八年级物理下册“浮力”一节中的“探究影响浮力大小的因素”实验，教材中的图（b），当圆柱体逐渐浸入水中时，弹簧测力计的示数逐渐减小，说明浮力在增大;教材中的图（c），改变圆柱体浸没在水中的深度，弹簧测力计的示数不变，说明此时浮力大小不变.学生误认为这是在探究浮力大小与深度的关系，所以学生很容易得出“浸没前，深度增加，浮力增大;浸没后，深度增加，浮力不变”的结论.而浮力大小与“物体排开液体的体积”有关这一因素，在学生已有的认知里，是很难猜想到的，这时需要教师引导学生对问题进行辨识与分析，这里仍用实验探究的方法突破这一难点.

将教材中的圆柱体改为长方体铝块，首先将长方体铝块竖直悬挂在弹簧测力计的下端，并逐渐浸入水中，到浸入一半长为止，读出此时测力计的示数（如图2所示）;然后将长方体铝块横放悬挂在弹簧测力计的下端，并逐渐浸入水中，到浸入一半厚为止，读出此时测力计的示数（如图3所示）.学生发现两次测力计的示数相同，说明铝块受到的浮力相同.但学生也发现两次铝块浸入水中的深度不同，出现了认知冲突.借此引导学生深度思考：两次有什么物理量相同呢？学生分析发现两次铝块浸入水中的体积相同.接着教师指出：我们把“物体浸在液体中的体积”叫做“排开液体的体积”.再让学生解释物体浸入水中时深度增加浮力不变的原因.到这里就可以分析得到影响浮力大小的一个因素“物体排开液体的体积”，而“浮力大小与深度无关”.直观的实验现象使这一因素的得出水到渠成.为了帮助学生更好地理解这一“陌生”的因素，再用溢水杯和收集溢出水的小桶进行实验，使结论再次得到验证，学生确信无疑.

3 让学生熟悉科学探究的程序和方法

教学中实施科学探究旨在改变学生的学习方式，让学生在自主探究学习中建构知识结构，以学生熟悉的事物为突破口，以实验为载体，引导学生了解探究活动的过程和方法.科学探究有相对固定的模式：观察或研究现象—提出问题—猜想与假设—确定研究方案—实验—反思与矫正.科学探究的方法多种多样.实验的异常现象就是学生进行探究的好资源，让学生在充满好奇的氛围中经历科学探究的过程，熟悉科学探究的一般模式，在解决问题的过程中学习探究方法.