初中物理教材实验插图使用的问题与改进策略

顾永健

(苏州工业园区星澄学校，江苏 苏州 215122)

物理教学中，实验是探索物理知识、研究物理规律的重要方法，是培养学生思维的重要载体.苏科版初中物理教材中结合“活动”“学生实验”设计了大量的实验插图，有的呈现实验装置，有的展示实验情境，是教师开展实验教学的重要资源.但是在实际教学过程中，不少教师对这些资源的研究不够深入，使用略显随意，导致学生思维含量不高，失去了应有的教育作用.下面分析实验插图使用中的4个问题，并提出教学改进建议，与大家探讨.

1 照本宣科，简单重现

这是最典型也是最普遍的现象.表现为教材实验插图怎样设计，课堂实验就如何进行，教师或学生只是实验过程的再现者.如通过“探究带电物体间的相互作用”，分析得出自然界只有两种电荷，教材设计了如图1所示的3幅实验插图.以下是很常见的教学片段.

图1

师：将两根用丝绸摩擦过的有机玻璃棒相互靠近，你看到什么现象？

生：相互排斥.

师：将两根用毛皮摩擦过的橡胶棒相互靠近，你看到什么现象？

生：相互排斥.

师：将用毛皮摩擦过的橡胶棒与用丝绸摩擦过的有机玻璃棒相互靠近，你又看到什么现象？

生：相互吸引.

师：换用其他的物体做实验，也只有两种现象，带电体之间不是排斥，就是吸引.原因是自然界中只存在两种电荷，分别是正电荷、负电荷……

如此“短平快”的教学，结论的得出似乎顺理成章.但细究，探究的过程是不丰满的，实验过程只有简单重复的操作；教学的逻辑是跳跃的，学生的学习过程缺乏相关的分析和推理；结论的给出是生硬的，学生对两种电荷的认识仅停留在识记层面上，属于浅层学习.从“摩擦起电”到“只有两种电荷”，其中蕴含着大量艰辛的实验探索和复杂的思维活动，如何让探究味更加浓郁？笔者设计了两个探究问题.

探究问题1：绝缘体摩擦后因带电而能吸引轻小物体.这些带电体之间是否也能吸引或发生其他作用呢？

在学生猜想基础上，教师提供多个玻璃棒(橡胶棒)、丝绸(毛皮)，要求设计实验来研究带电体间的相互作用，并在表1“摩擦对象”一列中填上带电体的组合.

表1

实验1、2中“摩擦对象”相同，带电体所带电荷的种类相同，通过实验发现它们间相互排斥.实验3中观察到带电体间却相互吸引，其现象与实验1、2不同，不同的原因是什么？说明不同的带电体所带电荷的种类不同.

探究问题2：摩擦起电是不是让各种不同的带电体带上了多种各不相同的电荷？它们间除了吸引和排斥，还有其他的作用吗？

师生讨论，可以把丝绸摩擦过的玻璃棒和毛皮摩擦过的橡胶棒作为标准物体，用各种不同的带电体分别靠近它们，并将结果填入表2.

表2

实验发现各带电体之间仍只有吸引或排斥两种作用，且与丝绸摩擦过的玻璃棒相互吸引必然与毛皮摩擦过的橡胶棒相互排斥，反之亦然.在此基础上，引导学生对摩擦起电的电荷种类发表看法，并阅读课本.“大量实验表明，物体相互摩擦所带的电荷只有两种：一种与用丝绸摩擦过的玻璃棒所带的电荷相同，称为正电荷；一种与用毛皮摩擦过的橡胶棒所带的电荷相同，称为负电荷.同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引.”

照本宣科完成教学任务不难，简单内容的深度教学不易.物理实验在于丰富学生的课程履历和学习过程，在于开阔学生的思维.教师要善于将自己熟悉的内容变“生”，与学生一起经历知识发现的过程，不仅让学生知道真实的物理学发现并非一蹴而就、轻而易举，更重要的是让学生在“寻找证据”“解释现象”“得出规律”这一过程中，提升思维能力，培养科学素养.

2 直奔主题，不加铺垫

进行实验教学，必然要使用实验器材，对器材的认识是探究教学中的一个细节.许多教师在备课的时候往往忽略了这点，实验器材的出现太快、太突然，不管学生是否已做好认知的准备.如在“凸透镜成像的规律”一节中，教材提供了图2所示的实验器材安装图，对应的文字叙述是“如图2所示，组装并调节实验器材，使烛焰和光屏的中心位于凸透镜的主光轴上”.实际教学中，许多教师在引导学生初步发现凸透镜成像特点与物距、像距有关后，立即出示光具座，介绍烛焰、凸透镜和光屏的安装与调试，然后组织学生探究凸透镜成像的规律.教师对这幅图的地位认识不够、光具座的出现太早，使得学生对探究方案一知半解，教师只能中途不断给学生的探究按下“暂停键”，临场指挥，导致探究无法真实、自由地进行.

图2

几乎每所学校的实验室都有光具座，为什么教材的实验装置图不采用呢？应该说，教材的这幅图给师生的探究提供了更多自由的空间.它是教师课堂引入到学生自主探究的桥梁，它所对应的“组装与调试”操作是学生探究过程中不可缺少的一步，是学生能否应用光具座完成该实验的关键.结合这幅实验装置图使用的前、中、后过程，笔者设计了凸透镜成像的“初探”“再探”和“精探”3个活动.

初探：师生用凸透镜当放大镜观察物体、将远处物体通过凸透镜成像在白纸上，凸透镜分别能成正立放大的像、倒立缩小的像，凸透镜比之前学过的平面镜成像更丰富.

再探：凸透镜还能成更多的像吗？

教师提供物体(用LED灯带自制F型发光体)、演示用凸透镜(直径约15 cm，固定在铁架台上)和光屏(半透明膜覆盖在约1 m×1 m的木框上)，全体学生共同解决下列5个问题.实验时光屏由两位男生移动.

(1) 平面镜成像的原理是光的反射，凸透镜成像时，凸透镜、物体和光屏按怎样的顺序摆放？你的理由是什么？

(2) 像要成在光屏中央，像才完整.请两位学生移动光屏，如何才能做到？

(3) 如何让光屏上的像最清晰？请学生继续移动光屏，找到解决的办法.

(4) 如何找到更多的像？物体到凸透镜的距离变化了，像到透镜的距离也会变化吗？

(5) 我们不仅要得到像，更要研究成像背后的规律，你认为要做哪些记录？

“再探”活动中充分利用教材提供的实验图，组织学生进行“精探”前的系列铺垫、体验活动，激活学生已有经验，让学生沿着自己的思维方式参与实验方案的制订.通过活动，学生发现物体、凸透镜和光屏“三心等高共线”是为了像完整成在光屏中央，前后移动光屏是为了找到更清晰的像；而要比较物距、像距，教师提供的器材存在不足，且每一次改变物距后，光屏的调节也不方便——这些体验，为学生对光具座的认识和使用、对实验方案的设计以及进一步分组“精探”扫清了障碍.

直奔主题，不加铺垫的结果往往是教师强推硬塞、学生被动接受，教师的“引导”变味成“向导”，学生迷迷糊糊中结束“探究”.暂时隐藏一些关键器材，铺垫一些必要的台阶，从毛坯到成品，让其在关键时刻闪亮登场，让学生有一种“似曾相识”的亲切感，从而使学生的操作更有指向，思维更活跃顺畅，不断地自我发现、自主建构，形成物理观念，促进科学思维的发展.

3 关注结果，弱化过程

物理实验要明确“做什么”“怎么做”“做的怎样”“结果是什么”等过程，但受急功近利思想的影响，教师关注更多的是实验结论是否正确，而不愿意花时间引导学生弄清“做什么”“怎么做”等问题，实验过程显得非常单薄，学生的思维得不到充分的训练.例如“探究通电导线周围的磁场”实验，教材安排了两幅实验插图(如图3、图4所示)，分别对应的是“奥斯特实验装置”和“通电直导线周围的磁场分布特点”.在教学中，教师通常会强调该实验的操作方法.

图3

图4

请学生们将一根直导线架在静止的小磁针的上方，并使直导线与小磁针平行.

(1) 接通电路，观察小磁针的偏转情况.

(2) 改变直导线中的电流方向，观察小磁针偏转方向的变化.

师生得出：通电导线的周围存在磁场，其方向与电流方向有关.这个揭示“电生磁”的实验是丹麦物理学家奥斯特在1820年首次发现的，物理上把这个实验称之为奥斯特实验.通电导线周围的磁场分布是怎么样的？教师按图4方法进行演示，学生观察后说出磁场分布的特点.接着师生一起研究通电螺线管周围的磁场.

该教学片段突出实验现象的呈现，缺少为什么要这样做的思维过程.实验中，结论的获得太容易，让学生错失了思维培养的绝佳机会.教学改进.

在新课引入的基础上，学生猜测电能生磁.那么如何设计实验来证明电流的周围存在磁场？需要哪些器材？选择这些器材的理由是什么？

学生利用导线、开关、电源等初步设计出如图3的实验装置.学生将直导线从各个方向去靠近小磁针并通电，发现将导线放在小磁针正上方且与小磁针平行时，小磁针偏转明显；而导线与小磁针恰好垂直时，小磁针几乎不偏转.

师：小磁针偏转，说明导线通电后产生了磁场；小磁针不偏转，是不是这个位置的电流没有产生磁场？能不能用之前学过的知识解释一下？

生：有磁场.小磁针不偏转，很有可能这个位置的磁场方向与小磁针N极的指向是一致的.

师：电流通过直导线产生的磁场，其方向与电流方向可能存在什么样的位置关系？

生：相互垂直.

师：我们不仅要研究通电直导线下方有无磁场，也要研究通电直导线前方、后方、上方等各个位置有无磁场.你有什么办法？

生：在这些位置都放上小磁针.

师：你遇到了什么困难？

生：放在直导线前方、后方等位置的小磁针，无法转到竖直方向.

师：你有什么大胆的做法呢？

生：可以将直导线竖直放置，观察周围各处小磁针在导线通电后的指向.

生：也可以将直导线竖直放置，在周围撒上铁屑，观察导线通电后铁屑的分布.

……

该教学从“做什么”开始，引导学生进行电路设计；经历3次“怎么做”，让学生找到小磁针偏转明显的位置、反思不偏转的原因；反思通过导线下方小磁针的一次偏转与否就下“通电导线周围存在磁场”的结论，过程是否严谨？最后解决图3到图4为什么要将导线从水平到竖直放置的原因，使探究真实而自然地发生.教学要达到“春风化雨、润物无声”的效果，不妨多一些源自学生经验的“长程”设计，让学生都能积极参与、主动体验，虽然会经历困难和挫折，但学生的创新意识被激发了，避免了“肤浅认识、简单思考”的不良习惯，促进了学生的深度学习.

4 研究不透，挖掘不够

同一个实验，从不同的角度进行研究，会有不一样的效果.但帮助学生理解知识、开拓思维、提升能力的目标始终是相同的.如果对实验的研究不透，挖掘不够，就容易出现假探究，学生对知识似懂非懂、一知半解，思维达不到应有的深度.教材在“磁体与磁场”一节中安排了这样一幅实验插图(如图5所示)，让学生通过探究认识到磁场是磁体周围确实存在的一种看不见、摸不着的物质.教师对这幅实验插图的处理通常有两种方法.

图5

方法1：将磁场与木棒、细线等有形物体类比.先演示磁体不与回形针接触，回形针不掉下；转动磁体，回形针也跟着转动.要求学生思考磁体对不接触的回形针为什么有力的作用？引出磁体和回形针间存在一种像木棒、细线一样可以“传递”力的物质，物理上把这种看不见、摸不着的物质称为“磁场”.这种方法，仅仅让学生“认识”到磁场的存在，但没有让学生“看到”磁场.

方法2：教师先用条形磁铁、小磁针进行实验，得出磁场概念，然后利用该图演示当用塑料片、纸片、铁片等分别穿过磁场,看回形针是否掉落?学生观察并得出结论，磁场不可以穿透铁片.此方法将该图对应的实验处理成帮助学生拓展认识磁场的一个性质，在新课教学中显然不可取.

教材在这幅图的后面，有这样一句话：“研究表明，磁体的周围存在着磁场.”如何进行研究，让学生能真正感受到磁场的存在？教学改进如下.

师：生活中许多物质我们是看不见的.例如“风”，学生们能用什么办法判断“风”的存在？

生：观察空气中的旗帜，旗帜飘动，说明“风”的存在.

师：用木棒拨动小磁针，小磁针从静止变运动，说明木棒对小磁针产生了力的作用.用嘴吹小磁针，小磁针也能转动，“风”给其作用力.若用纸挡住，则“风”的作用被挡住.

接着演示用条形磁铁靠近回形针，回形针不掉下，让学生感觉磁体和回形针间也存在一种像“风”一样看不见、摸不着的物质.

如何检验这种物质是否真实存在？用纸阻隔“风”来启发，学生提出在磁体和回形针间放上纸片、塑料片、铁片等物体，发现用铁片隔在两者之间时，回形针掉下，磁体对它的作用消失——学生感受到了磁场作为一种物质的真实存在.

许多物理现象对教师而言司空见惯，例如“磁场”“人眼看不见的光”等，但如何让学生理解深刻，教学中师生的平等对话尤其重要，教师要善于将自己的经验转化成学生的体验.初中生抽象能力弱，思维链不完整，教师在实验教学中要认真研究学生学习的起点，遵循学生思维发展的规律，挖掘实验现象中隐藏的教育价值.简言之，实验教学始于现象，追寻本质，让学生在平等体验的过程中提高思辨能力，培养创新思维.

限于篇幅，教材利用插图简明扼要地呈现实验装置或基本的实验过程，如何进行实验教学要靠教师的智慧去精心设计，此所谓用教材而不是教教材.当然，开展实验教学的途径很多，教材中还有许多实验资源，作为教师要积极开展实验教学研究，切实提高实验教学质量和效益，促进学生的发展.