从实验方法的角度引导学生自主设计实验

郭梅带

(广东省中山市中山纪念中学火炬一中, 广东 中山 528400)

《义务教育物理课程标准(2022年版)》中提出:“引导学生经历科学探究过程,学习科学研究方法,培养科学思维习惯,进而学会学习……”.由此可见,“引导学生自主设计实验并进行实验”在新课程改革的背景下已是迫在眉睫[1].笔者结合自己多年的教学实践,将从多种实验方法的角度来引导学生自主设计实验展开讨论.

1 从控制变量法的角度,引导学生进行自主设计实验

控制变量法是科学探究中的重要思想方法,它在物理学的科学探究和科学实验中应用特别广泛.控制变量法是指:在研究某个问题(如物理量等)与两种或两种以上因素的关系时,每次只改变一个因素,其他因素保持不变,通过分析这个改变的因素与所研究问题之间的关系,再综合分析得出结论(或规律).

例如在“研究液体压强大小的实验”活动中,学生猜想:①可能跟浸入液体的深度有关;②可能跟液体密度大小有关;③可能跟方向有关.要验证上述猜想是否正确,如何设计实验呢?先让学生讨论,然后教师引导提问:怎样判断液体压强大小?要验证猜想①该怎样做?要验证猜想②又如何设计?引导:要用两种液体,只改变液体密度,而控制深度和方向均不变;要验证猜想③就要控制液体密度和深度不变,只改变橡皮膜的方向做实验.引导学生分析后选择器材:两种或以上密度不同的液体、液体压强计、烧杯.通过教师恰当的引导,学生就能设计出完整且科学合理的实验方案,在设计实验的过程中又兼顾了思维方法.通过以上问题的提出和分析讨论,学生对整个设计实验的过程和方法都有了清晰的认识,接下来的实验和收集数据就相对容易完成,也为接下来的科学探究过程奠定了基础.

2 从转换法的角度,引导学生进行自主设计实验

在保证效果不变的前提下,物理学中对于一些看不见摸不着的现象或不易直接测量的物理量,通常用一些非常直观的现象去认识或用易测量的物理量间接测量,这种研究问题的方法叫转换法.

初中物理利用转换法进行实验探究的实例很多,例如探究阻力对物体运动的影响实验中,引导学生通过小车在不同表面上运动的距离来反映阻力对物体运动的影响情况,探究电磁铁磁性的强弱实验中,引导学生通过吸引大头针的多少来反映磁性强弱,探究影响压力作用效果的因素实验中,利用小桌陷入海绵的深度来判断压力的作用效果等.在上述测液体压强大小与什么因素有关的实验中,我们将液体的压强转换成我们能看到的液柱高度差的变化.再如,在探究不同物质吸热情况的实验中,水和食用油吸收热量的多少无法直接观测和比较,在引导设计实验过程中如何将“两种物质吸收热量的多少”反映出来,这就需要用到转换法.首先引导学生思考选择的加热器是相同还是不相同?为什么选相同?学生就会思考到:选规格相同的电加热器目的是使水和食用油每秒钟吸收的热量相同.因此,学生在设计实验时自然就想到物质吸热的多少转换成加热时间的长短来表示.接着,再进一步引导学生思考:如何判断物质的吸热能力?学生讨论得出结果:①加热相同的时间,比较升高的温度;②升高相同的温度,比较加热的时间.通过这样引导学生思考,转换的思维方法得到训练,学生自主设计实验的能力也同时提高.

3 从比值替换法的角度,引导学生进行自主设计实验

很多测量型的实验设计需要用比值替换法来思考.在引导学生设计实验时,教师提出疑问:实验中要测量的物理量如果无法直接测量应该怎么办?引导学生改变角度,用另外两个可以直接测量的物理量之“比”来替换这个难以直接测量的物理量,在初中物理实验中的电阻、功率、压强、密度、速度等物理量的测量,都应用了比值替换法.

例如,在“伏安法测小灯泡的电阻”实验中,学生实验器材中没有测量电阻的电阻表这个仪器,教师引导学生思考要根据现有的实验器材或能够直接测量的物理量来替换小灯泡的电阻这个物理量.教师可以提出以下问题来引领学生思考,并自主设计完整的实验方案.①这个实验的实验原理,即电阻的计算公式是什么?②根据这个公式,要测出小灯泡的电阻,需要测出相关的物理量有哪些?③测这两个物理量需要用到什么仪器?④在什么条件下测出的电阻才是小灯泡的额定电阻?⑤如何改变小灯泡两端的电压?我们需要用到什么实验器材?⑥滑动变阻器与小灯泡是串联还是并联?最后要求学生根据上述提示,来设计测量小灯泡电阻的电路图和实验方案,并依据设计的电路图连接实验器材完成测量.教师通过循序渐进的设问,指引学生巧妙深入地探究,使学生逐渐认识到如何依据实验原理中需要测量的物理量来进行实验设计.同时,学生在思考要素的过程中,也能对实验设计方法有完整且清晰的认识,自然形成了分析问题的方法.

4 从等效替代法的角度,引导学生进行自主设计实验

研究某一个物理现象和规律时,在保证某种效果(特性和关系)相同的前提下,将实际的、陌生的、复杂的物理问题和物理过程用等效的、简单的、易于研究的物理问题和物理过程来代替研究和处理的方法得到结论,这种方法叫“等效替代法”[2].此方法如果运用恰当,不仅能简化研究问题,更容易得出结论,而且易被学生接受和理解.

例如在“测量固体的密度”实验中,小矿石的体积不规则,不能直接用公式计算出它的体积,从数学的角度难以测量.教师可以引导学生讨论得到小矿石所占空间大小就是它的体积,并得出用液体的体积来等效替代固体的体积.具体做法是:学生先用量筒测出一部分水的体积,然后把细线系好的小矿石缓慢放入装水的量筒中,所增加的体积就等于小矿石的体积.采用等效替代法测量的体积简洁而精确.在初中物理课堂上,教师应有意识地培养和发展学生的等效替代思维,这样有利于提升学生对物理现象和问题实质的理解,同时也有助于物理课堂教学目标的达成.另外,应用等效替代法有助于培养学生的科学思维和激发学生科学探究的欲望,提升学生的物理学科核心素养.

5 从对比法的角度,引导学生进行自主设计实验

初中物理更多的是视觉认知,物理教材中有大量演示实验和学生实验,这些实验的结论大部分都是通过对比法得出的:通过实验现象的对比提出猜想,通过改变前后的条件,对比实验现象,得出结论.

例如,探究“阻力对物体运动的影响”实验,牛顿第一定律的内容与学生日常生活体验的认知完全相反,为了让学生更快地理解并通过实验探究得出牛顿第一定律,如图1所示,通过在斜面相同高度滑下的同一小车,对比小车在铺毛巾、铺棉布以及铺玻璃表面滑行距离的长短,引导学生得出小车滑行过程中受到的阻力越小,运动的距离越长.引导学生进一步推理出在理想状态下:如果小车在绝对光滑的水平面上运动,即没有受到任何阻力的情况下,小车将会一直运动下去,即保持匀速直线运动状态不变.让学生在对比中得出结论,符合新课改让学生在自主学习、探究学习和交流合作中 ,经历知识获取的过程.

6 从放大法的角度,引导学生进行自主设计实验

有些实验现象我们能看到,但是不容易观察,我们需要将产生的效果进行放大再进行研究.

例如,正在发声的音叉其震动难以观察,教师可以先让学生触摸发声的音叉,感受发声的物体在震动,接着演示把震动的音叉放进水中,让学生观看水被溅起,引发学生思考:如何把微小的音叉震动放大?学生很容易想到利用乒乓球或小泡沫球将现象放大.发声的音叉轻触系在细绳上的乒乓球,球被弹起说明音叉正在振动,用力敲音叉响度大,乒乓球弹的远,轻敲音叉响度小,弹的近,说明响度大小与振幅有关.再如,观察压力对玻璃瓶的作用效果时我们将玻璃瓶密闭,装水,插上一个细玻璃管,将玻璃瓶的形变引起的液面变化放大成细玻璃管液面的变化.放大法与比较法一样,也是物理实验中最普遍、最基本的实验方法之一.

7 综合运用多种研究方法,引导学生进行自主设计实验

除了上述讨论到的实验方法外,初中物理实验教学中还会用到很多其它方法,例如图像法、模型法、科学推理法等.有些比较复杂的物理问题,不能用一种方法来解决,而要用到多种物理研究方法.

例如,在“探究电磁铁磁性的强弱”教学中,难点是电磁铁磁性的强弱怎么体现?学生猜想出电磁铁磁性强弱可能跟电流大小和线圈匝数有关后,引导学生思考:

(1)如何判断电磁铁磁性的强弱?让学生明白在这个实验中要用到两种探究方法:控制变量法和转换法.当研究电磁铁磁性的强弱跟电流大小的关系时,要控制线圈匝数相同;当研究电磁铁磁性的强弱跟线圈匝数的关系时,要控制电流大小相同;而电磁铁磁性的强弱不能直接看出,如何判断强弱?通过每次实验的引导,学生很容易就能想到通过吸引大头针的数量来反映.

(2)要选用哪些实验器材?引导学生思考:实验时,怎样改变电流大小?(串联滑动变阻器来调节);改变线圈匝数时又如何保持电流相同?(把两个电磁铁串联),而保持电流相同时又如何改变线圈匝数?(用两个匝数不同的电磁铁).通过以上引导分析,学生容易正确地选择实验器材.让学生掌握物理研究方法,容易明白制定计划与设计实验的整个过程,顺利完成实验.

通过多种实验方法从多方面引导,让学生去经历过程,是做好实验教学的第一步,也是培养学生自主设计实验能力的关键一步.初中物理教学中要增强物理实验教学,注重培养学生的探究能力,使学生由被动的“要我学”转变为主动的“我要学”,使学生的思维能力、实践能力和探究能力得到真正的提高,最终提升学生的综合能力.