探究對比法在物理實驗教學(xué)中的運用

【摘要】對比法是物理實驗教學(xué)中行之有效的方法之一，本文結(jié)合中學(xué)物理教材中的一些具體實例，討論“同時對比”和“前后對比”法在教學(xué)中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】實驗教學(xué)對比法同時對比前后對比單擺形變

【中圖分類號】G【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【文章編號】0450-9889（2014）05B-0075-03

一、物理實驗的作用

物理學(xué)是以實驗為基礎(chǔ)的一門自然科學(xué)，同樣，物理課的教學(xué)離不開實驗探究。所謂“實驗”是人們根據(jù)研究的對象和探究的目的，利用儀器、設(shè)備、事物，人為地控制或模擬自然現(xiàn)象，排除干擾，突出主要因素，在有利的條件下研究自然規(guī)律。物理實驗讓學(xué)生更直接地感受物理現(xiàn)象和物理情景，更好地理解物理知識，并學(xué)會利用物理思維模式去記憶和掌握物理定理、定律。

二、物理實驗教學(xué)的現(xiàn)狀

在中學(xué)物理教學(xué)改革中，當(dāng)前最突出的問題是實驗教學(xué)薄弱。實驗教學(xué)流于形式，為做實驗而做實驗，在做實驗的過程中也只是照著教材上的操作規(guī)程機械地進(jìn)行，不能真正發(fā)揮實驗教學(xué)的作用，甚至很多教師用課件模擬代替實驗。實驗教學(xué)的現(xiàn)狀與物理教學(xué)的性質(zhì)，與物理教學(xué)課改形勢的要求和作為基礎(chǔ)教育重要環(huán)節(jié)的地位很不相稱。產(chǎn)生這種情況的主要原因：（1）物理實驗意識淡薄。（2）缺乏物理實驗研究能力。（3）實驗教學(xué)方法沒有改進(jìn)，實驗教學(xué)的經(jīng)驗得不到推廣。要加速改變中學(xué)物理實驗教學(xué)薄弱這一種狀況，必須切實加強實驗教學(xué)，進(jìn)一步發(fā)揮實驗在中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)有地位和作用。

三、對比法在實驗教學(xué)中的應(yīng)用

演示實驗是結(jié)合教學(xué)提供典型化的感性材料，引導(dǎo)學(xué)生觀察思考，獲得知識，發(fā)展能力，并從操作技能與實驗過程上為學(xué)生提供示范，同時在實驗研究方法上對學(xué)生進(jìn)行引導(dǎo)與指導(dǎo)，“對比法”就是一種重要的實驗研究方法。下面結(jié)合中學(xué)物理教材中的一些具體實例，討論“同時對比”和“前后對比”法在教學(xué)中的應(yīng)用。

（一）同時對比。

有的演示實驗不需要定量測量即可達(dá)到教學(xué)目的。如“單擺的擺動周期與擺球質(zhì)量無關(guān)，與振幅無關(guān)，與擺角有關(guān)”的演示實驗，不必按照教材利用秒表測出不同情況下的周期后得出結(jié)論——單擺的等時性原理。這樣做雖然使學(xué)生反復(fù)練習(xí)了振動周期的測定，但每次測出至少要3到4分鐘，共需20多分鐘。那么單擺這節(jié)就不可能用一個課時完成。但若采用控制變量進(jìn)行同時對比的方法，實驗現(xiàn)象更直觀，研究問題也迎刃而解。具體實驗步驟如下：

步驟一，如圖1，將L相同，m不同的a和b兩個單擺懸于同一鐵架臺上，將它們拉開相同的角度讓其同時開始擺動。由擺動的快慢可知，a和b兩個單擺是同步擺動的，由此可知T與m無關(guān)。

步驟二，如圖2，將L相同，m相同的a和b兩個單擺懸于同一鐵架臺上，將它們拉開不同的角度讓其同時開始擺動。由擺動的快慢可知，a和b兩個單擺也是同步擺動的，由此可知T與A無關(guān)。

步驟三，如圖3，將L不同（設(shè)La=4Lb）， 相同的a和b兩個單擺懸于同一鐵架臺上，將它們拉開相同的角度讓其同時開始擺動。由擺動的快慢可知，擺長L短的單擺擺動快，即周期T短；擺長L長的單擺擺動慢，即周期T長。還可看出，b擺擺動兩次時a擺恰好擺動一次。綜上直接得出T與L有關(guān)，且L∝ 。

圖1 單擺周期與擺球質(zhì)量的關(guān)系圖2 單擺周期與擺角的關(guān)系

圖3 單擺周期與擺長的關(guān)系

我們分析這個實驗可以知道，采用的是“控制實驗變量”的實驗方法，即通過依次改變幾個相關(guān)量中的一個量而使其他的量隨之變化的辦法測出它們之間的定量或定性關(guān)系，在此基礎(chǔ)上再通過進(jìn)一步分析、綜合、抽象和概括得出規(guī)律。因此在單擺這個實驗設(shè)計中，要求學(xué)生從不同角度去思考，運用不同的思維方法，靈活地提出新穎的、與眾不同的實驗設(shè)想和方案，培養(yǎng)學(xué)生思維的流暢性、變通性和獨創(chuàng)性，并重點使學(xué)生掌握“控制實驗變量”的實驗探索方法。從單擺實驗的操作上我們可以知道，對比雙方在時間上是同步的，其現(xiàn)象給學(xué)生感覺的刺激是同時的，對比效果非常明顯。因此通過改進(jìn)無需做6次實驗，只需做3次就可以了，而且每次實驗無需測出單擺的周期，這樣不需10分鐘就可得出結(jié)論。這樣既回避了時間的測量，振動次數(shù)的記數(shù)和周期的計算，又簡化了實驗步驟，避免了實驗規(guī)律被淹沒在與誤差并存的一大堆數(shù)據(jù)的處理和繁雜的計算之中，優(yōu)化了實驗教學(xué)。更重要的是啟發(fā)了思維，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)采用對比實驗的方法去解決問題，實現(xiàn)了實驗教學(xué)的目的，提高了課堂效益，取得很好的教學(xué)效果。

在中學(xué)物理課本中還有很多可以采用“同時對比”的演示實驗。如“黑色表面的物體吸收輻射熱的本領(lǐng)比白色表面的物體強”的實驗。如圖4，具體實驗步驟如下：

第一步，把一只100瓦的電燈泡安裝在支架中點。

第二步，把一黑一白兩只燒瓶安裝在支架兩端，使兩只燒瓶與燈泡距離相等，3～5厘米為宜。這樣可以使黑白兩只燒瓶同時吸收輻射熱，既節(jié)省時間，又可以直接對比，效果更加明顯。

第三步，使玻璃管內(nèi)外相平，中間向下凹，可使小水柱不易從管口掉出或回流入燒瓶。用滴管向兩根玻璃管內(nèi)滴入等量染紅的水，使液面相平。

圖4 物體吸收輻射熱的本領(lǐng)

實驗前，教師先簡單說明燈絲發(fā)光時會向外輻射熱量。實驗演示時，接220伏電壓，稍后即可觀察到黑色燒瓶玻璃管的小水柱向外移動比白色燒瓶玻璃管的小水柱快得多。這一現(xiàn)象引起了學(xué)生的好奇心，便會思考為什么黑色燒瓶玻璃管的小水柱向外移動比白色燒瓶玻璃管的小水柱快得多？教師引導(dǎo)學(xué)生尋找問題的答案：通過小水柱移動快慢的對比，有力地說明黑色表面的物體吸收輻射熱的本領(lǐng)比白色表面的物體強。教師在演示實驗后，引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)系實際，學(xué)生便能輕而易舉地回答夏天宜穿淺色衣服的道理。學(xué)生在學(xué)習(xí)與運用過程中，分析或設(shè)計出各種避免熱的方法。

這個實驗采用了“同時對比”法，使現(xiàn)象鮮明、生動、直觀，讓學(xué)生觀察到一種準(zhǔn)確的物理實驗現(xiàn)象，避免了原來感知模糊的缺點，既復(fù)習(xí)了氣體受熱膨脹的知識，又學(xué)會了新知識，并在理論聯(lián)系實際中激發(fā)學(xué)生去思考和解決更多的實際問題。

（二）前后對比。

通過“同時對比”在物理實驗教學(xué)中的應(yīng)用，我們再次看到，實驗性強是物理學(xué)科的特點之一，對一些易混現(xiàn)象、概念等可采用對比性實驗教學(xué)。直觀、生動的實驗對比，既提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又可使學(xué)生深刻、準(zhǔn)確地掌握知識，更能培養(yǎng)學(xué)生的觀察、分析、概括能力，從而提高教學(xué)效率。

在“全反射”一節(jié)的教學(xué)中，掌握全反射現(xiàn)象發(fā)生的條件是本節(jié)的重點，可用對比性實驗來進(jìn)行演示。當(dāng)一束光由光疏介質(zhì)（空氣）射向光密介質(zhì)（水）時，無論如何改變?nèi)肷浣牵疾荒馨l(fā)生全反射現(xiàn)象；當(dāng)一束光由光密介質(zhì)（水）射向光疏介質(zhì)（空氣）時，調(diào)整入射角使入射角大于某一值時就會發(fā)生全反射現(xiàn)象。前后對比，學(xué)生很容易掌握全反射現(xiàn)象發(fā)生的條件。

在高中物理教材中還有很多可采用“前后對比”的實驗。從理論上我們都知道，任何物體都能發(fā)生形變，不能發(fā)生形變的物體是不存在的。不過有的形變比較明顯，可以直接看出；有的形變極其微小，要用儀器才能觀測出來。用手拉橡皮筋和壓彈簧，橡皮筋和彈簧都會發(fā)生形變。但是研究堅硬物體的形變時，如手壓鐵塊，用手握住玻璃杯，這些堅硬的物體也會發(fā)生形變嗎？在教學(xué)中我們可以通過對比實驗來說明問題。

取一個橢圓形的玻璃瓶，瓶內(nèi)裝滿染紅的水，將細(xì)塑料管通過活塞插入水中使水進(jìn)入塑料管內(nèi)，如圖5所示。

圖5 堅硬物體的微小形變

先用手壓玻璃瓶曲率小的兩個側(cè)面，這時學(xué)生會驚奇地看到塑料管中的水面上升。一些學(xué)生認(rèn)為這是因為老師擠壓玻璃瓶使其容積減小的緣故，有的學(xué)生卻認(rèn)為這是因為老師緊握玻璃瓶使水溫升高導(dǎo)致其體積膨脹所致，也有的學(xué)生認(rèn)為這兩個因素兼而有之。教師接著用手?jǐn)D壓玻璃瓶曲率較大的兩個側(cè)面，這時學(xué)生會看到塑料管中的水面下降。教師還可以讓學(xué)生親自用雙手捂住玻璃瓶但不用力擠壓，這時學(xué)生又會看到塑料管中的水面基本停在原處不動。正是每一步的實驗現(xiàn)象都讓人出乎意料，激活了學(xué)生的腦細(xì)胞，不斷挑起他們對物理現(xiàn)象的思考。因而學(xué)生在幾個實驗的啟迪下，通過對這些物理現(xiàn)象前后不同結(jié)果的分析，就可以逐步認(rèn)識這幾個實驗所反映的一個共同的物理本質(zhì)——堅硬物體受力時發(fā)生形變。只不過堅硬的物體發(fā)生的形變微小，不容易直接觀察。由此學(xué)生才能接受“任何物體都能發(fā)生形變，不能發(fā)生形變的物體是不存在的”的觀點。

綜觀對上述例子的分析，對比方法在物理實驗教學(xué)中應(yīng)用是行之有效的。對比是在引導(dǎo)學(xué)生復(fù)習(xí)已有知識的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，通過對照可以借助已有知識認(rèn)識新知識。對比實驗首先能讓學(xué)生為學(xué)習(xí)新知識作好心理準(zhǔn)備，既能使學(xué)生溫故知新，又能促使學(xué)生在教學(xué)活動中處于主動狀態(tài)。其次能降低（下轉(zhuǎn)第96頁）（上接第76頁）新知識的難度，促進(jìn)學(xué)生自己發(fā)現(xiàn)新舊知識的差異與聯(lián)系，有利于培養(yǎng)學(xué)生的探索和創(chuàng)新意識。再次能有助于培養(yǎng)學(xué)生分析、綜合、推理、抽象等思維能力，讓學(xué)生由此及彼、由淺入深地學(xué)習(xí)新知識，同時有利于培養(yǎng)學(xué)生樹立“終身學(xué)習(xí)”的意識。物理教學(xué)中采用對比方法，能使學(xué)生不斷加深對物理世界的認(rèn)識，領(lǐng)略到自然奧秘的深邃、高雅和研究自然科學(xué)的樂趣，并能不斷激發(fā)新的學(xué)習(xí)動力，逐漸培養(yǎng)欣賞科學(xué)美的能力。

因此，在中學(xué)物理實驗教學(xué)中，不管是采用同時對比還是前后對比，從教師“教”和學(xué)生“學(xué)”的過程中都可歸納出一個共同之處：“見物”——讓學(xué)生知道“理”從“物”中來；“溯源”——要真正知“理”，必須引導(dǎo)學(xué)生尋根問底；“用理”——使學(xué)生將掌握的“理”運用到“物”中去。這就要求在物理教學(xué)中，教師在引導(dǎo)學(xué)生掌握物理基礎(chǔ)知識的同時，重視對學(xué)生的科學(xué)思維方法和思維能力的培養(yǎng)。這樣的教學(xué)不僅有助于學(xué)生更好地掌握物理知識，而且能使學(xué)生了解物理學(xué)研究的一般方法，養(yǎng)成良好的思維習(xí)慣。這樣的教學(xué)也才能使學(xué)生知道物理源于生活，服務(wù)于生活，物理實驗的目的就是要解決日常工作、生活中的問題，使學(xué)生感到學(xué)有所用，學(xué)以致用，也才能使理論教學(xué)和實際有機結(jié)合，符合素質(zhì)教育的目的。

通過對對比法的深入分析和闡述，讓我們再次知道，在物理實驗教學(xué)中恰到好處地運用正確的對比方法，對突破教學(xué)難點和突出教學(xué)重點有非常重要的作用，能使一些不容易直接從理論上理解的問題變得簡單而直觀。通過對比，可以深刻理解物理概念及規(guī)律的內(nèi)容和本質(zhì)，有助于知識的記憶、鞏固、深化、遷移，有助于創(chuàng)造性思維能力的培養(yǎng)，使學(xué)生獲得從事科學(xué)研究的能力與方法，使他們在今后的實際工作中終身受益。

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【基金項目】南寧市教育學(xué)科“十二五”規(guī)劃課題（2012B099）

【作者簡介】黃良超（1982- ），男，壯族，南寧市第四十二中學(xué)物理教師，中教二級，研究方向：新課程改革普通高中物理校本課程的探究。（責(zé)編盧建龍）