注重實驗過程教學 培養學生創新能力

閆增寧 田成良

(1. 唐山市開灤一中,河北 唐山 063000; 2. 海淀區教師進修學校,北京 100080)

?

注重實驗過程教學 培養學生創新能力

閆增寧1田成良2

(1. 唐山市開灤一中,河北 唐山 063000; 2. 海淀區教師進修學校,北京 100080)

理想的科學教育應是沿著前人的足跡,重演科學知識探究的過程,讓學生親歷知識形成的過程,才會符合學生的認知水平．實驗是物理教學的基礎,在儀器教學中要從儀器的制作需求開始,以解決問題為主線,親歷儀器制作過程,才能培養創新能力;在經典實驗的教學中,要讓學生親歷實驗設計和改進的過程,感悟科學家們勇于攀登,不怕失敗的科學精神,才能提高科學素養．

儀器制作; 實驗教學; 創新能力

物理教學的關鍵是優化教學過程,以過程為主線,讓學生親歷知識形成的過程,才能符合學生的認知水平．在物理儀器的教學中,教師一般僅注重儀器的原理、結構和使用等內容,忽視儀器發明創造的過程,以至于學生的思維得不到發散,創造能力得不到鍛煉,對儀器的巧妙作用或特殊功能沒有深刻的認識．所以,儀器教學要從制作需求開始,創設物理問題情境,以解決問題為主線,親歷儀器制作過程,發散學生思維,培養創造能力．一些物理經典實驗設計非常巧妙,能簡潔地解決物理問題,是前人智慧的結晶,在經典實驗的教學中,也要讓學生親歷實驗設計和改進的過程,感悟科學家們勇于攀登,不怕失敗的科學精神,抓住物理學科的本質,提升學生的科學素養．

1 遵循儀器制作過程,培養創新能力

在物理儀器教學中,不僅要學習儀器的使用方法,更要注重培養學生的創新能力,解決問題的能力．按照學生的認知,搭建思維臺階,層層遞進,逐步講清制造過程,滲透科學方法,培養不怕困難,追求真理的科學精神．

1.1 多用電表

歐姆表一個重要的物理儀器,學習歐姆表不僅僅是掌握其測量原理、注意事項等問題,更要讓學生經歷電表的改裝過程,具體教學過程如下.

(1) 抓住認知起點,引入探究問題.

根據“伏安法”測電阻的知識,可知測未知電阻,需要電流表測電流,用電壓表測電壓,利用公式R=U/I求出未知電阻,這種測量屬于間接測量，實驗結果需要通過計算得出.此時可以設置以下問題:能不能找到一種簡單的測量方法,直接測量電阻呢?

(2) 利用已知電阻,滲透替代思想.

圖1

在圖1所示的電路中,調節電阻R0,接入未知電阻Rx,若電流表的示數為I,為了確定電阻Rx的大小,可用電阻箱替代Rx,調節電阻箱也使電路中的電流示數為I．這時Rx的電阻就等于電阻箱的連接的電阻大小．按照這個思路,在電路中接入不同的電阻(已知),電路中就會有不同的電流,當電路中接入未知電阻時,根據電流表所指示數,就可以確定未知電阻的大小．

(3) 經歷替代過程,體會改裝原理.

按照以上思路,在圖1所示的電路中接入電阻箱,改變電阻箱的阻值,分別讀出電流表的示數,并在對應的電流表的示數上標上電阻的值,依次連接電阻的刻度線,就會形成如圖2所示的一個電阻的刻度盤,此刻度盤與電流的示數一一對應．這種經歷調節電阻,讀電流示數,畫出刻度線的系列操作,能讓學生深刻體驗改裝歐姆表的過程,歐姆表的表盤是如何刻畫出來的,從而理解整個改裝過程．

圖2 制作歐姆表盤

(4) 通過實踐檢驗,總結測量技巧.

利用改裝的歐姆表,分別測量已知電阻的大小(覆蓋阻值標記),20Ω、150Ω、1000Ω的電阻．當把這些電阻接到改裝的電表中時,接20Ω電阻時,指針在表盤的右端,接1000Ω電阻時指針在表盤的左端,發現這兩個電阻的示數與真實值差別較大;接50Ω電阻時,指針在刻度盤的中間,與真實值相差較小．由此可見,測量電阻時,應使指針在表盤的中間位置,以便減小誤差．由以上改裝和測量總結出歐姆表表盤的特點: 零刻度在右邊,左邊為無限大，刻度順序與電流表、電壓表的刻度順序相反； 刻度不均勻．

(5) 基于實際問題,突破調零難點.

對于上面測量中出現的問題,20Ω和1000Ω的電阻,由于不在表盤的中間,誤差較大．如何解決以上問題,如何使不同阻值的指針都能呈現在刻度盤的中間位置,從而提高測量的精確度?此時,教師可以讓學生觀察圖3并思考:指針指在刻度盤的中間位置代表什么?換用不同的電阻,指針指示相同又說明什么?如何能實現以上想法?從而引導學生理解電路中接入不同電阻,調節滑動變阻器R0能使電流保持不變,從而理解每次測量不同電阻,都需要調零,才能提高測量的準確度．

圖3

(6) 多種電表整合,凸顯科學智慧.

由于電流表和電壓表的改裝過程及原理已在前面學習,所以分析完歐姆表的改裝后,可以進行全面回顧,總結電流表、電壓表、歐姆表都是在一個電流表的基礎上進行的改裝,示數都是由電流表的指針偏轉而實現,連接方式不同,電流表所起的功能不同．為方便測,可以把電流表、電壓表、歐姆表進行整合,利用切換的方式進行轉換,實現電流、電壓、電阻的測量．在以上基礎上,再介紹多用電表的讀數、使用及注意事項等問題．

1.2 滑動變阻器

滑動變阻器是電路中的核心儀器,能方便地調節電壓、電流,對電路有著重要保護作用,它是前人解決改變電阻大小時的智慧結晶．具體教學過程如下.

(1) 創設情境,引入主題.

圖4

小明學習時需要臺燈亮一些,看電視時需要燈暗一些,如何才能使實現這一設想呢?在電路電壓不變的情況下,若能改變電路中的電阻可解決這一問題．利用小燈泡、干電池、開關、鉛筆芯、導線等器材,完成如圖4的實驗,演示燈泡亮度變化的過程．由此總結,改變導體長度是改變導體電阻的有效方法,從而引入本節主題．

(2) 搭建臺階,引領思維.

若由以上實驗直接引入滑動變阻器,則思維跨度太大,學生并不能真正掌握滑動變阻器的工作原理．可逐漸搭建思維臺階,引領學生的思維,讓學習過程更符合學生的認知水平．

① 由直線到曲線.

圖5

在圖4實驗中,若需得到更大的電阻,怎么辦?學生自然會想到繼續增加電阻絲的長度,可出示一根2m左右的電阻絲,顯然操作不方便,受電纜線的啟示(如圖5所示),可把電阻絲繞起來使用．

② 由導體到絕緣體.

圖6

依據以上思路,按圖6所示,把電阻絲接在電路中,嘗試改變燈泡的亮度,發現改變線圈電阻絲在電路中的長度,燈泡的亮度變化并不明顯,這是什么原因呢?讓學生觀察直導線和線圈有什么變化,學生發現電阻絲是導體,繞成線圈后相互接觸,成為一個阻值較小的大線圈,可見這種方式并不能有效改變電阻的大小．

③ 由絕緣再到導通.

如何解決以上繞線電阻變小的問題呢?學生自然會想到給電阻絲“穿上”絕緣外衣．然后把圖7所示的線圈接入電路中,改變線圈長度,燈泡的亮度變化不明顯,不能改變電阻的大小．這是因為線圈完全封閉絕緣,滑動改變電阻的長度,并不能接入電路．于是引導學生,在線圈中刻畫一條便于接觸的凹槽,如圖8所示,便可解決以上問題．

圖7

圖8

④ 由粗糙到精細.

圖9

按圖8所示,制作的滑動變阻器,導線的絕緣層相對較粗,易造成線路接觸不良,因此常用漆包線代替帶有絕緣層的導線．所謂漆包線是在電阻絲上鍍一層絕緣漆,代替普通導線的絕緣層．為增加滑片與線圈接觸的穩定性,用橫桿和支架固定滑片,用接線柱固定導線接頭,這樣就制作成實驗用的滑動變阻器了,如圖9所示．

在以上思維臺階的引領下,會更符合學生的認知規律,更有利于培養學生的創新能力和創新意識,更能抓住學科本質,培養學生的學科能力．

2 遵循經典實驗設計,滲透科學精神

物理學中的一些經典實驗,是前人智慧的結晶,能非常巧妙地突破實驗難點,解決實際問題．學習中不僅要融入思維方法,還要體現不怕困難追求真理的科學精神．如托里拆利實驗第1次測出了大氣壓的值,是研究大氣壓中的里程碑事件．但該實驗相對抽象,在學習中學生常存在諸多疑點,如水銀柱上方為什么是真空、水銀柱為什么不下落、水銀柱的壓強為什么就等于大氣壓等問題?往往學生只能被動記憶,不會真正理解和掌握托里拆利實驗的本質內容．若教師尊重學生的認知水平,注重知識形成的過程,結合具體生活事例,巧設問題,引領學生的思維,就能抓住知識的本質,突破以上問題．

問題1.水柱為什么不下落？

圖10

在如圖10所示的桶中裝滿水,然后倒立水槽中,水沒有下落,而且充滿整個水桶,向上緩慢提桶(桶口沒有脫離水面),水仍然充滿桶,水為什么不下落呢?

為了解答以上問題,可以用細玻璃管、橡膠管、注射器等器材進行實驗,繼續追問．

問題2.水柱為什么上升？

圖11

(1) 取一根較長且兩端開口的細玻璃管,豎直插入裝有墨水的燒杯中,讓學生觀察管內外水面有什么關系?(如圖11所示)并思考為什么?

生:管內外水面相平.

生:管內外的水面上方都跟大氣接觸,受到的大氣壓相等．

(2) 在細管的上端套上橡皮管,然后接上大注射器,用注射器抽出管中的一部分空氣,用夾子把橡皮管夾住,有什么現象發生?

圖12

生:管內水柱上升(如圖12所示)．

圖13

生:抽氣時,抽走了管內部分空氣,管內空氣壓強小于管外大氣壓,在大氣壓的作用下,水柱上升．

師:也就是說管內外氣壓的差支撐住了一定高度的水柱．

(3) 繼續從管中抽氣,管內水柱有什么變化,說明了什么?

生:水柱繼續上升(如圖13所示)．

生:管內外氣壓的差越大,可支撐的水柱更高．

(4) 如果不斷從管中抽氣,最終會產生什么情況呢?

生:繼續抽氣,最終會把管內的空氣抽盡,玻璃管上方就沒空氣了．

師:管內沒空氣,就沒有氣壓了,這時水柱的高度完全由外界大氣壓支撐著(假設管子足夠長)．

師:這時管中水柱產生的壓強與大氣壓有什么關系?

生:相等.

師:利用這個等量關系,能否測出大氣壓的值呢?

生:算出水柱產生的壓強大小就等于大氣壓的大小．

問題3.為什么用水銀代替水做實驗？

以上是我們在實驗的基礎上進行的推理,實際上采用抽氣的方法不可能將管內空氣抽盡,比較可行的方法是“排氣法”．

演示:取一根較長的玻璃管裝滿水,用手堵住管口后倒置在水槽中,大氣壓可以支撐很高的水柱．在測量水柱的高度,計算大氣壓的值時,非常不方便．有沒有更好的方法減小液柱的高度呢?由p大氣=p液體=ρ液gh可知,若想操作簡單,在壓強一定時,可以降低液柱高度,就必須增大液體的密度,液體密度最大的物質是水銀,ρ水銀=13.6×103kg/m3,可以利用水銀代替水進行實驗,測量大氣壓的值．

事實上早在1643年6月20日,意大利科學家托里拆利首先進行了這個實驗(如圖14所示),故稱之為“托里拆利”實驗．這個實驗測出了1個標準大氣壓的大小為約760mm汞柱或10.3m水柱,這樣就很自然地引入了托里拆利實驗,也解決了學生的心中疑惑,為測量大氣壓的值奠定的了基礎．

總之,物理教學的關鍵就是優化教學過程,以過程為主線,讓學生親歷知識形成的過程,才能抓住物理教學的本質．物理實驗教學要創設問題情景,用問題情境引入主題,順著學生的思維搭建臺階,這樣才能使學生的思維得到發展,創新能力得到鍛煉,問題得到解決．相信,在物理教學中,若遵循知識形成的過程,一定會更符合新課標理念,能為實現學科育人奠定良好基礎．

圖14

1 趙忠兵，田成良.物理儀器教學要遵循制作過程[J].物理教學，2016(8)：30-31.

2 田成良.遵循知識形成過程 突破學生思維障礙[J]．中學物理教學參考，2015(9)：14-16.

2017-01-11)