高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中天平砝碼組優(yōu)化組合運(yùn)用探析

夏曉東+徐傳洋+蘇浩

摘 要 對(duì)高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的意義和作用、高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中天平砝碼組組合優(yōu)化的思路及運(yùn)用實(shí)例分析三個(gè)方面做出詳細(xì)研究，為優(yōu)化高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中天平砝碼的組合提供可參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞 高中物理；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；天平砝碼；天平；實(shí)驗(yàn)器材

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2018）01-0095-03

1 前言

從初中物理教學(xué)開(kāi)始，天平就已成為常見(jiàn)的實(shí)驗(yàn)器材，在多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)操作中都得到廣泛應(yīng)用。其中在物理天平中，砝碼作為重要的附件，通過(guò)反復(fù)使用，能夠?qū)⒏鞣N物體的質(zhì)量準(zhǔn)確地測(cè)量出來(lái)。而在實(shí)際測(cè)量應(yīng)用中，砝碼使用頻率大小、使用個(gè)數(shù)多少，都會(huì)對(duì)測(cè)量的快慢產(chǎn)生直接影響，因此，在實(shí)際應(yīng)用中還需要進(jìn)一步研究和分析如何優(yōu)化砝碼組合方式[1]。

在傳統(tǒng)的砝碼組當(dāng)中，千克砝碼為質(zhì)量單位的基準(zhǔn)器，如果僅僅使用一個(gè)千克砝碼，不同的物質(zhì)質(zhì)量就不能準(zhǔn)確地衡量出來(lái)，因此需要一套質(zhì)量大小不同的砝碼，也就是所謂的砝碼組。在利用砝碼測(cè)量物體質(zhì)量的時(shí)候，所遵循的原則就是利用最少的個(gè)數(shù)來(lái)測(cè)量出物體的質(zhì)量。一般按照量限的不同，砝碼組可以具體分為毫克組、克組以及千克組三種類型。并且物理天平中組合基準(zhǔn)砝碼的標(biāo)準(zhǔn)為“1、2、2、5”，通過(guò)自由組合，就能夠得出1～10范圍內(nèi)的任何一個(gè)數(shù)值[2]。

2 高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的意義和作用

高中物理知識(shí)由于理論性和邏輯性比較強(qiáng)，學(xué)生在學(xué)習(xí)和理解上必然會(huì)存在一定的難度，特別是在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，由于較為復(fù)雜，導(dǎo)致教學(xué)質(zhì)量不高。因此，在高中物理教學(xué)中，教師需要提高對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重視，并積極地改進(jìn)和優(yōu)化教學(xué)模式，引導(dǎo)學(xué)生更加積極、主動(dòng)地參與實(shí)驗(yàn)活動(dòng)。雖然在初中階段學(xué)生已經(jīng)接觸到部分物理知識(shí)，但與高中物理知識(shí)相比，過(guò)于淺顯、簡(jiǎn)單，導(dǎo)致學(xué)生一時(shí)之間難以很好地過(guò)渡。實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為一種教學(xué)手段，主要是讓學(xué)生通過(guò)自己動(dòng)手操作，用具體的形式表現(xiàn)出課本中的抽象理論知識(shí)，在形成視覺(jué)沖擊的同時(shí)，能夠產(chǎn)生直接感受。

物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的作用主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面是能夠?qū)⒊橄蟮睦碚撝R(shí)具體化、形象化，幫助學(xué)生更好地理解理論知識(shí)；另一方面是在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象聯(lián)想到自己日常生活中看到的實(shí)際情況，這也能從一定程度上促進(jìn)學(xué)生更好地分析實(shí)驗(yàn)過(guò)程。由此可以看出，在高中物理教學(xué)中加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)還是有必要的，學(xué)生通過(guò)自己動(dòng)手操作，能夠更好地理解物理知識(shí)，增強(qiáng)動(dòng)手操作能力，對(duì)提高綜合素質(zhì)與能力具有重要的意義和作用。

3 在高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中優(yōu)化天平砝碼組組合的意義

改變傳統(tǒng)的天平砝碼實(shí)驗(yàn)教學(xué)觀念 教師需要按照高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)，不斷提高自身的綜合素質(zhì)與教學(xué)水平，增強(qiáng)物理實(shí)驗(yàn)操作能力，并且在教學(xué)條件允許的基礎(chǔ)上，盡可能地在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中增加資金投入，提高軟硬件條件，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)資源進(jìn)一步優(yōu)化。這樣一來(lái)不僅能夠保證高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)更好地開(kāi)展，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力也會(huì)有所提升[3]。通過(guò)硬件設(shè)備條件的優(yōu)化，學(xué)生在進(jìn)行天平砝碼實(shí)驗(yàn)時(shí)就能夠更加積極、主動(dòng)，同時(shí)能夠更加深刻地認(rèn)識(shí)到實(shí)驗(yàn)的重要性，轉(zhuǎn)變學(xué)習(xí)思維，主動(dòng)參與實(shí)驗(yàn)教學(xué)。學(xué)生在這一過(guò)程中能夠?qū)W習(xí)到更多的知識(shí)，對(duì)相關(guān)理論知識(shí)能夠深入了解，并增強(qiáng)實(shí)踐操作技能。

改進(jìn)天平砝碼演示實(shí)驗(yàn) 在具體物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師首先需要保證自己的實(shí)驗(yàn)操作演示方式的正確性，并優(yōu)化處理實(shí)驗(yàn)儀器，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)有效性的提高。而且對(duì)于部分學(xué)生來(lái)說(shuō)，在學(xué)習(xí)過(guò)程中還存在死記硬背現(xiàn)象，時(shí)間一長(zhǎng)就很容易忘記定律公式，學(xué)習(xí)效率比較低。因此，在天平砝碼演示實(shí)驗(yàn)中，教師應(yīng)該改進(jìn)和優(yōu)化整個(gè)過(guò)程，鼓勵(lì)并邀請(qǐng)學(xué)生積極參與實(shí)驗(yàn)操作，一起觀測(cè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，分析實(shí)驗(yàn)過(guò)程[4]。在這種教學(xué)模式下，一方面，教師與學(xué)生之間的互動(dòng)大大增加，構(gòu)建良好的師生關(guān)系；另一方面，學(xué)生在親自實(shí)驗(yàn)操作后，能夠更加深入地理解相關(guān)定律公式，深入思考物理知識(shí)，進(jìn)而從根本上提高高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平和質(zhì)量。

提高學(xué)生的動(dòng)手能力 高中物理教學(xué)的目標(biāo)除了需要讓學(xué)生掌握相應(yīng)的物理理論知識(shí)以外，還需要注重對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作能力的提升，增強(qiáng)學(xué)生的邏輯思維能力。通過(guò)優(yōu)化天平砝碼組合，不僅能夠擴(kuò)大學(xué)生的思考范圍，而且能夠引導(dǎo)學(xué)生形成創(chuàng)新思維，對(duì)后期的學(xué)習(xí)和成長(zhǎng)都具有重要的意義和作用[5]。

4 高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中天平砝碼組優(yōu)化組合運(yùn)用實(shí)例分析

一直以來(lái)，天平都始終作為經(jīng)典、完美的儀器，已經(jīng)受到人們的普遍認(rèn)可。但是在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)際應(yīng)用中，有學(xué)生發(fā)現(xiàn)一個(gè)新的問(wèn)題，也可以看作該生對(duì)天平砝碼組新的見(jiàn)解。在某節(jié)物理課中，筆者向?qū)W生提出這樣一個(gè)問(wèn)

題：“我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中一直使用的天平，你們能夠找出它存在的缺點(diǎn)嗎？”作為一個(gè)開(kāi)放性的問(wèn)題，每一位學(xué)生都積極地發(fā)表自己的意見(jiàn)和看法，有的學(xué)生認(rèn)為：“雖然利用天平能夠得出十分精準(zhǔn)的答案，但是調(diào)節(jié)過(guò)程太麻煩，如果能夠發(fā)明出自動(dòng)調(diào)節(jié)平衡裝置就好了。”有的學(xué)生認(rèn)為：“天平的外形是固定的，在為固體稱重的時(shí)候很容易，但如果需要測(cè)量液體的話，就比較麻煩，如果左側(cè)的托盤能夠換成托杯就方便多了。”其中有位學(xué)生提出：“我認(rèn)為天平中砝碼的組合數(shù)值并不是十分合理，如果能用‘1、2、4、8代替原來(lái)的‘1、2、2、5就好了。”這個(gè)想法十分新穎，筆者就問(wèn)：“為什么換成‘1、2、4、8更加合理呢？”他回答說(shuō)：“因?yàn)檫@樣能夠測(cè)量的范圍得到擴(kuò)大，同時(shí)整體操作也更加簡(jiǎn)單。”以下是該生的想法和思考過(guò)程。

之前在教學(xué)的過(guò)程中向?qū)W生說(shuō)過(guò)，天平中的砝碼和人民幣面值、拔插式電阻箱數(shù)值一樣，都是采用“1、2、2、5”組合的，根據(jù)這四個(gè)數(shù)，就能夠?qū)?～10中的數(shù)值表示出來(lái)，具體如表1所示[6]。

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，由于操作比較麻煩，這位學(xué)生就考慮為什么必須用這四個(gè)數(shù)進(jìn)行組合呢？如果用其他的數(shù)字，是不是也能組合出來(lái)呢？然后他就用其他數(shù)字組合進(jìn)行嘗試，最終得出用“1、2、4、8”這四個(gè)數(shù)也能夠自由組合出1～10的數(shù)值，甚至可以將11～15表達(dá)出來(lái)。這樣如果帶入天平砝碼中就會(huì)出現(xiàn)這種情況：雖然也是四個(gè)碼，但是能夠測(cè)量的物體重量增加了50%，這也就表示天平的使用范圍得到擴(kuò)大。然后這位學(xué)生就找出自己原來(lái)使用的天平砝碼，將5 g的砝碼改成4 g，將10 g的砝碼改成8 g，進(jìn)而得到一組新的砝碼用具。endprint

他在不斷的嘗試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，如果想利用所選取的數(shù)值進(jìn)行組合，最終得出的數(shù)值是前后連續(xù)的，那么所選用的數(shù)值就需要等于前面已選數(shù)值之和，再加上1就行了。比如：已經(jīng)選擇的數(shù)值為1和2，要想得出后面的數(shù)值，只需要將1+2+1即可，得出4，這表示1和2后面再選取的數(shù)值就是4；再將1+2+4+1=8，即4后面所選取的數(shù)值為8。根據(jù)這一推算規(guī)律，在十位數(shù)值中所選取的就是10、20、40、80。這樣一來(lái)，改進(jìn)后的八個(gè)砝碼的總和為165，要遠(yuǎn)大于原來(lái)的110[7]。表2為根據(jù)“1、2、4、8”表示1～15的數(shù)值。

通過(guò)比較表1和表2可以看出，天平砝碼在優(yōu)化組合之后，復(fù)雜程度并沒(méi)有增加，而所表示的數(shù)值也從原先的10擴(kuò)大至15，其優(yōu)勢(shì)較為顯著。

下面以1～10數(shù)值為例，將原先砝碼組合與優(yōu)化砝碼組合進(jìn)行對(duì)比，具體如表3所示。

利用表3可以看出，如果僅僅表示1～10之內(nèi)的數(shù)值，通過(guò)優(yōu)化后的砝碼組合，只需要用三個(gè)砝碼就能夠完整地表示出來(lái)，而原先的砝碼則需要全部使用才能夠表示出來(lái)。由此可以看出，優(yōu)化后的砝碼組合優(yōu)勢(shì)更加明顯[8]。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述分析可以得出，雖然天平中砝碼組利用原先基準(zhǔn)砝碼“1、2、2、5”進(jìn)行組合，也能夠?qū)⒋郎y(cè)物體的質(zhì)量準(zhǔn)確測(cè)量出來(lái)，但是由于受到一定限制，如果物體質(zhì)量超出數(shù)值組合范圍，則實(shí)驗(yàn)就不能繼續(xù)開(kāi)展下去；通過(guò)優(yōu)化組合，將砝碼組的基準(zhǔn)砝碼調(diào)整為“1、2、4、8”，這樣一來(lái)，不僅擴(kuò)大了測(cè)量數(shù)值范圍，而且在表示相同數(shù)值的時(shí)候，優(yōu)化后的砝碼組更加簡(jiǎn)單。因此，可以根據(jù)這一結(jié)果，對(duì)高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中天平中的砝碼組進(jìn)行優(yōu)化組合。

雖然一直以來(lái)在高中物理中所使用的天平砝碼組都是按照“1、2、2、5”進(jìn)行組合，但這并不代表這種組合方式就是最佳的，學(xué)生可以根據(jù)具體使用情況，提出相應(yīng)的改進(jìn)和優(yōu)化建議，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)更好地開(kāi)展。

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