“單件到積件”：中學物理演示實驗改進創新思路與實踐

摘?要：“單件到積件”中學物理演示實驗改進思路是指根據一個基本演示實驗裝置，然后通過添加、減少某些器材，從而可以完成系列演示實驗的思路，本文以窗簾導軌為例，提出“單件到積件”物理演示實驗改進的七個策略及教學實踐.

關鍵詞：單件;積件;物理教學;演示實驗;實驗改進

文章編號：1008-4134（2020）07-0049中圖分類號：G633.7文獻標識碼：B

基金項目：廣東省教育科學規劃課題“高中學生力學學習困難及教學對策研究”（項目編號：2012YQJK037）;廣州市第三批市教育系統創新學術團隊“中學物理演示實驗改進創新及其在教學中的應用研究”（項目編號：1201630019）.

作者簡介：余耿華（1976-），男，廣東興寧人，碩士，中學高級教師，研究方向：實驗教學、迷思概念、實驗改進.

1?問題的提出

實驗是物理學的基石，也是學物理的基石，但當前演示實驗教具也存在一些不足的地方，?大部分為單件教具.這類教具的功能單一，只適用于某些特定內容的特定現象的演示或特定規律的探究.這類教具具有不可重組性.教具一旦制作完成，一般是相對固定不可重組.?在實驗改進創新過程中，本人嘗試根據單一的實驗器材通過不斷添加或變換某些器材，從而可以完成一類或一個章節的許多實驗，即“單件到積件”思路.

2?“單件到積件”實驗改進思路

“單件到積件”物理演示實驗改進思路：?是指根據一個基本演示實驗裝置，然后通過添加、減少某些器材，從而可以完成系列演示實驗的思路.該思路由華南師范大學張軍朋教授提出，并被中國專業學位教學案例中心收錄.

本實驗的單件是指：一根窗簾導軌（如圖1）及兩個薄圓強磁鐵;積件是指然后通過添加、減少某些器材，可以完成六個運動類、碰撞類系列演示實驗.

3?積件思路的優點

（1）吸收傳統演示實驗簡單、方便、易操作、易于學生理解物理概念、規律的優點;

（2）這類教具的功能具有多樣性和多維性，適用于一類現象的演示或單元教學一組現象的演示或規律的探究.

（3）這類教具具有可重組性，即組成教具的各個部件可以拆分、重組，以實現不同的演示;

（4）這樣的積件教具正愈來愈受到重視并逐漸成為教具開發的發展方向.

4?“單件到積件”物理演示實驗改進的策略及教學實踐

4.1?策略一：創新實驗，從“無”到“有”

案例：伽利略理想實驗

4.1.1?伽利略理想實驗的幾種傳統做法及優缺點

（1）最早做法是展示板畫掛在黑板，老師講解，缺乏實際真實實驗;

（2）后來發展到采用課件Flash動畫演示，優點是簡單方便，老師只需要點一下鼠標通過電腦就可以演示，由于課件怎樣制作都可以，缺乏真實性和說服力，學生的體驗不強;

（3）人教版采用現代科技的頻閃照片技術，以伽利略斜面實驗的頻閃照片說明.

從培養學生的核心素養角度來看，應該是能做實際物理實驗的，教師應該盡可能做實驗.但理想實驗又只能在頭腦中完成？?因此筆者進行如下創新改進.

4.1.2?實驗創新

實際實驗可以培養學生實事求是的科學精神，領悟抓住主要矛盾、忽略次要矛盾的思想方法.

實驗器材（如圖2）：?窗簾導軌、強磁鐵、鐵球（304不銹鋼，無磁性）.

4.1.3?改進后的實驗教學片段

如何設計問題，從教“知識”向提升“思維”轉變？?依據2017年版新課程標準，提出物質觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任.?因此，如何在科學探究中提升學生的科學思維，并在教學過程中滲透科學精神、科學態度顯得尤其重要.

（1）由于窗簾導軌很易彎曲，可以現場不斷減小右邊斜面的傾角.

（2）引導學生思考.師：為什么每次都是接近右邊等高處？且若來回多運動幾次，小球高度越來越低？為什么？?學生：因為摩擦力作用.在這個過程中滲透理想化模型，即抓住主要矛盾、忽略次要矛盾的思想方法.

（3）進一步引導學生思考.?師：如果導軌傾角進一步減小會如何？學生回答：理想狀態下，小球要到達右邊等高處，小球所走的路程更遠.

問題：如果傾角為零呢？?學生歸納：小球將一直運動下去.

4.1.4?實驗教學評價

（1）改進后的優點：?一是可以搬到黑板上，直觀明了，課堂震撼，引起學生的情感投入和感性思維;二是由于窗簾導軌容易彎曲，導軌與小球間的摩擦力小，容易改變傾角，演示簡單.

（2）在實驗教學中，盡可能讓學生參與，采用啟發式、參與式、討論式、探究式教學（啟發、討論?、引導），及時發現學生思維的閃光點.

4.2?策略二：創新實驗，從“一物”到“多用”

創新實驗：“機械能守恒定律”的演示實驗.

4.3?策略三：改進實驗，從“有”到“易”

“易”指易操作、易成功、易觀察.

改進實驗：探究物體的動能跟哪些因素有關？?人教版初中八下第十一章第三節?（如圖3）.

4.3.1?傳統實驗的優缺點

優點：簡單、方便、直觀;?缺點：水平放在講臺上，不易觀察;沒有導軌，小球容易走偏，小球撞擊木塊時容易撞飛.

4.3.2?實驗改進

如圖4，木塊底端有鋁包邊，螺絲固定還能起到降低重心、增大穩度的作用.

4.3.3?改進后的教學片段

雖然是演示實驗，一樣可以讓學生經歷一次實驗探究的過程（可以選取探究最關鍵的環節）.

提出問題：

師：這個實驗的研究對象是鐵球，運動的小鐵球具有做功的本領，我們說小球具有動能，那么小鐵球的動能與什么因素有關？

猜想和假設：

師：小鐵球的動能可能與什么因素有關？

生：與質量、速度有關.

制訂計劃與設計實驗：

師：如何研究動能與質量m和速度v的關系？

生：控制變量法——研究方法.

（1）探究v一定時，動能跟m定性關系;?（2）探究m一定時，?動能跟v定性關系.

師：根據本實驗裝置，如何觀察動能何時大或小？改變質量m時如何觀察速度v何時大或小？

生1：動能大小可以看推動木塊遠和近.

生2：m大小可以用天平或鐵球大小判斷.

生3：速度v大小可用小球下落的高度h判斷.

進行實驗與收集數據：

（2）探究物體的速度一定時，動能跟物體質量定性關系.

師：如何做到質量不同的小球，到達底端速度相同？?生：從同一高度下落.

師：真的嗎？雖然兩小球同一高度下落，但質量不同哦;?生：可能？…

師：怎么辦？

生：速度傳感器？測速儀？…

問題：質量不同的小球從同一高度下落，到達底端速度相同嗎？

問題：如何保證同時釋放小球？答：用尺擋住兩小球，同時釋放.

問題：如何觀察兩小球的速度相等？?答：用手機慢鏡頭回放（如圖5）.

（3）探究物體的速度一定時，動能跟物體質量定性關系

每一次將木塊放在同一位置（如O點），分別用二個不同質量的小球從同一點（如A點）靜止下落，記下木塊最后停下的位置，如圖6所示.結論：速度相同時，質量大的物體動能大.

（4）探究物體質量相同時，動能跟速度定性關系

生：用同一個小球分別在A點和B點靜止下落，記下木塊最后停下的位置;同樣可以得出：同一物體，速度大動能大.

分析與論證、評估、表達與交流.

師：根據以上實驗，小球的動能與m、v有怎樣的定性關系？

生：當v一定時，小鐵球m越大，動能越大?;當m一定時，小鐵球v越大，動能越大.

4.3.4?實驗教學評價

改進后的優點：?將實驗搬到黑板上，直觀明了;實驗操作簡單、方便;實驗范圍廣，初高中教學均適用，實驗成本低，容易推廣.

有利于學生科學探究能力的提升：通過指導學生設計實驗，提高學生分析實驗能力和動手實踐能力，通過提出問題，并作出假設，自己設計實驗方案，最終自己探究出動能的決定因素;

有利于學生領悟科學方法：本次實驗用到了兩種物理探究方法：控制變量法和轉換法.有利于激發學生自主創造的想法，培養學生的創造性思維能力;

有利于促進學生的邏輯思維能力、質疑能力、發散性思維和創新思維能力發展.

4.4?策略四：改進實驗，從“傳統”到與“現代”結合

將智能手機、數字化傳感器實驗等高科技儀器與傳統器材相結合.

4.5?策略五：改進實驗，從“繁”到“簡”

案例：驗證動量守恒定律.

4.5.1?課本的三種實驗的優缺點

（1）采用氣墊導軌加光電門.

優點：精準.缺點：價格昂貴，不少學校沒有，攜帶不方便，準備一次不容易.

（2）用繩拉小球去碰撞另一小球（如圖7）?.

優點：簡單、方便、便宜，容易實現;缺點：測量角度不方便，尤其在小球運動過程中測量角度不方便.

（3）利用兩小車碰撞和打點計時器.

優點：方便、簡單、易操作;?缺點：小車易走偏，誤差會大一些，計算相對繁雜.

4.5.2?改進實驗及教學實踐

（1）用天平分別測出一個鐵球和玻璃球質量分別為m1、m2;讓一個鐵球在如圖8所示上面軌道從某一固定高度靜止釋放，小球到達下端軌道時，由于軌道上有粘性很高的3M膠，小球立即停止，在下面軌道記下水平距離x1（軌道上有畫好的標尺），代表主動球的初速度v1.

（2）將被碰玻璃球m2靜止放在上面軌道的頂端，鐵球從上步驟的同一軌道釋放，測出玻璃球、鐵球的水平落點x1、x2分別代表碰撞后玻璃球和鐵球的速度v1，v2.

（3）觀察分析碰撞前后系統v之和、mv之和、mv2之和、m/v之和、v/m之和是否相等？

4.5.3?實驗教學評價

優點：小球不會走偏、方便、簡單、易操作，計算簡單.

4.6?策略六：改進實驗，從“多”到“少”

指實驗器材從“多”變到“少”?.

案例：描出平拋運動的軌跡?.

4.6.1?傳統實驗缺點

器材多：鐵架臺、木板、圖釘、鐵球、坐標紙.

4.6.2?改進實驗后的優點

（1）器材從多變少，且可以一物多用，方便攜帶，實驗易操作，成功率高，下面貼有3M膠，小球不會跑走.

（2）器材簡單：除本裝置外，外加一只粉筆即可.如圖9，在黑板上畫好小格，方便處理數據.

4.7?策略七：改進實驗，從“難”到“易”

案例：探究平拋運動水平方向的分運動.

4.7.1?兩個傳統實驗的優缺點

傳統實驗一（如圖10）：?優點：簡單?;?缺點：“難”在控制同時釋放小球.

傳統實驗二（如圖11）：?優點：準確度高，易操作;缺點：“難”在需要器件多，制作麻煩.

4.7.2?改進實驗：從“難”到“易”

（1）利用簡單原理：上下兩導軌平行，將擋板同時釋放，從而克服需要用到電磁鐵才能做到的同時釋放小球的難題.

（2）器材簡單，易操作，易成功，易觀察.

（3）可以結合手機拍慢視頻，然后播放，學生能更清晰地體驗到兩個小球同時落到導軌上，從而得出：小球平拋其水平方向作勻速直線運動.

5?結束語

總之，利用“單件到積件”的思想改進創新實驗過程中，應該遵從的基本原則是：?一物多用、?變易、?變少、?變簡.

參考文獻：

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（收稿日期：2019-12-13）