開發低成本創新演示實驗，突破物理思維障礙

劉建政

【摘要】高中物理課程的目的是讓學生更好地掌握科學知識，并能更好地發展他們的科學素養.然而，由于學生的認知水平、課程內容及教師的教學方式等因素的影響，學生普遍感到高中物理難學.本文研究如何開發低成本創新實驗，以幫助學生突破物理學習中的思維障礙.

【關鍵詞】思維障礙；高中物理；創新實驗

物理學是一門以實驗為基礎的自然科學，學生存在物理學習上的思維障礙，主要原因有：物理概念本身的抽象性、學生受到先入為主的前概念的影響以及教師的教學方式等.教師若能采取有效的教學策略，引導學生學更多地進行直觀形象思維，將有利于突破教學重點、難點，有利于突破物理思維上的障礙.

在教學過程中需要教師積極創造實驗條件，用日常生活器具做實驗，開發低成本演示實驗，培養學生的直觀形象思維能力，從而突破物理思維障礙.低成本實驗的取材可以是身邊的日常用品，也可以是手機、數碼相機等電子產品，也可以是高科技產品.就地取材更貼近學生的生活，更有親切感.多渠道的開發物理實驗教學資源，低成本物理實驗是一種重要的課程資源.

1?高中物理學習中常見的思維障礙

高中學生常見的思維障礙有：日常經驗的影響，前科學概念等.舉例如下：重的物體比輕的物體下落快；有力的作用物體才會運動，沒有力的作用物體就會停止；光的傳播速度與參考系的選取有關；物體沖上斜面是因為受到一個向上的沖力等，從而得出錯誤的結論.開發低成本實驗是突破物理思維障礙的有效方法.

2?開發低成本創新實驗，突破物理思維障礙

2.1?火車轉彎問題的演示實驗的開發

在“生活中的圓周運動”一節的教學中，火車轉彎問題是教學難點，學生對火車轉彎處的鐵軌沒有直觀的認識.學生沒有見過火車輪子的結構，對輪緣的結構更是一無所知，為什么在轉彎處要外高內低，學生難以理解，因此給學生學習這部分內容帶來很大的困難.在什么情況下內側鐵軌對輪緣有向外的側向壓力，什么情況下外側鐵軌對輪緣有向內的側向壓力？為了使學生能有直觀的感受，筆者做了一個火車彎道的模型，如圖1所示，教學效果非常好.取材簡單，小制作大智慧，體現了物理知識是來源于生活的.

2.2?“落磁實驗”的開發研究

人教版選修3-2“楞次定律”，這一節的內容非常抽象，為了給學生直觀的感受，筆者設計了以下演示實驗.

器材?一根鋁合金管（長約1m），一塊磁鐵，一個砝碼.如圖2

實驗目的?通過這個實驗，讓學生親身感觸 “阻礙”的效果，給學生直觀形象的感受.

準備階段?購買一根長約1m的鋁合金管，一塊磁鐵.實驗結果是磁鐵在鋁合金管中下落很快，實驗現象不明顯.筆者總結了不成功的原因：一是鋁合金管的管壁太薄，合金的電阻率過大，導致電阻大，產生的渦流太弱；二是磁鐵的磁性太弱，普通的磁鐵不能滿足要求.

重新購買一個強磁鐵最大磁感應強度為0.5T）和一個外徑20mm、內徑18mm左右的鋁管，重新做了這個實驗.

實驗現象?讓磁鐵由靜止從管口下落，磁鐵在鋁管內的下落時間長達6s左右（砝碼只需用0.5s），說明磁鐵的下落時非常緩慢的，同時也說明鋁管對磁鐵產生了阻礙其運動的作用.

課堂演示?在演示實驗中讓學生上臺配合完成操作，第一次用一個砝碼，學生很快就接到了砝碼（大約需要0.5s）；第二次用磁鐵重復上面的實驗，學生等了較長的時間才接住磁鐵（大約需要6s）.這個等待的過程會給學生深刻的印象.

通過自制的落磁實驗教具，學生看到震撼的現象，使得直觀形象思維與抽象思維有機結合，學生對理解楞次定律中的“阻礙”有了深刻的認識.

2.3?體驗靜摩擦力的演示實驗的設計

將兩本書一頁一頁地交叉對插，找力氣最大的兩個同學各自抓住一本書的書脊用力對拉，結果用很大的力氣也拉不開.提出問題：這是什么力在起作用呢？引入靜摩擦力的概念，可以極大地激發學生學習物理的熱情.還可以結合一段視頻，激發學生的興趣，用兩輛車向兩個相反的方向拉，費了很大力氣才拉開.這樣引入靜摩擦力可以給學生留下難忘的印象.

2.4?電磁爐的模型

在學習人教版選修3-2“渦流”一節的內容時，為了給學生直觀的信息，尋找一個廢舊的電磁爐，把上面的隔熱板打開，展示給學生研究，可以清楚地看到大量的線圈.學生對理解電磁爐的工作原理，有了直觀的感性認識，電磁爐的加熱部分不是隔熱板，而是交流電產生的變化的磁場在鍋底產生的渦流.

2.5?利用激光筆做雙縫干涉實驗及單縫衍射實驗

做雙縫干涉實驗時，可以用做雙縫干涉實驗儀器的雙縫、單縫和激光筆，也可以用刀片劃出單縫和雙縫.學生在實驗中把干涉圖樣呈現在天花板上，或者墻壁上，就能進一步觀察發現條紋的間距與光屏的遠近是有關系的，直觀地理解了雙縫間距與雙縫到屏的距離的關系.

這個實驗所需要的器材很容易得到，而且實驗現象非常明顯，學生的學習熱情也很高.

2.6?利用智能手機設計測重力加速度的實驗

用手機軟件Phyphox（是一款專門針對物理學實驗打造的移動手機應用），調用手機的傳感器測量手機的加速度.在地面上提前放置一軟墊，讓手機做自由落體運動下落到軟墊上，從手機軟件上得到a-t圖像，發現手機下落過程中加速度不隨時間改變，選擇“選取數據”并點擊曲線的某點，可以看到手下落過程中手機在該時刻的加速度約為9.7m/s2，實驗過程向學生展示軟件中可以調用的傳感器，向學生提供豐富的可用工具，為以后開展實驗提供素材儲備.多種信息技術融合開展物理教學，既傳承了傳統物理實驗的思想和方法，也提供了新的實驗手段和方案，有利于學生科學素養的提升.

在教學過程中開發的一些低成本實驗，在課堂教學過程中取得了很好的教學效果，承載了獨特的教育價值—取材方便、動手動腦、貼近生活、培養創新能力等，這正是低成本實驗的魅力所在.而且利用手機開發低成本實驗，更容易激發起學生的學習興趣.

3?結語

在高中物理教學中，要盡量創造條件做物理實驗，使學生的物理形象思維獲得正常的發展；創造性地開展演示實驗教學，用常見的日常生活用品和智能手機設備自制教具，直觀形象地說明深奧的物理問題，幫助學生疏通認知障礙，形成科學觀念.開發低成本實驗不僅環保經濟，還可以讓學生從生活的角度理解物理知識的深刻內涵，真正體驗“從生活走向物理，從物理走向社會”的教學理念.

參考文獻：

[1]喬際平，邢紅軍.物理教育心理學[M].南寧：廣西教育出版社，2002.

[2]閻金鐸.物理教學論[M].南寧：廣西教育出版社，1998.

[3]安忠，劉炳升.中學物理實驗教學與研究［M］.北京：高等教育出版社，1986.

[4]劉炳升.中學物理實驗教學與自制教具［M］.上海：上海教育出版社，2000.8