“單件到積件”：中學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)改進(jìn)創(chuàng)新思路與實(shí)踐

摘?要：“單件到積件”中學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)改進(jìn)思路是指根據(jù)一個(gè)基本演示實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)的思路，本文以窗簾導(dǎo)軌為例，提出“單件到積件”物理演示實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的七個(gè)策略及教學(xué)實(shí)踐.

關(guān)鍵詞：?jiǎn)渭?積件;物理教學(xué);演示實(shí)驗(yàn);實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

文章編號(hào)：1008-4134（2020）07-0049中圖分類號(hào)：G633.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

基金項(xiàng)目：廣東省教育科學(xué)規(guī)劃課題“高中學(xué)生力學(xué)學(xué)習(xí)困難及教學(xué)對(duì)策研究”（項(xiàng)目編號(hào)：2012YQJK037）;廣州市第三批市教育系統(tǒng)創(chuàng)新學(xué)術(shù)團(tuán)隊(duì)“中學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)改進(jìn)創(chuàng)新及其在教學(xué)中的應(yīng)用研究”（項(xiàng)目編號(hào)：1201630019）.

作者簡(jiǎn)介：余耿華（1976-），男，廣東興寧人，碩士，中學(xué)高級(jí)教師，研究方向：實(shí)驗(yàn)教學(xué)、迷思概念、實(shí)驗(yàn)改進(jìn).

1?問題的提出

實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)的基石，也是學(xué)物理的基石，但當(dāng)前演示實(shí)驗(yàn)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(nèi)容的特定現(xiàn)象的演示或特定規(guī)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(duì)固定不可重組.?在實(shí)驗(yàn)改進(jìn)創(chuàng)新過程中，本人嘗試根據(jù)單一的實(shí)驗(yàn)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(gè)章節(jié)的許多實(shí)驗(yàn)，即“單件到積件”思路.

2?“單件到積件”實(shí)驗(yàn)改進(jìn)思路

“單件到積件”物理演示實(shí)驗(yàn)改進(jìn)思路：?是指根據(jù)一個(gè)基本演示實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)的思路.該思路由華南師范大學(xué)張軍朋教授提出，并被中國(guó)專業(yè)學(xué)位教學(xué)案例中心收錄.

本實(shí)驗(yàn)的單件是指：一根窗簾導(dǎo)軌（如圖1）及兩個(gè)薄圓強(qiáng)磁鐵;積件是指然后通過添加、減少某些器材，可以完成六個(gè)運(yùn)動(dòng)類、碰撞類系列演示實(shí)驗(yàn).

3?積件思路的優(yōu)點(diǎn)

（1）吸收傳統(tǒng)演示實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)單、方便、易操作、易于學(xué)生理解物理概念、規(guī)律的優(yōu)點(diǎn);

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

（3）這類教具具有可重組性，即組成教具的各個(gè)部件可以拆分、重組，以實(shí)現(xiàn)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(fā)的發(fā)展方向.

4?“單件到積件”物理演示實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的策略及教學(xué)實(shí)踐

4.1?策略一：創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，從“無”到“有”

案例：伽利略理想實(shí)驗(yàn)

4.1.1?伽利略理想實(shí)驗(yàn)的幾種傳統(tǒng)做法及優(yōu)缺點(diǎn)

（1）最早做法是展示板畫掛在黑板，老師講解，缺乏實(shí)際真實(shí)實(shí)驗(yàn);

（2）后來發(fā)展到采用課件Flash動(dòng)畫演示，優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單方便，老師只需要點(diǎn)一下鼠標(biāo)通過電腦就可以演示，由于課件怎樣制作都可以，缺乏真實(shí)性和說服力，學(xué)生的體驗(yàn)不強(qiáng);

（3）人教版采用現(xiàn)代科技的頻閃照片技術(shù)，以伽利略斜面實(shí)驗(yàn)的頻閃照片說明.

從培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)角度來看，應(yīng)該是能做實(shí)際物理實(shí)驗(yàn)的，教師應(yīng)該盡可能做實(shí)驗(yàn).但理想實(shí)驗(yàn)又只能在頭腦中完成？?因此筆者進(jìn)行如下創(chuàng)新改進(jìn).

4.1.2?實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新

實(shí)際實(shí)驗(yàn)可以培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是的科學(xué)精神，領(lǐng)悟抓住主要矛盾、忽略次要矛盾的思想方法.

實(shí)驗(yàn)器材（如圖2）：?窗簾導(dǎo)軌、強(qiáng)磁鐵、鐵球（304不銹鋼，無磁性）.

4.1.3?改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)教學(xué)片段

如何設(shè)計(jì)問題，從教“知識(shí)”向提升“思維”轉(zhuǎn)變？?依據(jù)2017年版新課程標(biāo)準(zhǔn)，提出物質(zhì)觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任.?因此，如何在科學(xué)探究中提升學(xué)生的科學(xué)思維，并在教學(xué)過程中滲透科學(xué)精神、科學(xué)態(tài)度顯得尤其重要.

（1）由于窗簾導(dǎo)軌很易彎曲，可以現(xiàn)場(chǎng)不斷減小右邊斜面的傾角.

（2）引導(dǎo)學(xué)生思考.師：為什么每次都是接近右邊等高處？且若來回多運(yùn)動(dòng)幾次，小球高度越來越低？為什么？?學(xué)生：因?yàn)槟Σ亮ψ饔?在這個(gè)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(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生思考.?師：如果導(dǎo)軌傾角進(jìn)一步減小會(huì)如何？學(xué)生回答：理想狀態(tài)下，小球要到達(dá)右邊等高處，小球所走的路程更遠(yuǎn).

問題：如果傾角為零呢？?學(xué)生歸納：小球?qū)⒁恢边\(yùn)動(dòng)下去.

4.1.4?實(shí)驗(yàn)教學(xué)評(píng)價(jià)

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

（2）在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，盡可能讓學(xué)生參與，采用啟發(fā)式、參與式、討論式、探究式教學(xué)（啟發(fā)、討論?、引導(dǎo)），及時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)生思維的閃光點(diǎn).

4.2?策略二：創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，從“一物”到“多用”

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)：“機(jī)械能守恒定律”的演示實(shí)驗(yàn).

4.3?策略三：改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，從“有”到“易”

“易”指易操作、易成功、易觀察.

改進(jìn)實(shí)驗(yàn)：探究物體的動(dòng)能跟哪些因素有關(guān)？?人教版初中八下第十一章第三節(jié)?（如圖3）.

4.3.1?傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單、方便、直觀;?缺點(diǎn)：水平放在講臺(tái)上，不易觀察;沒有導(dǎo)軌，小球容易走偏，小球撞擊木塊時(shí)容易撞飛.

4.3.2?實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

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(wěn)度的作用.

4.3.3?改進(jìn)后的教學(xué)片段

雖然是演示實(shí)驗(yàn)，一樣可以讓學(xué)生經(jīng)歷一次實(shí)驗(yàn)探究的過程（可以選取探究最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)）.

提出問題：

師：這個(gè)實(shí)驗(yàn)的研究對(duì)象是鐵球，運(yùn)動(dòng)的小鐵球具有做功的本領(lǐng)，我們說小球具有動(dòng)能，那么小鐵球的動(dòng)能與什么因素有關(guān)？

猜想和假設(shè)：

師：小鐵球的動(dòng)能可能與什么因素有關(guān)？

生：與質(zhì)量、速度有關(guān).

制訂計(jì)劃與設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)：

師：如何研究動(dòng)能與質(zhì)量m和速度v的關(guān)系？

生：控制變量法——研究方法.

（1）探究v一定時(shí)，動(dòng)能跟m定性關(guān)系;?（2）探究m一定時(shí)，?動(dòng)能跟v定性關(guān)系.

師：根據(jù)本實(shí)驗(yàn)裝置，如何觀察動(dòng)能何時(shí)大或??？改變質(zhì)量m時(shí)如何觀察速度v何時(shí)大或小？

生1：動(dòng)能大小可以看推動(dòng)木塊遠(yuǎn)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)與收集數(shù)據(jù)：

（2）探究物體的速度一定時(shí)，動(dòng)能跟物體質(zhì)量定性關(guān)系.

師：如何做到質(zhì)量不同的小球，到達(dá)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(zhì)量不同哦;?生：可能？…

師：怎么辦？

生：速度傳感器？測(cè)速儀？…

問題：質(zhì)量不同的小球從同一高度下落，到達(dá)底端速度相同嗎？

問題：如何保證同時(shí)釋放小球？答：用尺擋住兩小球，同時(shí)釋放.

問題：如何觀察兩小球的速度相等？?答：用手機(jī)慢鏡頭回放（如圖5）.

（3）探究物體的速度一定時(shí)，動(dòng)能跟物體質(zhì)量定性關(guān)系

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

（4）探究物體質(zhì)量相同時(shí)，動(dòng)能跟速度定性關(guān)系

生：用同一個(gè)小球分別在A點(diǎn)和B點(diǎn)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(dòng)能大.

分析與論證、評(píng)估、表達(dá)與交流.

師：根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)，小球的動(dòng)能與m、v有怎樣的定性關(guān)系？

生：當(dāng)v一定時(shí)，小鐵球m越大，動(dòng)能越大?;當(dāng)m一定時(shí)，小鐵球v越大，動(dòng)能越大.

4.3.4?實(shí)驗(yàn)教學(xué)評(píng)價(jià)

改進(jìn)后的優(yōu)點(diǎn)：?將實(shí)驗(yàn)搬到黑板上，直觀明了;實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單、方便;實(shí)驗(yàn)范圍廣，初高中教學(xué)均適用，實(shí)驗(yàn)成本低，容易推廣.

有利于學(xué)生科學(xué)探究能力的提升：通過指導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛣?dòng)手實(shí)踐能力，通過提出問題，并作出假設(shè)，自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，最終自己探究出動(dòng)能的決定因素;

有利于學(xué)生領(lǐng)悟科學(xué)方法：本次實(shí)驗(yàn)用到了兩種物理探究方法：控制變量法和轉(zhuǎn)換法.有利于激發(fā)學(xué)生自主創(chuàng)造的想法，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維能力;

有利于促進(jìn)學(xué)生的邏輯思維能力、質(zhì)疑能力、發(fā)散性思維和創(chuàng)新思維能力發(fā)展.

4.4?策略四：改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，從“傳統(tǒng)”到與“現(xiàn)代”結(jié)合

將智能手機(jī)、數(shù)字化傳感器實(shí)驗(yàn)等高科技儀器與傳統(tǒng)器材相結(jié)合.

4.5?策略五：改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，從“繁”到“簡(jiǎn)”

案例：驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律.

4.5.1?課本的三種實(shí)驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)

（1）采用氣墊導(dǎo)軌加光電門.

優(yōu)點(diǎn)：精準(zhǔn).缺點(diǎn)：價(jià)格昂貴，不少學(xué)校沒有，攜帶不方便，準(zhǔn)備一次不容易.

（2）用繩拉小球去碰撞另一小球（如圖7）?.

優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單、方便、便宜，容易實(shí)現(xiàn);缺點(diǎn)：測(cè)量角度不方便，尤其在小球運(yùn)動(dòng)過程中測(cè)量角度不方便.

（3）利用兩小車碰撞和打點(diǎn)計(jì)時(shí)器.

優(yōu)點(diǎn)：方便、簡(jiǎn)單、易操作;?缺點(diǎn)：小車易走偏，誤差會(huì)大一些，計(jì)算相對(duì)繁雜.

4.5.2?改進(jìn)實(shí)驗(yàn)及教學(xué)實(shí)踐

（1）用天平分別測(cè)出一個(gè)鐵球和玻璃球質(zhì)量分別為m1、m2;讓一個(gè)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(dá)下端軌道時(shí)，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(biāo)尺），代表主動(dòng)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(cè)出玻璃球、鐵球的水平落點(diǎn)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(tǒng)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(shí)驗(yàn)教學(xué)評(píng)價(jià)

優(yōu)點(diǎn)：小球不會(huì)走偏、方便、簡(jiǎn)單、易操作，計(jì)算簡(jiǎn)單.

4.6?策略六：改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，從“多”到“少”

指實(shí)驗(yàn)器材從“多”變到“少”?.

案例：描出平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡?.

4.6.1?傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)缺點(diǎn)

器材多：鐵架臺(tái)、木板、圖釘、鐵球、坐標(biāo)紙.

4.6.2?改進(jìn)實(shí)驗(yàn)后的優(yōu)點(diǎn)

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

（2）器材簡(jiǎn)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(shù)據(jù).

4.7?策略七：改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，從“難”到“易”

案例：探究平拋運(yùn)動(dòng)水平方向的分運(yùn)動(dòng).

4.7.1?兩個(gè)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)一（如圖10）：?優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單?;?缺點(diǎn)：“難”在控制同時(shí)釋放小球.

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)二（如圖11）：?優(yōu)點(diǎn)：準(zhǔn)確度高，易操作;缺點(diǎn)：“難”在需要器件多，制作麻煩.

4.7.2?改進(jìn)實(shí)驗(yàn)：從“難”到“易”

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

（2）器材簡(jiǎn)單，易操作，易成功，易觀察.

（3）可以結(jié)合手機(jī)拍慢視頻，然后播放，學(xué)生能更清晰地體驗(yàn)到兩個(gè)小球同時(shí)落到導(dǎo)軌上，從而得出：小球平拋其水平方向作勻速直線運(yùn)動(dòng).

5?結(jié)束語

總之，利用“單件到積件”的思想改進(jìn)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)過程中，應(yīng)該遵從的基本原則是：?一物多用、?變易、?變少、?變簡(jiǎn).

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國(guó)教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[2]?余耿華.巧用窗簾導(dǎo)軌改進(jìn)系列演示實(shí)驗(yàn)[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2018（Z1）：36-38.

[3]謝桂英.自制低成本教具，提高初中物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效性[J].物理實(shí)驗(yàn)，2014（04）：11-14.

[4]謝桂英.自制低成本電動(dòng)機(jī)系列實(shí)驗(yàn)演示儀[J].物理教學(xué)，2018（02）：31-34.

[5]余耿華.利用電教媒體改進(jìn)牛頓第二定律演示實(shí)驗(yàn)[J].實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器，2014（03）：23-24.

[6]?謝桂英.?自制低成本汽油機(jī)工作原理實(shí)驗(yàn)演示儀改進(jìn)創(chuàng)新及教學(xué)應(yīng)用[J].物理教師，2019（09）：53-55.

（收稿日期：2019-12-13）