例談物理教學(xué)中的實驗器材探究

摘要：實驗器材的探究內(nèi)嵌于整個物理實驗教學(xué)過程中，與教學(xué)的各個環(huán)節(jié)相互融合。當(dāng)前物理教學(xué)中，存在對實驗器材探究不夠重視的現(xiàn)象。對此，應(yīng)根據(jù)學(xué)習(xí)內(nèi)容和教學(xué)重點，選擇合適的、有利于學(xué)生思維發(fā)展的重要器材進行突破，突出對其選用原因、構(gòu)造過程或設(shè)計原理的探究。以斜面、滑動變阻器、壓強計為例，分別加以說明。

關(guān)鍵詞：實驗器材 選用原因 構(gòu)造過程 設(shè)計原理

實驗器材的探究內(nèi)嵌于整個物理實驗教學(xué)過程中，與教學(xué)的各個環(huán)節(jié)相互融合。日常的物理實驗教學(xué)中，經(jīng)?？梢姟爸苯映尸F(xiàn)實驗器材—介紹操作方法—學(xué)生實驗探究”的“高效”教學(xué)活動。這樣的教學(xué)看起來很流暢，但學(xué)生對實驗器材的作用、構(gòu)造、原理和操作方法難以產(chǎn)生深刻的認(rèn)識，也就限制了思維能力和創(chuàng)新能力的發(fā)展。對此，筆者認(rèn)為，應(yīng)延緩重要實驗器材的出場時間，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容，有針對性地突出對其選用原因、構(gòu)造過程或設(shè)計原理的探究。下面，以斜面、滑動變阻器、壓強計為例，分別加以說明。

一、探究實驗器材的選用原因

對于“探究阻力對物體運動的影響”實驗，蘇科版初中物理教材提供的器材是斜面、木板、玻璃板、棉布和小車。小車從斜面的相同高度處滑下，到達水平面時速度相同。其中，斜面的作用顯而易見，用其來探究似乎理所當(dāng)然。但如果不給定器材，而讓學(xué)生根據(jù)探究目標(biāo)自主確定器材呢？我們可以這樣展開教學(xué)——

師根據(jù)研究目標(biāo)，需要選擇哪些器材？

生產(chǎn)生不同阻力需要粗糙程度不同的水平面，可以選擇的器材有玻璃板、木板、棉布、毛巾等。

師運動的物體呢？

生選擇小車。小車與接觸面摩擦力小，運動距離較遠，便于觀察比較。

師請說說實驗的大致思路。

生運用控制變量法，讓小車以相同速度在不同水平面上運動，比較小車運動的路程。

師怎么保證小車的初始速度相等？

（學(xué)生思考。）

生直接用手推，每次用相同大小的力。

生將彈簧一端固定，另一端和小車接觸，每次將彈簧壓縮相同的距離。

……

學(xué)生從探究目標(biāo)出發(fā)，自主選擇器材，生成了原生態(tài)問題：直接推，很難控制手的推力相同;用彈簧，固定和操作都比較麻煩。學(xué)生意識到，看似簡單的問題實現(xiàn)起來卻有很多困難。此時，讓學(xué)生拿出抽屜里的斜面，與自己提出的方案比較可行性和簡易性，深刻體會到斜面的巧妙作用。

二、探究器材的構(gòu)造過程

蘇科版初中物理九年級上冊中有專門的“學(xué)習(xí)使用滑動變阻器”的探究活動。傳統(tǒng)教學(xué)一般是先出示滑動變阻器，然后介紹結(jié)構(gòu)和接法，強調(diào)滑動變阻器的使用方法。這使得學(xué)生缺少對這一實驗器材“為什么有這些部件”“這些部件的作用是什么”的深度思考與探究。對此，可“拆解”滑動變阻器，這樣展開教學(xué)——

師我們學(xué)習(xí)了導(dǎo)體電阻與材料、長度、橫截面積和溫度有關(guān)。（展示鉛筆芯）要改變鉛筆芯接入電路的電阻大小，改變哪個因素比較方便？

生長度。

師現(xiàn)在就用這種方法改變電阻，以改變通過燈泡的電流，進而調(diào)節(jié)燈泡亮度。

（教師提供器材：干電池兩節(jié)、小燈泡、開關(guān)、電流表、鉛筆芯、導(dǎo)線若干、帶鱷魚夾的導(dǎo)線兩根。學(xué)生實驗。）

師用鉛筆芯改變電阻能在電路中推廣使用嗎？為什么？

生不能，因為鉛筆芯在使用過程中容易折斷。

師怎么改進？從穩(wěn)定可靠和使用方便兩個方面考慮。

生用金屬絲代替鉛筆芯，如銅絲。

（教師提供一小段銅絲，學(xué)生實驗時發(fā)現(xiàn)問題：改變長度時，燈泡亮度基本不變。）

師為什么會出現(xiàn)這種情況？

生銅絲的電阻（率）太小了，長度變化不能明顯改變其電阻，需要電阻（率）比較大的材料。

師鎳鉻合金線就是這樣一種材料。

（教師提供一小段鎳鉻合金線，學(xué)生繼續(xù)實驗。）

生燈泡明暗變化不明顯。

師原因是什么？

生可能是電阻變化區(qū)間太小。

師怎樣使燈泡亮度變化更顯著？

生增加線的長度。

（教師提供2米左右的鎳鉻合金線，學(xué)生實驗后發(fā)現(xiàn)：電阻絲過長，易纏繞在一起，且對實驗操作干擾大，使用非常麻煩;如果需要更大變化范圍的電阻，電阻絲將更長，改變電阻極不方便，且攜帶不便。）

師怎樣改進？

生可將鎳鉻合金線繞在一段塑料管上。

（學(xué)生繼續(xù)實驗，燈泡亮度變化還是不明顯。）

師大家注意看一下繞線，每匝鎳鉻合金線是彼此接通的，所以電流并不是沿電阻絲螺旋式導(dǎo)通，而是橫向?qū)?，相?dāng)于接入阻值較小的金屬圓筒。如何解決這一問題？

生每匝鎳鉻合金線之間要彼此絕緣。

（教師提供表面涂有絕緣漆的鎳鉻合金線，學(xué)生制作“滑動變阻器”。教師引導(dǎo)學(xué)生在線圈中部刮出一條便于接通的通道，滑動變阻器核心部件就構(gòu)造出來了。）

電阻絲是滑動變阻器的核心。從鉛筆芯容易折斷，到銅絲電阻率太小，再到鎳鉻合金線太長不方便，層層深入，學(xué)生經(jīng)歷了滑動變阻器從萌芽到雛形，再臻于完善，最后整體構(gòu)造出來的過程。這與科學(xué)家發(fā)明創(chuàng)造的思維路徑很相似，能使學(xué)生在形成對滑動變阻器深刻認(rèn)識的同時，發(fā)展科學(xué)思維。

三、探究實驗器材的設(shè)計原理

“探究影響液體內(nèi)部壓強的因素”實驗的核心器材是壓強計。掌握壓強計的操作方法并不難，這些程序性知識難以提高學(xué)生的思維水平。而通過對壓強計設(shè)計原理的自主探究，能幫助學(xué)生在頭腦中建構(gòu)壓強計的模型，提升思維能力和創(chuàng)新意識。我們可以這樣展開教學(xué)——

（教師提供器材：底部或側(cè)壁粘了橡膠薄膜的礦泉水瓶、空的保鮮袋、封閉且有水的保鮮袋、裝水的圓柱體容器。學(xué)生利用這些器材，尋找液體產(chǎn)生壓強的證據(jù)。圖1、圖2為部分學(xué)生找到的證據(jù)。）

師（展示圖1中的器材）能用這個工具探究嗎？試試看。

（學(xué)生嘗試。）

生深度變化時，橡膠薄膜凹凸程度的變化不容易觀察到;而深度相同時，改變橡膠薄膜的方向比較困難。

師優(yōu)化后要達到什么目標(biāo)？

生橡膠薄膜能大角度轉(zhuǎn)動，橡膠薄膜形變能放大。

生為使橡膠薄膜在水中靈活轉(zhuǎn)動，裝有橡膠薄膜裝置的體積要盡量小一些。

……

（教師展示壓強計的一部分，如圖3，演示可轉(zhuǎn)動的橡膠薄膜;然后，借助實物投影講解，當(dāng)橡膠薄膜壓向液體時，小金屬盒里的空氣通過小孔和橡皮管排出;接著，出示壓強計的U形管，如圖4，將吹灰球接上左端橡皮管，輕輕一捏，液面高度差變得很大。）

師有什么放大橡膠薄膜形變的辦法嗎？

生將U形管的橡皮管套在小金屬盒的排氣孔上。

（學(xué)生實驗。）

師這里運用了組合法，它是創(chuàng)新的一種重要方法?？磥?，創(chuàng)新也是有“套路”可循的。另外，將橡膠薄膜的形變轉(zhuǎn)換成U形管的高度差，體現(xiàn)了轉(zhuǎn)換法的思想。這是一種重要的科學(xué)探究思想。

探究液體壓強與哪些因素有關(guān)，首先要解決的問題是如何反映液體的壓強大小。通過液體產(chǎn)生壓強的體驗活動，學(xué)生獲得了“用橡皮薄膜形變程度反映壓強大小”這一經(jīng)驗。將礦泉水瓶插入水中，不同深度時，難以直觀比較形變程度;相同深度時，很難靈活改變橡皮薄膜方向。這無形中激發(fā)了學(xué)生發(fā)明一種適宜的探究工具的需求。這種工具既能在水中自由轉(zhuǎn)動，又能清楚地反映橡皮薄膜的形變程度。學(xué)生的創(chuàng)造因子被激活。這一探究任務(wù)頗具挑戰(zhàn)性，需要教師適當(dāng)?shù)刂笇?dǎo)，尤其在學(xué)生缺乏創(chuàng)造方法時，更需要教師鋪設(shè)臺階，避免學(xué)生產(chǎn)生畏難情緒。如果時間充裕，學(xué)生又具有較高的物理素養(yǎng)，則可以完全放開，讓他們創(chuàng)造出自己心目中的壓強計，并利用其進行深入探究。

綜上可見，強調(diào)實驗器材探究的教學(xué)，彰顯了實驗教學(xué)的價值，對促進學(xué)生深度學(xué)習(xí)、發(fā)展學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)有著積極的作用。需要注意的是，并不是每個實驗器材都要采用這種探究式的教學(xué)方法，而是要根據(jù)學(xué)習(xí)內(nèi)容和教學(xué)重點，選擇合適的、有利于學(xué)生思維發(fā)展的重要器材進行突破。同時，對實驗器材的探究是一個“慢教學(xué)”的過程，要規(guī)劃好教學(xué)時間，使其真正地為物理教學(xué)服務(wù)。

參考文獻：

[1] 白孝忠.初中物理課堂活動教學(xué)應(yīng)重視的幾個問題——基于促進“深度學(xué)習(xí)”視角說明[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2018（21）.