基于階梯式教學(xué)模式對(duì)高中物理實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化與創(chuàng)新

厲曉萱　趙振宇

摘 要：針對(duì)階梯式教學(xué)模式在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用，結(jié)合“反沖現(xiàn)象 火箭”一節(jié)課的教學(xué)重難點(diǎn)，提出四個(gè)能夠明顯演示反沖現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)，并通過(guò)降低階梯坡度、搭建平行階梯、建構(gòu)上升階梯三個(gè)階梯呈現(xiàn).旨在通過(guò)有關(guān)階梯式教學(xué)模式下反沖現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，切實(shí)培養(yǎng)學(xué)生觀察、探究、思辨、合作與交流的能力.

關(guān)鍵詞：階梯式教學(xué)模式;反沖現(xiàn)象;演示實(shí)驗(yàn);自制教具;優(yōu)化與創(chuàng)新

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1008-4134（2021）05-0027-04

作者簡(jiǎn)介：厲曉萱（1998-），女，黑龍江綏芬河人，碩士研究生，研究方向：中學(xué)物理學(xué)科教學(xué);

趙振宇（1968-），女，黑龍江哈爾濱人，本科，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：中學(xué)物理教學(xué)教法.

新一輪課程改革提出將培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng)擺在突出地位，并針對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的“實(shí)驗(yàn)探究”能力提出明確而具體的要求.在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，教師單純地運(yùn)用講授法開(kāi)展教學(xué)活動(dòng)難免略顯單調(diào)、晦澀，對(duì)于學(xué)生的理解能力也是個(gè)不小的挑戰(zhàn).但若物理教師能夠基于階梯式教學(xué)模式設(shè)置多組進(jìn)階實(shí)驗(yàn)，啟發(fā)學(xué)生在觀察、體驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行深入挖掘，使學(xué)生經(jīng)歷感性認(rèn)識(shí)—理性學(xué)習(xí)—全面提升這一探究過(guò)程，其教學(xué)效果必然優(yōu)于傳統(tǒng)教學(xué)模式下的講授.本文采用階梯式教學(xué)模式，以“反沖現(xiàn)象”為例進(jìn)行優(yōu)化和創(chuàng)新，落實(shí)有關(guān)高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的系列要求.

1 感性認(rèn)知，激發(fā)興趣——降低階梯坡度

情境創(chuàng)設(shè)：沖天的可樂(lè)瓶實(shí)驗(yàn)利用糖衣的多孔結(jié)構(gòu)加速可樂(lè)內(nèi)CO2氣體的逸出，形成反沖現(xiàn)象，帶領(lǐng)學(xué)生感受反沖的巨大威力.通過(guò)兩種學(xué)生常見(jiàn)的小零食進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，將抽象的物理學(xué)原理生活化，在喚醒學(xué)生探究欲的同時(shí)大大降低了學(xué)生攀爬新知的階梯坡度.

1.1 制作材料

可樂(lè)、可樂(lè)瓶、橡膠塞、曼妥思薄荷糖、透明膠帶.

1.2 制作方法

（1）利用透明膠帶將3-4粒曼妥思薄荷糖依次固定，并預(yù)留出5cm的膠帶以便固定薄荷糖在可樂(lè)瓶中的位置，控制發(fā)生反應(yīng)的時(shí)機(jī).

（2）倒出部分可樂(lè)，保留適量的可樂(lè)于瓶中.

（3）將可樂(lè)瓶正放，利用預(yù)留出來(lái)的膠帶使薄荷糖懸置于可樂(lè)瓶中但不接觸可樂(lè)，一只手利用預(yù)留出的膠帶控制薄荷糖的位置，另一只手用橡膠塞緊緊塞住瓶口，如圖1所示.

1.3 演示方法

（1）操作者將事先制作好的教具移動(dòng)至空曠場(chǎng)地，一只手握緊橡膠塞與瓶口銜接處，迅速將可樂(lè)瓶倒置，使瓶口向下.

（2）為防止可樂(lè)噴出濺到身上，操作者需伸直手臂并保持靜止，耐心等待.待瓶中氣體累積到一定程度氣體沖開(kāi)瓶塞時(shí)，松開(kāi)可樂(lè)瓶.

（3）此時(shí)能觀察到，瓶中的可樂(lè)迅速向下噴出，與此同時(shí)可樂(lè)瓶向上運(yùn)動(dòng).若實(shí)驗(yàn)效果良好，可樂(lè)瓶能夠向上運(yùn)動(dòng)2.5-3米，如圖2所示.

1.4 實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)操作是將薄荷糖置于開(kāi)口的可樂(lè)瓶中，在二者接觸的瞬間液體產(chǎn)生大量氣泡.此操作方式雖然能夠產(chǎn)生較為明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，對(duì)學(xué)生有一定吸引力，但卻無(wú)法用來(lái)解釋實(shí)驗(yàn)原理，并不能順利應(yīng)用于課堂教學(xué).受“反沖水火箭”實(shí)驗(yàn)的啟發(fā)，筆者對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn).用瓶塞塞住瓶口并進(jìn)行倒置，教師通過(guò)釋放可樂(lè)瓶，引導(dǎo)學(xué)生觀察瓶子的運(yùn)動(dòng)情況，將氣體逸出的動(dòng)量轉(zhuǎn)化為可樂(lè)瓶的上升高度和運(yùn)動(dòng)速度，化無(wú)為有，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的可視化程度.

教師借此機(jī)會(huì)也可以對(duì)學(xué)生進(jìn)行思維訓(xùn)練，同樣是將可樂(lè)與薄荷糖進(jìn)行混合，但只要對(duì)原本的操作方式稍加改進(jìn)便能得到另一個(gè)可用于演示物理學(xué)原理的實(shí)驗(yàn)，通過(guò)物理實(shí)驗(yàn)的實(shí)際案例啟發(fā)學(xué)生突破慣性思維對(duì)幫助學(xué)生建立創(chuàng)新思維具有一定的導(dǎo)向作用.

2 理性學(xué)習(xí)，獲得新知——搭建平行階梯

情境創(chuàng)設(shè)：通過(guò)“模擬噴灌裝置”和“風(fēng)火輪”實(shí)驗(yàn)分別演示噴出氣體和液體的反沖現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)兩組實(shí)驗(yàn)的共同點(diǎn)進(jìn)行歸納，分析反沖現(xiàn)象的定義及特點(diǎn).在這一過(guò)程中，通過(guò)創(chuàng)新多個(gè)反沖實(shí)驗(yàn)，搭建“平行階梯”，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)嚴(yán)密的邏輯分析與推理，深入理解反沖現(xiàn)象的本質(zhì).順利實(shí)現(xiàn)突出教學(xué)重點(diǎn)、突破教學(xué)難點(diǎn)的教學(xué)目標(biāo).

2.1 模擬噴灌裝置

該實(shí)驗(yàn)的巧妙之處在于“化繁為簡(jiǎn)”，筆者通過(guò)抓住農(nóng)業(yè)噴灌裝置的關(guān)鍵因素，針對(duì)反沖現(xiàn)象在該裝置中的應(yīng)用，制作可用來(lái)演示液體反沖的教具.

2.1.1 制作材料

注射器、橡膠管、吸管、熱熔膠、剪刀.

2.1.2 制作方法

（1）將細(xì)吸管裁剪至合適長(zhǎng)度，并用熱熔膠槍將細(xì)吸管兩端封住，使吸管保持密封.

（2）在吸管中間位置剪出一個(gè)小孔，小孔直徑略大于橡膠管的直徑.將橡膠管的一端塞入吸管上打好的孔中，并用熱熔膠將橡膠管與吸管接口處密封.

（3）在細(xì)吸管的兩端對(duì)稱位置處按相反方向各扎1個(gè)小孔.

（4）將粗吸管裁至合適長(zhǎng)度，套在橡膠管的外側(cè).

（5）將橡膠管的另一端套在注射器的空桶上，并用熱熔膠將橡膠管與空桶連接處密封，即制成了模擬噴灌裝置，如圖3所示.

2.1.3 演示方法

首先，教師將注射器的活塞拔出，向空桶內(nèi)注入一定量的水，再將活塞安裝上，進(jìn)而推動(dòng)活塞將空桶中的多余氣體排出.為使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，教師可在水中滴入幾滴紅墨水.

教師雙手將模擬噴灌裝置舉到空中，一只手穩(wěn)定住粗吸管以及橡膠管，另一只手適度用力推壓活塞.此時(shí)學(xué)生可以觀察到注射器中的水從兩小孔向外噴出，與此同時(shí)原本靜止的細(xì)吸管按與噴出水流的相反方向旋轉(zhuǎn)，水被均勻地噴灑到周圍空間較大范圍內(nèi)，如圖4所示.

2.1.4 實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新

噴灌裝置被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)灌溉中.教師采取傳統(tǒng)的講授式教學(xué)雖然能夠闡述清楚裝置的工作原理但卻缺乏生動(dòng)性;而媒體演示雖然能夠較大程度地彌補(bǔ)語(yǔ)言講述所缺乏的形象感，卻又無(wú)法帶給學(xué)生較強(qiáng)的體驗(yàn)感.為此，筆者選擇利用自制教具帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行實(shí)際體驗(yàn)，既能夠突出主要矛盾，弱化次要矛盾，學(xué)生又能通過(guò)認(rèn)真觀察、切身體驗(yàn)以及動(dòng)手操作真正理解反沖現(xiàn)象在噴灌裝置中的應(yīng)用，有效避免以上兩種教學(xué)方式帶來(lái)的不便.

2.2 “風(fēng)火輪”實(shí)驗(yàn)

該實(shí)驗(yàn)利用酒精易燃、易揮發(fā)的特點(diǎn)來(lái)演示噴出氣體的反沖現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，效果震撼.

2.2.1 制作材料

易拉罐、紫銅管、95°液體酒精、酒精膏.

2.2.2 制作方法

（1）在易拉罐側(cè)壁距底部1/3處開(kāi)一小孔，利用注射器將易拉罐內(nèi)的全部液體抽出.

（2）截取4段等長(zhǎng)的紫銅管，然后將其從中間位置彎曲.注意保持管內(nèi)氣體暢通，不要將管內(nèi)彎曲處堵死.

（3）在側(cè)壁同一高度處等間隔打4個(gè)小孔.

（4）將4只紫銅管末端插入小孔中，并用防水膠水將紫銅管與罐體側(cè)壁固定并密封.

（5）在易拉罐拉環(huán)處系上一根細(xì)線，細(xì)線另一端懸掛在鐵架臺(tái)上，如圖5所示.

2.2.3 演示方法

（1）用注射器抽取適量酒精，沿紫銅管內(nèi)壁緩緩向罐體內(nèi)注入.

（2）將易拉罐懸掛在鐵架臺(tái)上，使易拉罐盡量保持靜止.由于細(xì)線多次旋轉(zhuǎn)后會(huì)產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)力，因此在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前要盡量保證細(xì)線的扭轉(zhuǎn)力為零并保持整個(gè)裝置處于靜止?fàn)顟B(tài).

（3）點(diǎn)燃易拉罐底部的固態(tài)酒精.

（4）等待片刻，可觀察到管口有少量氣體噴出，用點(diǎn)火器分別將4個(gè)管口噴出的酒精蒸汽點(diǎn)燃，此時(shí)易拉罐裝置一邊噴火一邊旋轉(zhuǎn)，如圖6所示.

（5）演示結(jié)束，應(yīng)將易拉罐從鐵架臺(tái)上取下，否則由于懸線的扭轉(zhuǎn)力，裝置會(huì)在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)都難以停止旋轉(zhuǎn)，并分散學(xué)生的注意力.

注意：該實(shí)驗(yàn)在演示過(guò)程中涉及到高濃度的酒精易燃物品，教師在實(shí)驗(yàn)前應(yīng)提醒學(xué)生規(guī)范操作，掌握相關(guān)實(shí)驗(yàn)的正確操作方法.實(shí)驗(yàn)結(jié)束后應(yīng)及時(shí)通風(fēng)，妥善處理未用盡的酒精等易燃物品.

2.2.4 實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新

教科書中展示了利用彎管和盛水容器模擬反擊式水輪機(jī)演示反沖現(xiàn)象，但該實(shí)驗(yàn)存在如下不足之處：首先，該實(shí)驗(yàn)在進(jìn)行過(guò)程中難以控制，實(shí)驗(yàn)一旦開(kāi)始就只能等水流流完后才能結(jié)束;其次，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象單一，缺乏沖擊力;再者，容器合適的盛水量不易把握，盛水量少則實(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間較短，不利于教師引導(dǎo)學(xué)生仔細(xì)觀察，盛水量多，則轉(zhuǎn)動(dòng)量大，會(huì)降低轉(zhuǎn)速.而“風(fēng)火輪”實(shí)驗(yàn)正是針對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行改進(jìn)，不但能夠通過(guò)控制熱源即酒精的燃燒來(lái)控制實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，通過(guò)改變液體酒精的用量控制實(shí)驗(yàn)的持續(xù)時(shí)間，而且利用酒精易揮發(fā)的物理性質(zhì)以及易燃燒的化學(xué)性質(zhì)，初步做到物理與化學(xué)間的學(xué)科融合，體現(xiàn)了跨學(xué)科整合的教學(xué)理念.

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中學(xué)生既可以觀察到酒精蒸汽被點(diǎn)燃形成的橘黃色火焰，聽(tīng)到裝置在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中噴出火焰“呼呼”的聲音，此外還可以聞到酒精汽化的特殊味道，前排的學(xué)生甚至能夠感受到演示過(guò)程中實(shí)驗(yàn)裝置散發(fā)的熱量.該實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛟谝曈X(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)等多種感官上給學(xué)生以刺激.具有關(guān)資料表明：學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中，單純依靠一種感官獲得的學(xué)習(xí)效果較差，如憑借視覺(jué)瀏覽圖書;但若能調(diào)動(dòng)多種感官參與學(xué)習(xí)，協(xié)同作用，并輔以實(shí)驗(yàn)操作，則可大幅度提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率.

3 全面提高，深入探究——建構(gòu)上升階梯

情境創(chuàng)設(shè)：氣球動(dòng)力小車可作為探究實(shí)驗(yàn)，教師引導(dǎo)學(xué)生模擬噴氣式飛機(jī)制作氣球動(dòng)力小車.在理解新知的基礎(chǔ)上利用所學(xué)內(nèi)容進(jìn)行實(shí)際探究，并在動(dòng)手制作的過(guò)程中促進(jìn)其工程思維、科學(xué)思維、數(shù)學(xué)能力等多方面能力的提升，體現(xiàn)STEM教學(xué)理念.

3.1 制作材料

氣球、廢紙盒、廢棄瓶蓋、吸管.

3.2 制作方法

（1）將紙盒頂蓋剪掉，作為小車的車身.

（2）在紙盒側(cè)壁等高處確定四點(diǎn)作為車輪位置，以竹簽作為車軸，把已經(jīng)打好孔的瓶蓋穿在竹簽上，作為車輪.為防止車輪在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中脫落，可以在竹簽上纏繞多圈透明膠帶.

（3）將吸管裁剪后利用熱熔膠將吸管的一端固定在車身上，并在另一端固定氣球吹氣口，如圖7所示.

3.3 使用方法

教師用打氣筒向氣球內(nèi)部打氣，在打氣結(jié)束后關(guān)閉氣球的通氣口，將裝置置于演示臺(tái)上.提示學(xué)生觀察小車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，然后松開(kāi)通氣口.此時(shí)，氣球內(nèi)的氣體向一個(gè)方向噴出，同時(shí)小車在氣球的帶動(dòng)下向相反方向運(yùn)動(dòng)，如圖8所示.

3.4 實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新

教科書描述的氣球的反沖現(xiàn)象是通過(guò)直接對(duì)充氣的氣球進(jìn)行放氣，該演示方法存在以下幾點(diǎn)不足：首先，氣體噴出的方向不確定，氣球在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中可能出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)方向不確定現(xiàn)象，教師難以控制，學(xué)生也難以觀察;其次，氣球在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中還存在較多不確定因素，比如，氣球可能會(huì)發(fā)生爆破，影響實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行;最后，學(xué)生在自己的生活中大多經(jīng)歷過(guò)或觀察到直接對(duì)氣球進(jìn)行放氣處理的現(xiàn)象，不能有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)欲望.而經(jīng)過(guò)改進(jìn)的氣球動(dòng)力小車實(shí)驗(yàn)可以有效地解決上述問(wèn)題.

對(duì)某些實(shí)驗(yàn)，利用精確度高、演示效果好的自制實(shí)驗(yàn)儀器或軟件設(shè)備能夠起到良好的實(shí)驗(yàn)效果.但對(duì)于一些定性實(shí)驗(yàn)，教師不必拘泥于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)范圍，通過(guò)簡(jiǎn)單的改進(jìn)就能夠利用手邊的材料設(shè)計(jì)出同等效果的實(shí)驗(yàn).這種創(chuàng)新型教具的應(yīng)用不但能夠滲透物理教師在廢物利用、節(jié)能減排方面的奇思妙想，讓德育教育不只出現(xiàn)在思想政治的課堂上，更體現(xiàn)在教師的實(shí)際行動(dòng)中，還能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)科情懷，讓學(xué)生真正愛(ài)學(xué)物理，愛(ài)上物理.

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于線下高中物理教學(xué)，教師可以選用的教學(xué)模式多種多樣，但階梯式教學(xué)模式獨(dú)有的優(yōu)越性能夠很好地解決物理學(xué)科抽象性強(qiáng)、理論性強(qiáng)、難度較大等問(wèn)題，值得諸位教育研究者和實(shí)施者細(xì)細(xì)探討.此外，能夠應(yīng)用于課堂教學(xué)的實(shí)驗(yàn)有很多，且變化多樣，教師可以根據(jù)自己的授課風(fēng)格、個(gè)人特色選擇適合的實(shí)驗(yàn)類型.但在高中物理教學(xué)中實(shí)施物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)仍存在許多困難，不但需要學(xué)生在課上、課下的積極響應(yīng)，更要求教師從自身出發(fā)，在認(rèn)識(shí)上加強(qiáng)對(duì)物理實(shí)驗(yàn)的重視程度，提高自身的專業(yè)水平，設(shè)計(jì)出操作規(guī)范、符合要求、現(xiàn)象明顯、有吸引力的物理實(shí)驗(yàn).

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（收稿日期：2020-12-16）