姚峰超，孟現(xiàn)美

(山東師范大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250014)

新課程下微實(shí)驗(yàn)的開發(fā)與實(shí)例

姚峰超，孟現(xiàn)美

(山東師范大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250014)

摘要：為了適應(yīng)新課程改革對(duì)物理實(shí)驗(yàn)的要求，在總結(jié)了當(dāng)前物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)弊端的基礎(chǔ)上提出了微實(shí)驗(yàn)的模式，給出了定義，描述了特征. 通過探究表面張力的微實(shí)驗(yàn)案例，論述了在教學(xué)中如何應(yīng)用微實(shí)驗(yàn)，以及可以達(dá)到的教學(xué)效果，進(jìn)一步詳細(xì)闡述了微實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì).

關(guān)鍵詞：微實(shí)驗(yàn)；表面張力；彈性膜

新課程改革下，物理教育倡導(dǎo)“探究式學(xué)習(xí)”，旨在培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能的同時(shí)，又能讓學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究的過程，學(xué)習(xí)和掌握科學(xué)的研究方法，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維和分析解決問題的能力. 這就對(duì)物理實(shí)驗(yàn)提出了要求：實(shí)驗(yàn)素材要貼近實(shí)際生活，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要體現(xiàn)物理思想，實(shí)驗(yàn)過程要注重學(xué)生主體. 當(dāng)今物理課堂演示實(shí)驗(yàn)顯現(xiàn)出了諸多弊端，如：學(xué)生課堂主體性缺失，學(xué)生對(duì)事物的認(rèn)識(shí)也只停留在觀察層面；學(xué)生實(shí)驗(yàn)過于機(jī)械，學(xué)生只需要按既定程序進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，就可得到相應(yīng)的結(jié)果；探究實(shí)驗(yàn)過于冗長(zhǎng)，步驟繁瑣；實(shí)驗(yàn)儀器過于復(fù)雜，脫離現(xiàn)實(shí)生活，等等. 微實(shí)驗(yàn)作為新的課堂實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，已?jīng)開始走入課堂，而且大量的微實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)例也證明它既可以滿足新課程改革培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的要求又可以改善課堂演示實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)的諸多問題，受到學(xué)生的歡迎，逐漸成為當(dāng)前物理教學(xué)研究及各種教學(xué)技能比賽的熱點(diǎn).

1微實(shí)驗(yàn)的概念及特征

1.1微實(shí)驗(yàn)的概念

新課程改革下的微實(shí)驗(yàn)，簡(jiǎn)單來說就是實(shí)驗(yàn)的微型化，是一種為了輔助課堂教學(xué)而設(shè)計(jì)的與教學(xué)內(nèi)容相關(guān)，學(xué)生能夠親手體驗(yàn)的小實(shí)驗(yàn). 具體來說，微實(shí)驗(yàn)就是把小的實(shí)驗(yàn)器具，或是生活中常見物品制作的教具，分發(fā)給每個(gè)實(shí)驗(yàn)小組，通過設(shè)疑引導(dǎo)學(xué)生操作、思考和討論，從而獲得對(duì)某一物理現(xiàn)象的定性認(rèn)識(shí)或驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?

1.2微實(shí)驗(yàn)的特征

微實(shí)驗(yàn)的主要特征：

1)過程簡(jiǎn)短，用時(shí)很少，一般不超過5 min，即實(shí)驗(yàn)過程“微型化”.

2)小的實(shí)驗(yàn)器具或自制教具，即實(shí)驗(yàn)儀器的“微型化”，此處的“微”可以指用于制作實(shí)驗(yàn)儀器的原材料來源簡(jiǎn)單，也可以指實(shí)驗(yàn)儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單. 這樣因?yàn)榻叹呷〔姆奖慊虮旧硇∏?，可以通過提高教具數(shù)量，使每個(gè)學(xué)生都能親手體驗(yàn)[1].

3)實(shí)驗(yàn)過程體現(xiàn)學(xué)生主體性，如果說實(shí)驗(yàn)耗時(shí)短、儀器簡(jiǎn)單是微實(shí)驗(yàn)的“形”，那么學(xué)生主體就是微實(shí)驗(yàn)的“意”. 學(xué)生不僅可以親自動(dòng)手、積極觀察、主動(dòng)探究，又因多采用以實(shí)驗(yàn)小組為單位進(jìn)行，還可以培養(yǎng)學(xué)生的分工合作以及交流表達(dá)的能力[2-3].

4)操作簡(jiǎn)便，教師和學(xué)生一起，邊教邊做邊總結(jié). 若實(shí)驗(yàn)以經(jīng)驗(yàn)缺乏和思維尚不成熟的學(xué)生為活動(dòng)主體，必將增加實(shí)驗(yàn)的盲目性，但因?yàn)槲?shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)便，所以教師可以通過巧妙的設(shè)計(jì)，快速達(dá)到教學(xué)目的.

2微實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及其教學(xué)案例

為了更好地理解微實(shí)驗(yàn)以及它的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用，筆者通過一組表面張力微實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例加以說明.

2.1實(shí)驗(yàn)教具儀器

微實(shí)驗(yàn)所用教具如圖1～2所示，是自制的帶鉤子的金屬回形針和表面張力探測(cè)器，由于器具簡(jiǎn)單，實(shí)際教學(xué)操作中，根據(jù)實(shí)際人數(shù)，提供相當(dāng)數(shù)量的教具儀器，供2人1組使用.

圖1　金屬回形針

圖2　表面張力探測(cè)器

金屬回形針可由金屬絲彎折而成，其上留1個(gè)用來鉤住或捏住的凸起部位(圖1中所示的彎鉤)，其作用是防止放置小針時(shí)水面波動(dòng)過大，若小針沒入水底也可以用鉤子勾上來. 使用時(shí)金屬小針與水面接觸面積盡量大，爭(zhēng)取其底面能夠全部接觸到水面. 圖2為表面張力探測(cè)器. 金屬臂與水面接觸時(shí)，可使水表面形成微小形變，用以觀察表面張力. 浮子是用泡沫做的，它依靠自身的小重力和大浮力，使整個(gè)探測(cè)器上浮. 改變防水橡皮泥的質(zhì)量可調(diào)整探測(cè)器的浮力重力差.

2.2實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程

首先將趣味小游戲引入課堂，請(qǐng)學(xué)生試著將圖1所示的回形針輕輕放到水面上，并使它不會(huì)下沉，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生觀察回形針周圍水面，發(fā)現(xiàn)該處水面發(fā)生了輕微的凹陷. 之后，將回形針輕輕按入水里，回形針沉到水底，說明浮力不足以托起回形針. 從而啟發(fā)學(xué)生思考，回形針能浮在水面上說明水面應(yīng)該還存在其他的力.

將表面張力探測(cè)器放到水中，開始它漂浮在水面上，如圖3所示. 將探測(cè)器輕輕下壓，會(huì)發(fā)現(xiàn)只要探測(cè)器金屬臂未進(jìn)入水下，若松手探測(cè)器都會(huì)再度浮上來，像初始狀態(tài)(圖3)一樣，這說明整個(gè)探測(cè)器浸入水中時(shí)，浮力大于重力. 之后將金屬臂完全浸入水中，再松手，探測(cè)器在浮力作用下仍將上浮，但當(dāng)其金屬臂接觸到水面時(shí)，探測(cè)器卻停止上浮，如圖4所示. 這時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生觀察金屬臂周圍水面，會(huì)看到水面形狀發(fā)生了微小變化，稍微凸起，像有一層膜阻礙了這個(gè)探測(cè)器的上浮，即除了浮力重力外還存在另外的力(表面張力).

圖3　初始狀態(tài)

圖4　張力探測(cè)器懸在水面下

在實(shí)際操作中，還可以利用模擬動(dòng)畫來展示探測(cè)器每個(gè)狀態(tài)的受力，如圖5所示. 借助動(dòng)畫模擬可以引導(dǎo)學(xué)生做出錯(cuò)誤的假設(shè)(即探測(cè)器浮上來的假設(shè))，進(jìn)而引起學(xué)生認(rèn)知沖突.

(a)

(b)圖5　動(dòng)畫模擬

將以上2個(gè)實(shí)驗(yàn)中物體受力以及水面形變情況制成表格(如表1所示)，使學(xué)生充分意識(shí)到：無論是浮在水面上的回形針，還是浮不出水面的探測(cè)器，都是因?yàn)槭艿搅Φ淖饔?，這個(gè)力就是表面張力，而且由于表面張力的存在，使得水面有1層類彈性膜的性質(zhì). 進(jìn)而啟發(fā)學(xué)生根據(jù)該性質(zhì)去探究表面張力與分子間作用力的關(guān)系.

表1　表面張力現(xiàn)象記錄

最后可以結(jié)合生活進(jìn)行拓展，如展示水黽站在水面上的圖片，由學(xué)生分組討論為什么水黽可以站在水面上；展示露珠圖片，提出為什么露珠是半球狀，等等.

2.3教學(xué)效果

組成實(shí)驗(yàn)組的各個(gè)實(shí)驗(yàn)相互關(guān)聯(lián)、步步推進(jìn)，使學(xué)生不斷積累對(duì)事物認(rèn)識(shí)的直接經(jīng)驗(yàn)，最終順理成章地用彈性膜的性質(zhì)去理解水膜的性質(zhì)，使微觀性質(zhì)通過宏觀現(xiàn)象得以形象地描述. 整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程利用科學(xué)探究方法，由學(xué)生親自操作，不僅提高了學(xué)生的興趣及課堂的教學(xué)效率，同時(shí)培養(yǎng)了學(xué)生的觀察能力和動(dòng)手能力.

3微實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)

3.1突破空間和時(shí)間的限制

傳統(tǒng)的演示實(shí)驗(yàn)，由于教室結(jié)構(gòu)的限制，容易導(dǎo)致教室兩側(cè)及后排的學(xué)生看不清楚實(shí)驗(yàn)過程及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象. 微實(shí)驗(yàn)可以保證每個(gè)實(shí)驗(yàn)小組甚至每個(gè)學(xué)生都有1套儀器，從而人人動(dòng)手、觀察清晰. 而且微實(shí)驗(yàn)的每個(gè)實(shí)驗(yàn)過程耗時(shí)很短，不會(huì)影響整個(gè)教學(xué)的節(jié)奏，改善因?qū)嶒?yàn)耗時(shí)太長(zhǎng)而導(dǎo)致教學(xué)效率下降的情況.

3.2靈活性強(qiáng)

微實(shí)驗(yàn)可以用于新課引入，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，積累一定的直接經(jīng)驗(yàn)；也可以作為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，在某個(gè)結(jié)論得出后，再通過微實(shí)驗(yàn)的直接現(xiàn)象給以驗(yàn)證，鞏固學(xué)生對(duì)該結(jié)論的理解；針對(duì)一些太過抽象、難于理解題目，巧妙地利用微實(shí)驗(yàn)，可以使學(xué)生加深理解；還可以與不同的微實(shí)驗(yàn)或者其他類型的實(shí)驗(yàn)組合，互為補(bǔ)充.

3.3實(shí)現(xiàn)了教學(xué)方式多樣化

微實(shí)驗(yàn)改變了課堂演示實(shí)驗(yàn)“教師做、學(xué)生看”的模式，將學(xué)生的親手操作、親身體驗(yàn)也納入教學(xué)設(shè)計(jì)，很好地兼顧了學(xué)生知識(shí)與操作技能同時(shí)掌握的目標(biāo)，豐富了教學(xué)過程與方法，同時(shí)這種合作式學(xué)習(xí)模式能夠拉近師生之間、學(xué)生與學(xué)生之間的感情.

3.4更易激發(fā)學(xué)生興趣

我們身邊處處皆物理，物理與生活本就密不可分. 微實(shí)驗(yàn)的儀器制作應(yīng)本著來源于生活的原則，各種玩具、廚具、文具甚至身體等都可以用于微實(shí)驗(yàn)儀器的設(shè)計(jì). 工廠批量生產(chǎn)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器是經(jīng)過反復(fù)改進(jìn)的，可以很好地演示某一物理現(xiàn)象，但是這些儀器與學(xué)生的生活相距甚遠(yuǎn)，有些更是注入了太多高科技成分，致使學(xué)生一時(shí)難以理解儀器的工作原理. 長(zhǎng)此以往，學(xué)生會(huì)覺得物理規(guī)律只存在于物理實(shí)驗(yàn)室的精密儀器中，與日常生活并沒有交集，不利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng). 而取材于生活物品的實(shí)驗(yàn)儀器，是學(xué)生所熟悉的、觸手可及的，往往更能喚起學(xué)生的興趣，降低學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的陌生感. 儀器取自生活，能夠培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用物理知識(shí)分析解決實(shí)際問題的能力，使學(xué)生密切關(guān)注身邊的生活，提高自身的科學(xué)素養(yǎng)[4].

4結(jié)束語

盡管微實(shí)驗(yàn)有諸多優(yōu)點(diǎn)，但不能將所有的實(shí)驗(yàn)都改成微實(shí)驗(yàn)，因?yàn)椴煌膶?shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ接衅洳煌慕逃δ躘5]；一節(jié)課中微實(shí)驗(yàn)不可過多使用，否則會(huì)導(dǎo)致教具堆積在學(xué)生桌上，分散學(xué)生注意力；實(shí)驗(yàn)過程中教師應(yīng)做好引導(dǎo)，合理地設(shè)置反饋環(huán)節(jié)，使課堂處在教師有序地控制之中，使教學(xué)過程循序漸進(jìn)有條不紊. 微實(shí)驗(yàn)在新課程下的重新定位，旨在使學(xué)生通過充足的直接經(jīng)驗(yàn)主動(dòng)建構(gòu)自己的知識(shí)體系. 當(dāng)前的教育處在不斷變化中，微實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)也不必拘于形式，只要不脫離中心思想即可. 在未來，微實(shí)驗(yàn)仍舊面臨著很多問題，如：自制教具數(shù)量大，如何安放、共享；微實(shí)驗(yàn)?zāi)芊衽c網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，走出課堂；傳統(tǒng)的課堂評(píng)價(jià)將因微實(shí)驗(yàn)作出何種變化，等等，這些問題都需要進(jìn)一步討論. 微實(shí)驗(yàn)走入課堂已經(jīng)顯現(xiàn)出了它的生命力，在未來作為一種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ揭欢〞?huì)為課堂的教學(xué)添翼助力.

參考文獻(xiàn)：

[1]徐斐. 新課標(biāo)下以自制教具促進(jìn)物理探究實(shí)驗(yàn)[D]. 成都:四川師范大學(xué),2010:10-14.

[2]周鈺珊. 關(guān)于如何提升體驗(yàn)式教學(xué)有效性的思考[J]. 課程教育研究,2015(29)：41-42.

[3]姜紅. 關(guān)注創(chuàng)新能力培養(yǎng)的主體參與型教學(xué)模式構(gòu)建[J]. 黑龍江教育,2010(7):87-88.

[4]祁國(guó)良,曲勝艷,譚曉春，等. 物理演示實(shí)驗(yàn)改進(jìn)之管見 [J]. 物理實(shí)驗(yàn),2015,35(7):19-22.

[5]石書英. 物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究[M]. 香港：銀河出版社,2002:78-95.

[6]宋金璠,郭新峰,王生釗，等. 微課在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 物理實(shí)驗(yàn),2015,35(2):12-17.

[責(zé)任編輯：尹冬梅]

Development of micro-experiment and examples in new curriculum

YAO Feng-chao， MENG Xian-mei

(School of Physics and Electronics, Shandong Normal University, Jinan 250014, China)

Abstract:In order to meet the requirements of the new curriculum reform of physics experiment, based on the malpractice of current physical experiment teaching processes, a micro-experiment model was presented, its definition and characteristics were also introduced. Taking the experiment of surface tension as an example, the application of micro-experiments in teaching was discussed, and the achieved teaching effect and the advantages of micro-experiment were expounded.

Key words:micro-experiment; surface tension; elasticity membrane

收稿日期：2016-03-06

作者簡(jiǎn)介：姚峰超(1994-)，男，山東昌邑人，山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院2012級(jí)本科生. 指導(dǎo)教師：孟現(xiàn)美(1977-)，女，山東泰安人，山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院講師，博士，從事物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作.

中圖分類號(hào)：G633.7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005-4642(2016)06-0040-04