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        回歸學(xué)科本源 反思實驗教學(xué)

        2017-07-08 08:18:32楊軍
        基礎(chǔ)教育參考 2017年12期
        關(guān)鍵詞:物理實驗

        楊軍

        [摘 要]根據(jù)《上海市中學(xué)物理課程標(biāo)準(zhǔn)(試行稿)》,結(jié)合《上海市高中物理學(xué)科教學(xué)基本要求(試驗本)》,從實驗教學(xué)的窘迫現(xiàn)狀、演示實驗的傳承作用、學(xué)生實驗的能力培養(yǎng)、 DIS實驗的科技前瞻等幾個方面入手,對物理實驗教學(xué)提出改進(jìn)的建議,并在教學(xué)過程中進(jìn)行積極嘗試和總結(jié),旨在使學(xué)生能夠從物理實驗中得到更多的思維鍛煉和能力培養(yǎng)。

        [關(guān)鍵詞]物理;實驗;高考新政

        中學(xué)物理是物理學(xué)的一部分,物理學(xué)是研究物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)、相互作用及最一般規(guī)律的學(xué)科,它是建立在實驗基礎(chǔ)之上的。幾乎所有的物理概念、物理規(guī)律都來源于實驗,同時又被實驗檢驗后才能成立。要學(xué)好物理必須做好實驗,要教好物理必須重視實驗教學(xué)。

        一、高中物理實驗教學(xué)的窘迫現(xiàn)狀

        在高中的各門基礎(chǔ)課程中,物理課在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素質(zhì)、思維品質(zhì)與創(chuàng)新能力方面具有重要意義,而物理實驗課更是在培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)方面發(fā)揮著無可替代的作用。但是隨著高考新政的實施,物理實驗教學(xué)陷入了十分窘迫的境況。一方面,高考新政正在逐漸扭轉(zhuǎn)傳統(tǒng)教育導(dǎo)致的弊端和唯分?jǐn)?shù)論的人才培養(yǎng)觀,并試圖減輕學(xué)生的學(xué)業(yè)壓力;另一方面,考試與評價方式的改變(如物理實驗技能的考查不計入任何高校招生分?jǐn)?shù)),以及課時的大幅度削減,也使一些學(xué)生和家長,甚至包括一些教育界的領(lǐng)導(dǎo)和教師對物理的態(tài)度發(fā)生了很大轉(zhuǎn)變,走向了另一個極端,認(rèn)為物理不再重要了,對物理實驗課的忽視則更加嚴(yán)重。面對這樣的局面,需要重新思考物理實驗教學(xué)的意義,與時俱進(jìn),探索通過實驗教學(xué)提升學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)的新途徑。

        二、發(fā)揮物理演示實驗的傳承作用

        演示實驗最主要的功能是傳承,通過示范和學(xué)習(xí),把最基本的物理思想和科學(xué)方法傳遞給學(xué)生。但物理演示實驗不應(yīng)只傳承其方法,還應(yīng)傳承其精神。很多經(jīng)典實驗至今仍舊閃耀著智慧的光芒,在友善地喚醒學(xué)生的科技意識,照亮一代又一代青年學(xué)子攀登科學(xué)高峰的長路。但物理課本上的多數(shù)經(jīng)典實驗,從方法到過程、從儀器到裝置、從數(shù)據(jù)到結(jié)論、從圖像到公式等都太圓滿無缺了,使人覺得科學(xué)家只要靈光一現(xiàn)便會誕生一個偉大的定律,久而久之,物理學(xué)家便被集體神話了,那些在實驗中所經(jīng)歷的茫然無措的摸索、單調(diào)枯燥的重復(fù)、一次又一次的失敗都被忽略了。因此,在實際物理實驗教學(xué)中,有必要根據(jù)具體教學(xué)內(nèi)容,拓展介紹物理學(xué)史,使學(xué)生了解每一個成功實驗背后真實的演變過程以及科學(xué)家所歷經(jīng)的千難萬苦,在此基礎(chǔ)上再通過經(jīng)典實驗的演示和學(xué)習(xí),逐漸滲透物理思想和方法,把物理實驗的精髓傳承下去。

        以伽利略研究勻加速直線運動的羊皮紙實驗為例。伽利略一開始在斜面上做實驗,后來改為斜槽,斜槽不光滑,最后才想出貼羊皮紙的辦法,讓實心銅球從斜槽上滾下。當(dāng)時尚無鐘表,無法精準(zhǔn)計時,為解決這一問題,他先是以自己的脈搏計時,結(jié)果不理想;后來又改為用音樂的節(jié)拍,還是不行;最后才想出一個“水鐘”的記時法。即用一個較大的容器穩(wěn)定地滴水,不斷用天平稱量水的質(zhì)量來計算時間,測出銅球在斜槽上的位置與時刻,不斷改變斜槽的角度,反復(fù)實驗上百次,最終才得出結(jié)論:物體沿光滑斜面運動是勻變速直線運動,這種科學(xué)實驗方法直到現(xiàn)在仍然在物理研究中被廣泛應(yīng)用。

        每一個規(guī)律的得來都是科學(xué)家千錘百煉的結(jié)果,演示實驗更是要遵循這個事實。并非所有的演示實驗都一定要成功,有些實驗受客觀因素影響較大,比如“摩擦起電實驗”受天氣、溫度、空氣濕度的影響都很大,即便事先對電羽、橡膠棒、絲綢、毛皮等進(jìn)行了必要的烘干處理,如遇潮濕惡劣天氣也會使實驗現(xiàn)象不明顯,有時候甚至完全不能成功。這時一定要讓學(xué)生知道,實驗失敗是很正常的,并與學(xué)生充分分析原因,再給學(xué)生播放一些事先錄制好的視頻或錄像資料。

        當(dāng)涉及分子、原子等物理學(xué)的微觀領(lǐng)域,一些經(jīng)典實驗如“粒子散射實驗”等,無法在課堂上演示,也可以借助掛圖和教材把原理、器材、方法、步驟、實驗現(xiàn)象等一一介紹給學(xué)生,使學(xué)生領(lǐng)略其中的物理思想。如果能輔以仿真實驗課件,將會使效果更好。只有讓學(xué)生領(lǐng)會了思想,掌握了方法,才能指導(dǎo)學(xué)生做好物理實驗。

        三、培養(yǎng)學(xué)生的實驗?zāi)芰?/p>

        學(xué)生分組實驗探究物理規(guī)律,要著重培養(yǎng)學(xué)生學(xué)會設(shè)計實驗方案、控制變量、嚴(yán)謹(jǐn)規(guī)范地觀察現(xiàn)象和記錄數(shù)據(jù),建立不怕失敗的堅定信念,發(fā)展去偽存真的辨析能力,磨煉研究意志,提高思維品質(zhì)。

        例如,在“一定質(zhì)量的氣體溫度不變時壓強與體積關(guān)系”的實驗中,根據(jù)測得的六組P(壓強)、V(體積)實驗數(shù)據(jù),用計算機先畫出“P-V”圖像,但該圖像為雙曲線,無法直觀看出二者之間的比例關(guān)系。這時可引導(dǎo)學(xué)生改變坐標(biāo)軸,畫“P-1/V”的圖象,通過計算機擬合可得到一條直線,這說明P與1/V成正比,從而歸納出“一定質(zhì)量的氣體在溫度不變的條件下,壓強與體積成反比的結(jié)論”。理論上這根直線應(yīng)該通過坐標(biāo)原點,但幾乎所有的小組都沒有過原點。這時,可以讓學(xué)生充分討論,集思廣益,最后發(fā)現(xiàn):實驗時輸入的體積是通過注射器上的刻度得到的,并沒有包含連接注射器與壓強傳感器的小軟管的體積,直線在橫軸上的截距應(yīng)該就是小軟管中體積的倒數(shù)。把小軟管的體積減去后再重新輸入數(shù)據(jù),計算機擬合出來的直線基本上都能過原點了。

        為了在課時被削減的情況下,充分地上好實驗課,教師們可以從以下幾方面進(jìn)行嘗試。一是采用單元教學(xué)法,把相關(guān)聯(lián)的幾個實驗組合成一個綜合性實驗;二是開放學(xué)校實驗室,事先分好組,充分利用課外活動時間做實驗;三是把實驗內(nèi)容同科技節(jié)等社團活動有機結(jié)合,既豐富多彩又學(xué)以致用;四是改變作業(yè)方式,把一些小實驗以作業(yè)的方式布置給學(xué)生,讓學(xué)生以作品或?qū)嶒瀳蟾娴姆绞缴辖???傊?,只要學(xué)生有興趣,辦法總是可以想出來的,時間也是可以擠出來的。

        四、重視傳統(tǒng)實驗與現(xiàn)代科技的結(jié)合

        最新的《上海市高中物理學(xué)科教學(xué)基本要求(試驗本)》中,學(xué)生實驗中的DIS(Digital Information System,數(shù)字化信息系統(tǒng))實驗數(shù)量有所減少,但課本中大多數(shù)演示實驗仍然以DIS的形式出現(xiàn),DIS引領(lǐng)物理實驗新潮流的本質(zhì)沒有改變,這是因為其擁有傳統(tǒng)實驗無法比擬的強大的科技優(yōu)勢。

        一是強大的物理圖像描繪功能。如驗證牛頓第三定律的實驗,傳統(tǒng)方法是用兩個彈簧秤來完成,學(xué)生的觀測在左邊的示數(shù)和右邊的示數(shù)之間來回往復(fù),有時難免顧此失彼,觀測得不夠細(xì)致也不夠全面。如果用DIS實驗來完成,用兩個傳感器代替彈簧秤,作用力、反作用力的大小和方向等將實現(xiàn)同步詳盡記錄,這樣作用力和反作用力的關(guān)系就能一目了然了(見圖1)。同理,在學(xué)習(xí)“振動和波”的時候,對于聲波的振動圖像,傳統(tǒng)實驗只能依靠感覺記憶,稍縱即逝,難以準(zhǔn)確記錄。而利用聲傳感器記錄聲波振動圖像,聲波音頻變化的大?。M軸)和振幅強弱的變化過程(縱軸)可以非常直觀形象地呈現(xiàn)出來(見圖2)。

        二是強大的數(shù)據(jù)采集與處理功能。傳統(tǒng)實驗中學(xué)生的主要工作是裝配儀器、規(guī)范操作、正確測量、精準(zhǔn)讀數(shù)、列表、描點、畫圖等具體事務(wù),沒有空閑進(jìn)行推理想象,缺乏思維深度,從而影響了探究的效果。而DIS實驗中,這些單調(diào)瑣碎的工作都由計算機代替了,把學(xué)生解放出來進(jìn)行推理判斷、誤差分析、修正和改良等。例如研究物體自由落體運動的規(guī)律,研究加速度與力和質(zhì)量的關(guān)系等,可見DIS實驗的效率優(yōu)勢。

        三是高度的精確性與靈敏度。以 “電磁感應(yīng)現(xiàn)象”的新課學(xué)習(xí)為例,學(xué)生們對于“導(dǎo)線切割地磁場磁感線是否能產(chǎn)生感應(yīng)電流”很感興趣,由于地磁場引起的感應(yīng)電流很微弱,在傳統(tǒng)實驗中往往要興師動眾,用幾十米的導(dǎo)線在室外進(jìn)行,調(diào)試很多次,才能使靈敏的電流計做出反應(yīng)。而DIS電流傳感器的靈敏度級別非常高,即使在室內(nèi)使用單匝線圈在地磁場中轉(zhuǎn)動,也能清晰地捕捉并記錄感應(yīng)電流的變化。如用位移傳感器測教室的長度時,可以精確到1厘米。

        綜上所述,面臨新形勢,面對新挑戰(zhàn),物理教師要把在物理實驗中學(xué)習(xí)的主動權(quán)還給學(xué)生,引導(dǎo)他們積極探索、勇于創(chuàng)新,體驗物理實驗的樂趣,領(lǐng)悟物理實驗的意義,在動手動腦中提升思維品質(zhì)和科學(xué)素養(yǎng)。這是學(xué)生全面發(fā)展的需要,更是社會發(fā)展的需要。

        (責(zé)任編輯 郭向和)

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