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        “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

        2020-04-14 04:39:57余耿華
        中學(xué)物理·高中 2020年4期
        關(guān)鍵詞:積件單件實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

        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:單件;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???

        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”

        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):簡單、方便、便宜,容易實(shí)現(xiàn);缺點(diǎn):測量角度不方便,尤其在小球運(yùn)動(dòng)過程中測量角度不方便.

        (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、簡單、易操作,計(jì)算簡單.

        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.

        參考文獻(xiàn):

        [1]中華人民共和國教育部.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)

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