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        “單件到積件”:中學(xué)物理演示實驗改進創(chuàng)新思路與實踐

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

        摘?要:“單件到積件”中學(xué)物理演示實驗改進思路是指根據(jù)一個基本演示實驗裝置,然后通過添加、減少某些器材,從而可以完成系列演示實驗的思路,本文以窗簾導(dǎo)軌為例,提出“單件到積件”物理演示實驗改進的七個策略及教學(xué)實踐.

        關(guān)鍵詞:單件;積件;物理教學(xué);演示實驗;實驗改進

        文章編號:1008-4134(2020)07-0049中圖分類號:G633.7文獻標識碼:B

        基金項目: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)對策研究”(項目編號:2012YQJK037);廣州市第三批市教育系統(tǒng)創(chuàng)新學(xué)術(shù)團隊“中學(xué)物理演示實驗改進創(chuàng)新及其在教學(xué)中的應(yīng)用研究”(項目編號:1201630019).

        作者簡介:余耿華(1976-),男,廣東興寧人,碩士,中學(xué)高級教師,研究方向:實驗教學(xué)、迷思概念、實驗改進.

        1?問題的提出

        實驗是物理學(xué)的基石,也是學(xué)物理的基石,但當前演示實驗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,一般是相對固定不可重組.?在實驗改進創(chuàng)新過程中,本人嘗試根據(jù)單一的實驗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章節(jié)的許多實驗,即“單件到積件”思路.

        2?“單件到積件”實驗改進思路

        “單件到積件”物理演示實驗改進思路:?是指根據(jù)一個基本演示實驗裝置,然后通過添加、減少某些器材,從而可以完成系列演示實驗的思路.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.

        本實驗的單件是指:一根窗簾導(dǎo)軌(如圖1)及兩個薄圓強磁鐵;積件是指然后通過添加、減少某些器材,可以完成六個運動類、碰撞類系列演示實驗.

        3?積件思路的優(yōu)點

        (1)吸收傳統(tǒng)演示實驗簡單、方便、易操作、易于學(xué)生理解物理概念、規(guī)律的優(yōu)點;

        (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,即組成教具的各個部件可以拆分、重組,以實現(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”物理演示實驗改進的策略及教學(xué)實踐

        4.1?策略一:創(chuàng)新實驗,從“無”到“有”

        案例:伽利略理想實驗

        4.1.1?伽利略理想實驗的幾種傳統(tǒng)做法及優(yōu)缺點

        (1)最早做法是展示板畫掛在黑板,老師講解,缺乏實際真實實驗;

        (2)后來發(fā)展到采用課件Flash動畫演示,優(yōu)點是簡單方便,老師只需要點一下鼠標通過電腦就可以演示,由于課件怎樣制作都可以,缺乏真實性和說服力,學(xué)生的體驗不強;

        (3)人教版采用現(xiàn)代科技的頻閃照片技術(shù),以伽利略斜面實驗的頻閃照片說明.

        從培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)角度來看,應(yīng)該是能做實際物理實驗的,教師應(yīng)該盡可能做實驗.但理想實驗又只能在頭腦中完成??因此筆者進行如下創(chuàng)新改進.

        4.1.2?實驗創(chuàng)新

        實際實驗可以培養(yǎng)學(xué)生實事求是的科學(xué)精神,領(lǐng)悟抓住主要矛盾、忽略次要矛盾的思想方法.

        實驗器材(如圖2):?窗簾導(dǎo)軌、強磁鐵、鐵球(304不銹鋼,無磁性).

        4.1.3?改進后的實驗教學(xué)片段

        如何設(shè)計問題,從教“知識”向提升“思維”轉(zhuǎn)變??依據(jù)2017年版新課程標準,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?且若來回多運動幾次,小球高度越來越低?為什么??學(xué)生:因為摩擦力作用.在這個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)進一步引導(dǎo)學(xué)生思考.?師:如果導(dǎo)軌傾角進一步減小會如何?學(xué)生回答:理想狀態(tài)下,小球要到達右邊等高處,小球所走的路程更遠.

        問題:如果傾角為零呢??學(xué)生歸納:小球?qū)⒁恢边\動下去.

        4.1.4?實驗教學(xué)評價

        (1)改進后的優(yōu)點:?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)在實驗教學(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)),及時發(fā)現(xiàn)學(xué)生思維的閃光點.

        4.2?策略二:創(chuàng)新實驗,從“一物”到“多用”

        創(chuàng)新實驗:“機械能守恒定律”的演示實驗.

        4.3?策略三:改進實驗,從“有”到“易”

        “易”指易操作、易成功、易觀察.

        改進實驗:探究物體的動能跟哪些因素有關(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)實驗的優(yōu)缺點

        優(yōu)點:簡單、方便、直觀;?缺點:水平放在講臺上,不易觀察;沒有導(dǎo)軌,小球容易走偏,小球撞擊木塊時容易撞飛.

        4.3.2?實驗改進

        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?改進后的教學(xué)片段

        雖然是演示實驗,一樣可以讓學(xué)生經(jīng)歷一次實驗探究的過程(可以選取探究最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)).

        提出問題:

        師:這個實驗的研究對象是鐵球,運動的小鐵球具有做功的本領(lǐng),我們說小球具有動能,那么小鐵球的動能與什么因素有關(guān)?

        猜想和假設(shè):

        師:小鐵球的動能可能與什么因素有關(guān)?

        生:與質(zhì)量、速度有關(guān).

        制訂計劃與設(shè)計實驗:

        師:如何研究動能與質(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,動能跟m定性關(guān)系;?(2)探究m一定時,?動能跟v定性關(guān)系.

        師:根據(jù)本實驗裝置,如何觀察動能何時大或?。扛淖冑|(zhì)量m時如何觀察速度v何時大或?。?/p>

        生1:動能大小可以看推動木塊遠和近.

        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.

        進行實驗與收集數(shù)據(jù):

        (2)探究物體的速度一定時,動能跟物體質(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,到達底端速度相同嗎?

        問題:如何保證同時釋放小球?答:用尺擋住兩小球,同時釋放.

        問題:如何觀察兩小球的速度相等??答:用手機慢鏡頭回放(如圖5).

        (3)探究物體的速度一定時,動能跟物體質(zhì)量定性關(guān)系

        每一次將木塊放在同一位置(如O點),分別用二個不同質(zhì)量的小球從同一點(如A點)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,質(zhì)量大的物體動能大.

        (4)探究物體質(zhì)量相同時,動能跟速度定性關(guān)系

        生:用同一個小球分別在A點和B點靜止下落,記下木塊最后停下的位置;同樣可以得出:同一物體,速度大動能大.

        分析與論證、評估、表達與交流.

        師:根據(jù)以上實驗,小球的動能與m、v有怎樣的定性關(guān)系?

        生:當v一定時,小鐵球m越大,動能越大?;當m一定時,小鐵球v越大,動能越大.

        4.3.4?實驗教學(xué)評價

        改進后的優(yōu)點:?將實驗搬到黑板上,直觀明了;實驗操作簡單、方便;實驗范圍廣,初高中教學(xué)均適用,實驗成本低,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)計實驗,提高學(xué)生分析實驗?zāi)芰蛣邮謱嵺`能力,通過提出問題,并作出假設(shè),自己設(shè)計實驗方案,最終自己探究出動能的決定因素;

        有利于學(xué)生領(lǐng)悟科學(xué)方法:本次實驗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:改進實驗,從“傳統(tǒng)”到與“現(xiàn)代”結(jié)合

        將智能手機、數(shù)字化傳感器實驗等高科技儀器與傳統(tǒng)器材相結(jié)合.

        4.5?策略五:改進實驗,從“繁”到“簡”

        案例:驗證動量守恒定律.

        4.5.1?課本的三種實驗的優(yōu)缺點

        (1)采用氣墊導(dǎo)軌加光電門.

        優(yōu)點:精準.缺點:價格昂貴,不少學(xué)校沒有,攜帶不方便,準備一次不容易.

        (2)用繩拉小球去碰撞另一小球(如圖7)?.

        優(yōu)點:簡單、方便、便宜,容易實現(xiàn);缺點:測量角度不方便,尤其在小球運動過程中測量角度不方便.

        (3)利用兩小車碰撞和打點計時器.

        優(yōu)點:方便、簡單、易操作;?缺點:小車易走偏,誤差會大一些,計算相對繁雜.

        4.5.2?改進實驗及教學(xué)實踐

        (1)用天平分別測出一個鐵球和玻璃球質(zhì)量分別為m1、m2;讓一個鐵球在如圖8所示上面軌道從某一固定高度靜止釋放,小球到達下端軌道時,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(軌道上有畫好的標尺),代表主動球的初速度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?實驗教學(xué)評價

        優(yōu)點:小球不會走偏、方便、簡單、易操作,計算簡單.

        4.6?策略六:改進實驗,從“多”到“少”

        指實驗器材從“多”變到“少”?.

        案例:描出平拋運動的軌跡?.

        4.6.1?傳統(tǒng)實驗缺點

        器材多:鐵架臺、木板、圖釘、鐵球、坐標紙.

        4.6.2?改進實驗后的優(yōu)點

        (1)器材從多變少,且可以一物多用,方便攜帶,實驗易操作,成功率高,下面貼有3M膠,小球不會跑走.

        (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:改進實驗,從“難”到“易”

        案例:探究平拋運動水平方向的分運動.

        4.7.1?兩個傳統(tǒng)實驗的優(yōu)缺點

        傳統(tǒng)實驗一(如圖10):?優(yōu)點:簡單?;?缺點:“難”在控制同時釋放小球.

        傳統(tǒng)實驗二(如圖11):?優(yōu)點:準確度高,易操作;缺點:“難”在需要器件多,制作麻煩.

        4.7.2?改進實驗:從“難”到“易”

        (1)利用簡單原理:上下兩導(dǎo)軌平行,將擋板同時釋放,從而克服需要用到電磁鐵才能做到的同時釋放小球的難題.

        (2)器材簡單,易操作,易成功,易觀察.

        (3)可以結(jié)合手機拍慢視頻,然后播放,學(xué)生能更清晰地體驗到兩個小球同時落到導(dǎo)軌上,從而得出:小球平拋其水平方向作勻速直線運動.

        5?結(jié)束語

        總之,利用“單件到積件”的思想改進創(chuàng)新實驗過程中,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:

        [1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準(2017年版)[M].北京:人民教育出版社,2018.

        [2]?余耿華.巧用窗簾導(dǎo)軌改進系列演示實驗[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驗教學(xué)的有效性[J].物理實驗,2014(04):11-14.

        [4]謝桂英.自制低成本電動機系列實驗演示儀[J].物理教學(xué),2018(02):31-34.

        [5]余耿華.利用電教媒體改進牛頓第二定律演示實驗[J].實驗教學(xué)與儀器,2014(03):23-24.

        [6]?謝桂英.?自制低成本汽油機工作原理實驗演示儀改進創(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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