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        雙新背景下高中物理微實驗教學(xué)資源的開發(fā)策略

        2023-07-06 18:20:09呂國霞
        物理教學(xué)探討 2023年6期
        關(guān)鍵詞:開發(fā)策略

        呂國霞

        摘? ?要:物理是以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科,物理實驗資源的開發(fā)對培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力有很大的促進作用。微實驗是最接近物理情境的小實驗,在新教材、新高考背景下,以電磁學(xué)方面的內(nèi)容為例,從教材、生活素材、網(wǎng)絡(luò)等方面展示微實驗開發(fā)的策略及成功之處,以饗讀者。

        關(guān)鍵詞:微實驗;雙新背景;開發(fā)策略

        中圖分類號:G633.7 文獻標(biāo)識碼:A ? ? 文章編號:1003-6148(2023)6-0068-4

        2019年教育部明確指出要立足全面發(fā)展育人目標(biāo),構(gòu)建包括“核心價值、學(xué)科素養(yǎng)、關(guān)鍵能力、必備知識”在內(nèi)的高考考查內(nèi)容體系。物理學(xué)是以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科,物理實驗教學(xué)資源的開發(fā)對培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力有很大的促進作用。隨著生活水平的提高、網(wǎng)絡(luò)的普及和科技的快速發(fā)展,利用生活用品將物理情境、物理現(xiàn)象、物理習(xí)題的可視化資源微型化呈現(xiàn),將物理實驗情境生活化、普及化。開發(fā)微實驗教學(xué)資源,不僅使物理教學(xué)跳出實驗室儀器和所用教材,還可以提高學(xué)生的動手能力,利用知識進行微實驗的創(chuàng)新,并將實驗探究思想融入到盡可能多的物理知識學(xué)習(xí)中。

        1? ? 關(guān)鍵詞的界定

        1.1? ? 微實驗

        微實驗指操作簡單、取材相對容易、現(xiàn)象明顯的微型實驗或?qū)嶒炂?。相對常?guī)實驗而言,微型實驗的器材來源廣泛,不用過多地考慮精密的實驗設(shè)置和繁瑣的操作過程,卻能凸顯所遇到問題的核心。微實驗經(jīng)常呈現(xiàn)為簡易實驗、小發(fā)明、小制作、自制教具、趣味化物理小實驗等。比如,利用日常用品開發(fā)物理小實驗,利用廢舊材料開發(fā)低成本的物理小實驗,利用手機、電腦等工具使物理實驗現(xiàn)象更清晰、數(shù)據(jù)處理更精確,將抽象的物理習(xí)題可視化,等等。

        1.2? ? 微實驗的分類

        依據(jù)《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》《中國高考評價體系》,結(jié)合高中物理教材和實驗教學(xué)在學(xué)習(xí)中的作用,將微實驗分為五類:情境創(chuàng)設(shè)微實驗、教師演示微實驗、習(xí)題課微實驗、多媒體輔助微實驗和學(xué)生自主設(shè)計微實驗。

        1.3? ? 雙新背景

        新高考:2014年9月,國務(wù)院發(fā)布《國務(wù)院關(guān)于深化考試招生制度改革的實施意見》所制定的“高考綜合改革方案”,高考模式多樣化。

        新教材:2019年,依據(jù)《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》編寫了各版高中物理教材,各版教材有三本必修和三本選擇性必修。

        2? ? 微實驗教學(xué)資源的開發(fā)策略

        2.1? ? 利用教材開發(fā)微實驗

        每版教材的實驗都有自己的特色。以人教版新教材為藍本,借鑒其余4個版本新教材的實驗設(shè)置,在充實核心實驗的基礎(chǔ)上,總結(jié)可開發(fā)的微實驗。人教版新教材和舊教材相比,充實了一些新情境的實驗內(nèi)容;魯科版教材中的“迷你實驗室”欄目所呈現(xiàn)的小實驗,基本是貼近生活的小實驗,豐富而有趣;滬科教版教材特別注重介紹新科技的原理,教材中“家庭作業(yè)與活動”部分有很多可以自主設(shè)計的小實驗活動;粵教版教材的實驗拓展和課外閱讀中有高端的現(xiàn)代科技圖片展示,習(xí)題中也有相當(dāng)?shù)纳钚嶒?。這些教材的小實驗都是開發(fā)微實驗教學(xué)資源的絕佳素材。以選擇性必修二的教材為例,通過熟悉教材,實施并總結(jié)以下幾個微實驗:

        (1)情境創(chuàng)設(shè)微實驗:鋁箔在磁場中受力,鋁箔尖端放電

        魯科版選擇性必修二教材1.1中“迷你實驗室”欄目——會動的鋁箔“天橋”,如圖1所示。因家用鋁箔紙比較軟,折疊出的規(guī)則形狀容易變形,可以剪出一厘米寬的鋁箔紙,豎放在電池與磁鐵之間,如圖2(a)所示。當(dāng)鋁箔紙和電源接通時,鋁箔紙形狀發(fā)生明顯變化,如圖2(b)所示。這個實驗操作簡單,但要注意不能直接用手捏鋁箔紙到電池兩極,需要用小紙片墊一下,以防燙傷。另外,將鋁箔紙剪成兩段,其中一段剪為尖端,兩段分別接在電池兩極上。當(dāng)尖端靠近另一個鋁箔紙時,會發(fā)生放電現(xiàn)象,如圖3所示。

        (2) 課堂演示微實驗:演示楞次定律,磁鐵靠近或遠離鋁環(huán)實驗

        觀察電磁感應(yīng)現(xiàn)象的常規(guī)實驗“演示楞次定律”:用磁鐵靠近鋁環(huán),通過觀察鋁環(huán)的運動來分析鋁環(huán)的受力。教材習(xí)題——磁鐵靠近閉合的鋁環(huán)和斷開的鋁環(huán)時的現(xiàn)象及解釋。實驗中,質(zhì)量大的鋁環(huán)在弱磁場中偏轉(zhuǎn)角度較小,質(zhì)量小的斷開的薄鋁環(huán),當(dāng)強磁鐵靠近或遠離時會因發(fā)生局部小渦流而輕微移動。在生活中很少能找到符合標(biāo)準(zhǔn)的鋁環(huán),可替換為由鋁導(dǎo)線或者銅導(dǎo)線做成的閉合小環(huán),用細線懸掛后進行實驗。學(xué)生可以利用身邊找到的磁鐵設(shè)置銅環(huán)或者鋁環(huán)的大小,使實驗現(xiàn)象明顯。實驗裝置如圖4所示,將一根銅導(dǎo)線繞成一個閉合的環(huán)(用鋁箔包裹接觸處,保證接觸良好),用細線懸掛并做實驗觀察楞次定律,閉合環(huán)的直徑約為磁鐵截面直徑的1.5倍時,實驗現(xiàn)象更明顯。將一根銅導(dǎo)線的一端形成閉合的環(huán),另一端是斷開的環(huán),中間用細線懸掛,通過銅線的旋轉(zhuǎn)判斷受力特征。為了防止磁鐵和環(huán)的碰撞,先將閉環(huán)放在磁鐵的磁極附近,讓磁鐵遠離閉環(huán)運動,實驗現(xiàn)象更明顯。

        (3)學(xué)生自主設(shè)計微實驗:自制電磁驅(qū)動演示器

        用一個鐵殼子套住易拉罐,鐵殼子上下放上片狀強磁鐵,用筆芯穿起來放在塑料盒子做的支架上,如圖5所示。當(dāng)鐵殼子繞著易拉罐轉(zhuǎn)動時,易拉罐也跟著轉(zhuǎn)動起來,且鐵殼子轉(zhuǎn)動得越快,易拉罐轉(zhuǎn)得也越快,可以形象地演示電磁驅(qū)動現(xiàn)象。

        幾個版本教材的微實驗各有特色,通過熟悉教材、總結(jié)實驗,開發(fā)微實驗教學(xué)資源,形成比較完善的高中微實驗教學(xué)資源體系。開發(fā)時,要注意綜合教材的優(yōu)勢,做到實驗現(xiàn)象明顯,實驗操作簡單快捷。

        2.2? ? 利用網(wǎng)絡(luò)成品開發(fā)微實驗

        先利用網(wǎng)絡(luò)資源,搜集大量物理實驗視頻、科技小發(fā)明、小制作等。然后,匯總較好的微實驗思想,激發(fā)微實驗的創(chuàng)作靈感。最后,挑選可用的微實驗,形成實驗方案和教學(xué)設(shè)計。例如,網(wǎng)上有各種簡易電動機的詳情介紹,在所有的電學(xué)儀器中,簡易電動機的制作比較好玩,且花樣繁多。學(xué)校提供繞制線圈的銅線,學(xué)生自主完成制作過程。簡易電動機的制作能讓學(xué)生認識到同一知識框架下的儀器可以千差萬別,取長補短。設(shè)計出更完美的元件,是最重要的科學(xué)創(chuàng)新素養(yǎng)。學(xué)生制作的簡易電動機實例如圖6—圖8所示,圖6中的電動機由瓶底、分別位于瓶底兩側(cè)的兩塊強磁鐵、銅線和電源構(gòu)成;圖7中的電動機由廢舊磁鐵、瓶底、銅線和電源組成;圖8則是利用舊電器組合成轉(zhuǎn)動的飛輪。

        開發(fā)的微實驗儀器分為兩類,一類是利用已有的、網(wǎng)絡(luò)上基本都能搜到的實驗成品,比如游標(biāo)卡尺、多用電表。先通過拆解成品來掌握原理,然后仿制一些簡易儀器。另一類是利用簡易玩具物品,比如簡易電動機、磁懸浮列車等。它們的元件制作簡單,充滿物理趣味。教師要給學(xué)生提供網(wǎng)上搜索素材的關(guān)鍵詞,正確引導(dǎo)學(xué)生從龐大的成品中搜集到需要的素材。

        2.3? ? 利用數(shù)據(jù)庫開發(fā)微實驗

        先通過CNKI、Springer LINK等數(shù)據(jù)庫檢索“高中物理”“微實驗”“實驗教學(xué)”“教學(xué)資源開發(fā)”等關(guān)鍵詞。然后,查閱相關(guān)研究文獻、閱讀相關(guān)論著。最后,總結(jié)實驗教學(xué)資源,開發(fā)微實驗。這些實驗有一定的實踐基礎(chǔ),可操作性強。比如,利用手機測磁感應(yīng)強度的實驗,電容器充放電的實驗教學(xué),探究磁場對電流作用力的實驗改進,探究感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件的優(yōu)化實驗,用傳感器和軟件探究小燈泡的伏安特性曲線等,都可以通過線上查閱資料來完善實驗教學(xué)資源。

        2.4? ? 利用軟件開發(fā)習(xí)題可視化微實驗

        電磁學(xué)中,很多問題都比較抽象,尤其是多維過程問題,學(xué)生因缺少空間分析能力,不能很好地分析。而動態(tài)的演示過程,就能把難度降低。物理作圖軟件很多,常用的軟件有幾何畫板、仿真物理實驗室,MATLAB、GeoGebra和Tracker。掌握這些軟件的作圖方法,就能將抽象的習(xí)題可視化。圖9是帶電粒子在勻強磁場中的旋轉(zhuǎn)圓模型的動態(tài)演示,圖10是磁聚焦和磁發(fā)散的動態(tài)演示,都是采用仿真物理實驗室軟件制作的動態(tài)演示過程的瞬時截圖。

        3? ? 結(jié)? ?語

        在新教材、新高考的背景下,教師作為新課程的設(shè)計者、學(xué)生學(xué)習(xí)的引導(dǎo)者,不僅需要扎實的專業(yè)知識,也需要有整合教學(xué)資源的能力。微實驗的開發(fā)要以新教材為基礎(chǔ),融合已有教學(xué)經(jīng)驗,結(jié)合網(wǎng)絡(luò)、期刊中的有關(guān)物理實驗作品,以培養(yǎng)學(xué)生的實驗?zāi)芰槟繕?biāo),拓展實驗教學(xué)資源的廣度和深度,總結(jié)成功的微實驗開發(fā)與實施策略。在提高本校教師教材資源整合能力的基礎(chǔ)上,激勵更多的教師更新物理教學(xué)觀念,靈活使用教材,利用生活用品為教學(xué)服務(wù)。

        參考文獻:

        [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)[S]. 北京:人民教育出版社,2018:72-77.

        [2]教育部考試中心.中國高考評價體系[M].北京:人民教育出版社,2019.

        [3]汪路斌,馬亞鵬. 物理習(xí)題教學(xué)實驗化的途徑與案例分析[J].物理教師,2020,41(12):51-54.

        [4]鮑康宏.巧妙構(gòu)建物理模型使物理過程關(guān)鍵特征可視化[J].中小學(xué)實驗與裝備,2020,30(4):14-17.

        [5]張宏齊.開發(fā)低成本高效率實驗培養(yǎng)學(xué)生實踐意識——以人教版中“瓶的應(yīng)用”為例[J].物理通報,2019(6):86-89.

        (欄目編輯? ? 賈偉堯)

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