浅谈中学物理实验创新的策略

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  郭晓青

  物理教师不应满足于物理实验的已有效果,而应致力于提高实验的稳定性、操作性和可见度,在教学实践中激发实验改进的动机,用学科知识分析问题解决的思路,在生活中探求实验改进的途径。

  一、倡导低碳理念,变废为宝——实验生活化

  “瓶瓶罐罐当仪器,拼拼凑凑做实验”成了开发实验资源的真实写照。可乐瓶改装的弹簧振子阻尼振动演示装置,以及用日光灯镇流器制作的千人震,均给学生留下了深刻的印象。这样,对失去使用价值的废物进行修整、改进,甚至进行解剖和重新组装,将其改造成教学资源,正好适应循环经济、节约型社会的时代潮流,用实际行动践行了低碳实用的环保理念,是对学生具体而深刻的技术教育和人文教育。

  针对静电学实验的可见度低、易漏电等困难,我们先后研制了系列实用的实验器材,如“八宝粥罐”导体圆筒(如图2)、“怒发冲冠帽”、PVC电工套管和塑料布摩擦起电器等等,这些其貌不扬的自制教具、仪器,尽管比较粗糙,但它们在课堂教学中却神通广大,破解了难点,解决了问题,效果很好。

  实验改进的灵感来自不懈的探究与思考,实验创新要求我们慧眼独具。如传统的曲线运动速度方向演示实验效果欠佳,如何改进呢?有次无意间发现了磁性橡胶,一个新的实验方案在脑海中形成:把几段磁性橡胶弯成曲线轨道,吸在水平铁板上,然后用粘有红墨水的鼠标球沿轨道内侧运动,观察鼠标球脱离轨道后的运动;去掉一段磁性橡胶后,重复上述操作,可以发现鼠标球脱离轨道后均沿切线运动。本实验中鼠标球的运用可谓是独具匠心,因为其吸水性适中,留下的运动轨迹清晰且均匀,这是通过比较多种器材后才确定的最佳选择,不正说明每个实验细节的改进和创新都包含着许多艰辛?

  物理知识源于生活,具有鲜明的生活性和实用性,因此,在物理课堂教学中,应尽可能创造条件,使学生感受到物理知识及其应用就在身边,激发他们自觉应用物理知识解决问题的兴趣。

  二、改进实验装置,推陈出新——实验精细化

  教材提供的实验方案并不一定是最佳方案,在教学中应该精益求精,力臻完美,如《探究功与速度变化的关系》一课中,教材中使用了如图3所示的实验器材。该实验原理简单,装置也不复杂,但在实验操作过程中,却难以取得令人满意的效果,主要存在以下问题:

  (1)难以保证小车做直线运动,从而导致纸带上的点迹不在同一直线上,同时,增大了运动中的阻力,实验精度低。

  (2)橡皮筋恢复原长后,处于小车运动的前方,容易阻碍小车的运动。

  (3)弹力做功采用倍增法的前提是每条橡皮筋在操作中做功相同,如何才能保证这些规格相同的橡皮筋在实验过程中形变一致?

  在教学实践中,对教材提供实验方案进行了改进,实验装置如下:

  (1)用轨道代替了木板。这样既减小了摩擦阻力,更重要的是保证了小车的直线运动;同时,当橡皮筋恢复原长后,会自行落到轨道之下,解决了橡皮筋影响小车运动的问题。

  (2)为保证橡皮筋在操作中做功相同,设置放手位置的标志,橡皮筋条数增加后而放手位置不变,即可实现橡皮筋在实验过程中形变一致。

  由于成功地克服了诸多缺点,学生在分组实验过程中,操作方便,结论准确,效果良好。

  三、探究科学玩具,激趣增色——实验趣味化

  “科学玩具”是指体现娱乐性并蕴涵着丰富科学内涵的玩具,集科学知识与设计技术于一体。学生在参与活动过程中,不仅有利于他们理解和巩固物理知识,培养联系实际的能力,而且还能丰富知识、开阔眼界,激发他们探索新的物理现象和规律的兴趣,是课堂教学活动的重要补充。

  怪坡现象曾引起人们热议,因为在怪坡上物体由低处往高处看似轻松自如,而从高处往低处却显得十分艰难,其怪因引起了许多同学的兴趣和探究冲动。好奇心是最好的老师,为解释怪坡现象,可自制滚轮装置,进行模拟演示后,引导学生初步分析怪坡现象的成因,鼓励学生上网查阅相关资料,组织小组讨论,开展研究性学习,并对此作出科学合理的解释。

  魔罐外观看似一听普通的饮料,其实却不寻常:让其在水平桌面上滚动,速度逐渐变小,最后竟反向运动,神奇地回到出发点。如果有人质疑桌面是否水平,可以换方向重复前面的演示,结合实验引导学生通过看外形,猜想结构,进行讨论,去伪存真、由表及里。其实正是因为巧妙地运用了机械能守恒定律,实现动能与弹性势能的相互转化,使其变得神秘,显得神奇。让所学规律接受

  实践检验,从而使学生在知识运用过程中,获得更深刻的认识或展开进一步的探讨。

  滚轮装置和魔罐实验密切联系实际,为物理课堂教学开窗,与应用实践搭桥,这样,规律学习过程中,重视学生的情感体验,本着开发学生智力、发展学生能力进行科学玩具的研究,通过自制科学玩具的研制,激起学生的好奇心和学习兴趣,鼓励学生参与课外小制作,引导他们从学习物理到探究物理,全面培养学生科学素养和技术素养,让学生从课堂走向生活,从生活走向物理,从物理走向社会。

  四、接轨现代科技,如虎添翼——实验科技化

  数字化信息系统,是集实验数据采集、显示、分析、处理等功能于一体的实时智能化实验系统,是运用现代信息技术进行教学的一种手段。其特点是数据采集迅速,数据分析准确,曲线拟合合理;数据容量大,图形清晰直观,能显示难以观察的过程,在物理课堂教学中,特别是在实验探究中更能大显身手。数字化信息系统的开发和普遍使用,进一步凸显物理实验的教育功能,大大拓展了学生研究的视界。

  从物理学科特点出发,开展利用“数字化信息系统”的实验研究,同时与研究性学习和科学实践活动结合起来,自主设计实验,改进传统实验,挖掘其实验功能,在物理教学中有很大的施展空间,拓展了高中物理实验创新的新途径。如在“作用力和反作用力的研究”的演示实验中用力传感器代替弹簧秤,当同学对传感器拉或顶时,屏幕上可以实时显示两个传感器的相互作用力随时间变化的曲线实验结果一目了然,过程清晰可见,结论令人信服。

  在《简谐运动》中探究弹簧振子的位移图象时,教材中介绍的频闪照片以及数码相机频闪摄影两种方法,都存在拍摄难度大,数据处理复杂等问题。在教学中,笔者利用数字化信息系统改进了该实验:在气垫导轨上放置滑块(先取下滑块上的小“风帆”),其两端各连接一轻质弹簧,滑块上固定位移传感器发射装置,将位移传感器接收装置与数据采集器相连,将实验所测数据实时输入计算机,再以时间为横轴,以位移为纵轴,作出弹簧振子的位移图象,使弹簧振子运动过程中位移与时间关系一目了然。数字化信息系统的引入,简化了实验操作,突出了弹簧振子运动过程中位移与时间关系的研究,可见度大,可信度高,有效地提高了课堂效率。

  另外,在研究阻尼振动时,只要在该装置的滑块上插上一叶“风帆”以增大阻力,利用数字化信息系统可以非常直观地显示阻尼振动中振幅的变化,效果明显。

  五、开展实验设计,学以致用——实验探究化

  学生实验有利于提高学生实验操作技能,但要培养学生的探究性研究能力,必须加强学生实验设计训练。在学生掌握了一定物理知识和基本实验技能的基础上,教师应根据新课程物理实验教学的要求,有目的、有计划地引导学生开展实验设计,即要求学生按照实验目的和要求,根据已学的实验原理和方法,设计出符合要求和具有创新思路的实验。其最大优势在于:体现了以学生为主体的实验教学

  新模式,充分调动学生学习掌握基本技能的积极性;体现了素质教育以人为本的新内涵,是一种培养创新能力的有效方法。例如,学习了热敏电阻和传感器后,可以要求学生设计一个自动控制充电器的

  电路实验方案,并引导学生积极思考下列问题后再进行设计:

  (1)热敏电阻有哪些特性?这些特性与什么因素有关?

  (2)为什么可以用热敏电阻进行自动化控制?根据热敏电阻和传感器的特性,本实验应着重突破哪些技术要点?

  (3)实验的设计原理是什么?完成本实验需选用哪些器材?

  (4)如何设置实验操作步骤?实验操作过程中的注意事项有哪些?

  学生根据以上问题设计出具体的实验方案,经过教师审查后,再由学生利用实验室中的器材独立完成实验,教师及时做好总结与评价。通过实验设计与操作,使学生的理论知识得到巩固,实验技能迅速提高,并逐步掌握设计实验方案的要领和基本规律,提高实验设计能力和创造才能,从中培养学生的逻辑思维能力、抽象思维能力、创新思维能力和探究性研究思维能力。

  物理学知识有着广泛而具体的应用,这就要求教师应积极倡导学生密切联系生活实际,利用物理知识解释物理现象,以及开展力所能及的小实验和小制作。教师可以组织学生尝试电动车自动发电、自来水水位自动控制等方面的技术研究与改进;通过废旧电池的利用和鉴别,科学地使用和回收废旧电池,积极参与绿色环保活动。结合当前新农村建设,引导学生深入开展楼房供水供电工程、太阳能热水器等方面的调查和小发明、小创造活动,使学生充分认识到力学原理(如平衡、压力和压强等)的实用性,感受到供水、供电的实际操作与设计的重要性,认识到太阳能转换的科学性,激励学生自主设计、发明创造。

  小实验、小创造为实验教学赋予了新的内涵,为物理实验增添了时代气息。通过课外实验活动,一方面扩大了学生的知识面,丰富学习内容,增大思维培养空间;另一方面,有效地激励学生运用物理知识和物理原理积极开展思维活动,逐步提高分析问题、解决问题的能力,使学生的逆向思维、发散思维更加趋向创新,从而丰富创新性研究思维的培养途径,达到课堂实验教学难以达到的教学效果。

  实验创新是课程创新的途径与方法,丰富了物理课堂教学资源,同时又为深化课程改革提供驱动力,同时,我们也应认识到实验创新是无止境的,这就要求物理教育工作者做实验创新的有心人,既能因陋就简,土法上马;也能与时俱进,紧跟时代步伐,与现代科技接轨,不断地在提高实验可见度,增强实验的稳定性,加强实验的操作性和直观度上做文章、下工夫,充分发挥物理学科特色,提高物理课堂教学实效。

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