基于非常規實驗的初中物理概念教學探討①

毛永良

(江蘇省江陰市青陽初級中學,江蘇 無錫 214401)

實驗是初中物理教學的重要組成部分。初中物理教材中包含了許多實驗,這些實驗主要利用實驗室器材完成,稱之為常規物理實驗。非常規物理實驗是指利用學生熟悉的生活易得物品、材料、器具、人體或人體局部以及兒童玩具等開發的一類體現自創性、體驗性、趣味性、簡易性、生活化的物理實驗。[1]常規實驗是初中物理教學的主心骨,非常規實驗則是初中物理教學的重要補充。概念是物理學的基礎,是學生學習物理時從感性認識上升到理性認識的支架。在概念教學中,教師應用了大量常規實驗,常規實驗需要準備專用器材、花費較多時間。非常規實驗在初中物理概念教學中可以大放異彩,初中生好奇心強,非常規實驗利用生活物品等,可突破時空限制,符合中學生的認知特點,有利于充分調動學生學習的主動性,激發學習興趣,引導學生走進物理世界。[2]在“雙減”背景下,各學校開展了延時服務,教師可以引導學生開展非常規實驗,促進他們深度理解概念,進而提高物理學科核心素養。

1 非常規實驗在聲學概念教學中的應用

聲學概念教學注重學生的體驗,非常規實驗利用學生身邊的各種物體做實驗,可以保證所有學生參與實驗,為學生創造親身體驗的環境。在課堂教學中,教師指導學生做針對性強、探究目的明確的非常規物理實驗,以滿足課堂教學的需要。在課外延時服務中,學生組成學習小組,做具有一定拓展性的非常規物理實驗,加深對聲學概念的理解。

響度、音調、音色是初中聲學中的重要概念,在課堂教學中,教師可以指導學生利用身邊物品做非常規實驗,獲取對這些概念的體驗和理解。

1.1 響度的教學

讓學生用筆敲擊桌子,逐步加大敲擊的力度。教師使用Phyphox軟件顯示聲音的波形,并投影在屏幕上。通過做非常規實驗,學生將聲音的響度和敲擊力度的大小聯系了起來。通過觀察屏幕中的波形,學生將聲音的響度和振幅聯系了起來。

1.2 音調的教學

學生撥動橡皮筋,使其發出聲音,學生不斷改變橡皮筋振動部分的長度。教師同樣使用Phyphox軟件顯示聲音的波形,并投影在屏幕上,學生從中感受到了音調和振動部分長度的關系。通過觀察屏幕中的波形和頻率數據,學生將聲音的音調和頻率聯系了起來。對于初中生,頻率也是一個新概念,教師讓學生將橡皮用細線懸掛起來擺動,來體驗頻率的概念。學生發現改變細線的長度可以改變橡皮振動的快慢(頻率)。

1.3 音色的教學

教師敲擊不同的物體,讓學生聽聲辨物。教師利用Phyphox軟件顯示各種物體所發出聲音的波形,通過對比波形,學生可以體驗不同物體發出的聲音音色不同。

在課外延時服務中,教師讓學生合作制作一件樂器。有的小組制作了“古琴”,他們將若干根橡皮筋繃在文具盒上,傾斜插入一支鉛筆,以獲得不同振動長度的琴弦;有的小組制作了“水編鐘”,他們在玻璃水杯中加入不同高度的水,用筆來敲擊玻璃杯;有的小組制作了“豎笛”,他們在吸管上不同位置處開小孔,將吸管下端插入截去一半的塑料瓶中(圖1)。制作完成后,各小組還嘗試使用他們制作的樂器合作演奏一首樂曲。課外延時服務中的小制作既培養了學生的動手能力,又讓學生進一步體驗了各種概念,深化了對聲學概念的理解。

圖1

2 非常規實驗在力學概念教學中的應用

力學是初中物理中最為重要的內容,所包含的概念較多。學生在日常生活中接觸過許多力學現象,他們在學習力學時存在一些前概念,學生頭腦中的前概念可能是正確的,也可能是錯誤的。因此,在力學概念教學中教師要充分利用學生的前概念,幫助學生去偽存真,逐步完善對概念的理解。非常規實驗在力學概念教學中可以發揮巨大的作用,在課堂教學中,教師指導學生做非常規實驗,初步建構力學概念。在課外延時服務中,教師讓學生自主做有意思的非常規實驗,體驗力學概念的細節。

重力、彈力、摩擦力是最常見的三種力,學生通過生活可感知這三種力,但是又不能深刻理解這三種力。在課堂教學中,教師利用非常規實驗可幫助學生建構相關概念。

2.1 重力的教學

教師引導學生做以下實驗:(1) 學生觀察身邊物體的自由下落,可以感受到物體受到力的作用,這個力就是重力。(2) 將重物懸掛在橡皮筋上,學生可以觀察到橡皮筋的伸長方向。這兩個非常規實驗可使學生初步建構重力概念。

2.2 彈力的教學

學生可以利用橡皮筋、彈簧做實驗,觀察形變和彈力的關系。通過實驗,學生發現:存在兩種形變,即彈性形變和范性形變。而彈力的產生和彈性形變息息相關,學生觀察到彈力的大小和形變的程度具有直接關系,形變量越大,彈力越大(圖2)。

圖2

2.3 摩擦力的教學

教師讓學生利用書本和橡皮筋做實驗,學生將橡皮筋和書本連接起來,在課桌上利用橡皮筋拉動書本,通過觀察橡皮筋的長度,學生可以間接了解桌面對書本的摩擦力。通過探究,學生發現摩擦力的大小與壓力、粗糙程度等因素有關,而和書本的運動快慢、接觸面積沒有關系。

在課外延時服務中,教師指導學生做非常規實驗,進一步探究這三種力的概念。學生將橡皮擦向各個方向拋出,觀察橡皮擦的下落過程,體驗重力的作用。學生用橡皮筋制作簡易測力計,教師提供彈簧測力計,讓學生為自制測力計定標,用自制測力計測量身邊各種小物體所受的重力。學生通過各種方式感受摩擦力,如在爬桿的時候,認識到靜摩擦力和滑動摩擦力。在向上爬桿的時候,靜摩擦力向上,提供了動力。在下滑的時候,滑動摩擦力向上,提供了阻力。這個非常規實驗說明了摩擦力既可以提供阻力,也可以提供動力,刷新了學生的認識,利用非常規實驗幫助學生糾正了“摩擦力一定是阻力”的錯誤認知。

3 非常規實驗在光學概念教學中的應用

光學是初中物理教學的重點和難點,雖然各種光學現象能夠吸引學生的眼球,但是學生學習起來還是感覺十分困難。在光學教學中,教師需要引導學生建立相關的光學概念,以作為探究各種光學規律的基礎。在課外延時服務中,教師讓學生開展小制作,進一步探究光學概念的內涵和外延。

3.1 光線的教學

使用激光筆照射裝滿水的玻璃瓶,學生無法觀察到水中的光線。滴入幾滴牛奶,搖勻后再使用激光筆照射玻璃瓶,學生可以清晰地觀察到一束光線。在非常規實驗的基礎上,教師引導學生繪制光路,他們會使用帶箭頭的線段來描述光線,進而建構光線模型。

3.2 光的折射的教學

在裝滿水的玻璃瓶中,滴入幾滴牛奶,往玻璃瓶中放入一枚硬幣。教師要求學生使用激光筆從水面上照射,能照射到水下的硬幣上。學生在做實驗的過程中發現激光射入到水下時會發生偏折,這就是光的折射現象。

3.3 光的反射的拓展學習

在課外延時服務中,教師鼓勵學生分組進行光學小制作。有些小組制作了萬花筒,學生用幾塊平面鏡組成一個六棱柱,在其中放置一個物體,學生從筒口可以觀察到許多物體的像。教師引導他們使用光路圖來分析萬花筒成像的原理。通過分析,學生進一步強化了對光線、光的反射等概念的認識。

4 非常規實驗在電學概念教學中的應用

電學中的許多概念十分抽象,學生難以理解。在課堂教學中,教師利用非常規實驗引導學生進行類比,從而認識相關概念。在課外延時服務中,學生自己動手做非常規實驗,解開對電學概念的疑惑。

4.1 電流的教學

在兩個小盆底部開孔,使用透明導管連接兩孔,在其中一個小盆中倒入有顏色的液體,并將其放置于高處。學生可以觀察到水順著導管流動,過了一會兒水停止流動。教師只需將另外一個小盆的位置調高,水在管道中又會向另外一個方向流動。教師再引導學生思考電流問題,通過類比的方法幫助學生建立電流概念。

4.2 電壓的教學

將一個水盆放在較高的位置,水開始在水管中流動。當兩個水盆中的水面一樣高的時候,水會停止流動。教師讓學生探討使水保持流動的方法,學生思考后提出:將水舀過去,保持兩個水盆中的水位差。讓學生認識到使水持續流動需要存在水壓,而使電流持續流動則需要電壓。

4.3 電阻的教學

教師引導學生利用身邊的器材做實驗,探究影響導體電阻的因素,有小組做了這樣的實驗:使用學生電源、導線、燈泡、面團連接成為電路。如圖3所示,學生比較接入面團前、后燈泡發光亮度,發現接入面團,燈泡亮度變暗,得出結論:該面團是導體,在導電的同時,對電流有一定的阻礙作用,即為電阻。搓揉面團,改變接入電路面團的長度、橫截面積,學生發現燈泡的亮度均會發生變化,由此,說明電阻與導體的長度、橫截面積有關。為了讓學生進一步認識電阻概念,教師提供電壓表和電流表讓學生繼續探究。學生使用電流表測量了流過面團的電流,使用電壓表測量了面團兩端的電壓,利用學生電源多次改變電壓和電流。畫出面團的U-I圖像,學生發現:對于同一個面團,當形狀保持不變時,它兩端的電壓和通過它電流的比值保持不變。顯然兩者的比值反映了導體存在著一種電學特性,即導體電阻與導體兩端電壓大小和通過導體的電流大小無關。

圖3

5 結語

借用生活中的多種物品做非常規物理實驗,進行開放性實驗探究,使學生意識到生活中的很多物品都是很好的探究器材,可以提升他們的科學探究能力與實踐能力。[3]非常規實驗對于初中物理概念教學的意義重大,教師可以將非常規實驗融入到課堂教學和課外延時服務中,促進學生對概念的深度理解,為學習物理規律打下堅實基礎。初中物理內容較為廣泛,在不同教學內容中應用非常規實驗的目的和方法有所區別,教師可以根據教學需求設計非常規實驗。