一、倡导低碳理念,变废为宝——实验生活化
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。
“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(如图1),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,通过对教材提供实验方案的改进,自制了如图4所示的实验装置:
(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,可自制如图5所示滚轮装置,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(如图6)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(如图7),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(装置如下页图8):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(如图9),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(如图10),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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