基于非常规实验的初中物理概念教学探讨①

毛永良

(江苏省江阴市青阳初级中学,江苏 无锡 214401)

实验是初中物理教学的重要组成部分。初中物理教材中包含了许多实验,这些实验主要利用实验室器材完成,称之为常规物理实验。非常规物理实验是指利用学生熟悉的生活易得物品、材料、器具、人体或人体局部以及儿童玩具等开发的一类体现自创性、体验性、趣味性、简易性、生活化的物理实验。[1]常规实验是初中物理教学的主心骨,非常规实验则是初中物理教学的重要补充。概念是物理学的基础,是学生学习物理时从感性认识上升到理性认识的支架。在概念教学中,教师应用了大量常规实验,常规实验需要准备专用器材、花费较多时间。非常规实验在初中物理概念教学中可以大放异彩,初中生好奇心强,非常规实验利用生活物品等,可突破时空限制,符合中学生的认知特点,有利于充分调动学生学习的主动性,激发学习兴趣,引导学生走进物理世界。[2]在“双减”背景下,各学校开展了延时服务,教师可以引导学生开展非常规实验,促进他们深度理解概念,进而提高物理学科核心素养。

1 非常规实验在声学概念教学中的应用

声学概念教学注重学生的体验,非常规实验利用学生身边的各种物体做实验,可以保证所有学生参与实验,为学生创造亲身体验的环境。在课堂教学中,教师指导学生做针对性强、探究目的明确的非常规物理实验,以满足课堂教学的需要。在课外延时服务中,学生组成学习小组,做具有一定拓展性的非常规物理实验,加深对声学概念的理解。

响度、音调、音色是初中声学中的重要概念,在课堂教学中,教师可以指导学生利用身边物品做非常规实验,获取对这些概念的体验和理解。

1.1 响度的教学

让学生用笔敲击桌子,逐步加大敲击的力度。教师使用Phyphox软件显示声音的波形,并投影在屏幕上。通过做非常规实验,学生将声音的响度和敲击力度的大小联系了起来。通过观察屏幕中的波形,学生将声音的响度和振幅联系了起来。

1.2 音调的教学

学生拨动橡皮筋,使其发出声音,学生不断改变橡皮筋振动部分的长度。教师同样使用Phyphox软件显示声音的波形,并投影在屏幕上,学生从中感受到了音调和振动部分长度的关系。通过观察屏幕中的波形和频率数据,学生将声音的音调和频率联系了起来。对于初中生,频率也是一个新概念,教师让学生将橡皮用细线悬挂起来摆动,来体验频率的概念。学生发现改变细线的长度可以改变橡皮振动的快慢(频率)。

1.3 音色的教学

教师敲击不同的物体,让学生听声辨物。教师利用Phyphox软件显示各种物体所发出声音的波形,通过对比波形,学生可以体验不同物体发出的声音音色不同。

在课外延时服务中,教师让学生合作制作一件乐器。有的小组制作了“古琴”,他们将若干根橡皮筋绷在文具盒上,倾斜插入一支铅笔,以获得不同振动长度的琴弦;有的小组制作了“水编钟”,他们在玻璃水杯中加入不同高度的水,用笔来敲击玻璃杯;有的小组制作了“竖笛”,他们在吸管上不同位置处开小孔,将吸管下端插入截去一半的塑料瓶中(图1)。制作完成后,各小组还尝试使用他们制作的乐器合作演奏一首乐曲。课外延时服务中的小制作既培养了学生的动手能力,又让学生进一步体验了各种概念,深化了对声学概念的理解。

图1

2 非常规实验在力学概念教学中的应用

力学是初中物理中最为重要的内容,所包含的概念较多。学生在日常生活中接触过许多力学现象,他们在学习力学时存在一些前概念,学生头脑中的前概念可能是正确的,也可能是错误的。因此,在力学概念教学中教师要充分利用学生的前概念,帮助学生去伪存真,逐步完善对概念的理解。非常规实验在力学概念教学中可以发挥巨大的作用,在课堂教学中,教师指导学生做非常规实验,初步建构力学概念。在课外延时服务中,教师让学生自主做有意思的非常规实验,体验力学概念的细节。

重力、弹力、摩擦力是最常见的三种力,学生通过生活可感知这三种力,但是又不能深刻理解这三种力。在课堂教学中,教师利用非常规实验可帮助学生建构相关概念。

2.1 重力的教学

教师引导学生做以下实验:(1) 学生观察身边物体的自由下落,可以感受到物体受到力的作用,这个力就是重力。(2) 将重物悬挂在橡皮筋上,学生可以观察到橡皮筋的伸长方向。这两个非常规实验可使学生初步建构重力概念。

2.2 弹力的教学

学生可以利用橡皮筋、弹簧做实验,观察形变和弹力的关系。通过实验,学生发现:存在两种形变,即弹性形变和范性形变。而弹力的产生和弹性形变息息相关,学生观察到弹力的大小和形变的程度具有直接关系,形变量越大,弹力越大(图2)。

图2

2.3 摩擦力的教学

教师让学生利用书本和橡皮筋做实验,学生将橡皮筋和书本连接起来,在课桌上利用橡皮筋拉动书本,通过观察橡皮筋的长度,学生可以间接了解桌面对书本的摩擦力。通过探究,学生发现摩擦力的大小与压力、粗糙程度等因素有关,而和书本的运动快慢、接触面积没有关系。

在课外延时服务中,教师指导学生做非常规实验,进一步探究这三种力的概念。学生将橡皮擦向各个方向抛出,观察橡皮擦的下落过程,体验重力的作用。学生用橡皮筋制作简易测力计,教师提供弹簧测力计,让学生为自制测力计定标,用自制测力计测量身边各种小物体所受的重力。学生通过各种方式感受摩擦力,如在爬杆的时候,认识到静摩擦力和滑动摩擦力。在向上爬杆的时候,静摩擦力向上,提供了动力。在下滑的时候,滑动摩擦力向上,提供了阻力。这个非常规实验说明了摩擦力既可以提供阻力,也可以提供动力,刷新了学生的认识,利用非常规实验帮助学生纠正了“摩擦力一定是阻力”的错误认知。

3 非常规实验在光学概念教学中的应用

光学是初中物理教学的重点和难点,虽然各种光学现象能够吸引学生的眼球,但是学生学习起来还是感觉十分困难。在光学教学中,教师需要引导学生建立相关的光学概念,以作为探究各种光学规律的基础。在课外延时服务中,教师让学生开展小制作,进一步探究光学概念的内涵和外延。

3.1 光线的教学

使用激光笔照射装满水的玻璃瓶,学生无法观察到水中的光线。滴入几滴牛奶,摇匀后再使用激光笔照射玻璃瓶,学生可以清晰地观察到一束光线。在非常规实验的基础上,教师引导学生绘制光路,他们会使用带箭头的线段来描述光线,进而建构光线模型。

3.2 光的折射的教学

在装满水的玻璃瓶中,滴入几滴牛奶,往玻璃瓶中放入一枚硬币。教师要求学生使用激光笔从水面上照射,能照射到水下的硬币上。学生在做实验的过程中发现激光射入到水下时会发生偏折,这就是光的折射现象。

3.3 光的反射的拓展学习

在课外延时服务中,教师鼓励学生分组进行光学小制作。有些小组制作了万花筒,学生用几块平面镜组成一个六棱柱,在其中放置一个物体,学生从筒口可以观察到许多物体的像。教师引导他们使用光路图来分析万花筒成像的原理。通过分析,学生进一步强化了对光线、光的反射等概念的认识。

4 非常规实验在电学概念教学中的应用

电学中的许多概念十分抽象,学生难以理解。在课堂教学中,教师利用非常规实验引导学生进行类比,从而认识相关概念。在课外延时服务中,学生自己动手做非常规实验,解开对电学概念的疑惑。

4.1 电流的教学

在两个小盆底部开孔,使用透明导管连接两孔,在其中一个小盆中倒入有颜色的液体,并将其放置于高处。学生可以观察到水顺着导管流动,过了一会儿水停止流动。教师只需将另外一个小盆的位置调高,水在管道中又会向另外一个方向流动。教师再引导学生思考电流问题,通过类比的方法帮助学生建立电流概念。

4.2 电压的教学

将一个水盆放在较高的位置,水开始在水管中流动。当两个水盆中的水面一样高的时候,水会停止流动。教师让学生探讨使水保持流动的方法,学生思考后提出:将水舀过去,保持两个水盆中的水位差。让学生认识到使水持续流动需要存在水压,而使电流持续流动则需要电压。

4.3 电阻的教学

教师引导学生利用身边的器材做实验,探究影响导体电阻的因素,有小组做了这样的实验:使用学生电源、导线、灯泡、面团连接成为电路。如图3所示,学生比较接入面团前、后灯泡发光亮度,发现接入面团,灯泡亮度变暗,得出结论:该面团是导体,在导电的同时,对电流有一定的阻碍作用,即为电阻。搓揉面团,改变接入电路面团的长度、横截面积,学生发现灯泡的亮度均会发生变化,由此,说明电阻与导体的长度、横截面积有关。为了让学生进一步认识电阻概念,教师提供电压表和电流表让学生继续探究。学生使用电流表测量了流过面团的电流,使用电压表测量了面团两端的电压,利用学生电源多次改变电压和电流。画出面团的U-I图像,学生发现:对于同一个面团,当形状保持不变时,它两端的电压和通过它电流的比值保持不变。显然两者的比值反映了导体存在着一种电学特性,即导体电阻与导体两端电压大小和通过导体的电流大小无关。

图3

5 结语

借用生活中的多种物品做非常规物理实验,进行开放性实验探究,使学生意识到生活中的很多物品都是很好的探究器材,可以提升他们的科学探究能力与实践能力。[3]非常规实验对于初中物理概念教学的意义重大,教师可以将非常规实验融入到课堂教学和课外延时服务中,促进学生对概念的深度理解,为学习物理规律打下坚实基础。初中物理内容较为广泛,在不同教学内容中应用非常规实验的目的和方法有所区别,教师可以根据教学需求设计非常规实验。