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物理教學(xué)論文:試論物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的“過程設(shè)計”蔡千斌
試論物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的“過程設(shè)計”
蔡千斌
。ㄕ憬髮W(xué)理學(xué)院物理系,浙江杭州310027)
一、什么是物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的“過程設(shè)計”
首先,“過程設(shè)計”就是一種教學(xué)設(shè)計.其次,它更為強(qiáng)調(diào)的是重視過程的教學(xué),詳細(xì)地說,物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的“過程設(shè)計”就是指在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中教師設(shè)計實(shí)驗(yàn)的情境或系列的問題,使學(xué)生經(jīng)歷問題的探索過程,重蹈科學(xué)家關(guān)鍵的設(shè)計步驟,體悟?qū)嶒?yàn)的設(shè)計思想,掌握儀器的使用事項(xiàng),提升實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析能力的一種教學(xué)設(shè)計.
二、物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中為什么要進(jìn)行“過程設(shè)計”
這要從一則教學(xué)事例談起.在“探究感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件”的實(shí)驗(yàn)中,實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示.教師教學(xué)時對這一“成型實(shí)驗(yàn)”的設(shè)計未作鋪墊,學(xué)生并不清楚科學(xué)家設(shè)計該實(shí)驗(yàn)的心路歷程.以至于教學(xué)中有些學(xué)生竟然認(rèn)為:“這么簡單的實(shí)驗(yàn),很容易得出結(jié)論呀!法拉第怎么用了十年的時間?他真是太笨了!”可見,教師在已經(jīng)“成型實(shí)驗(yàn)”的教學(xué)中有必要還原科學(xué)家的心路歷程.法拉第在當(dāng)年先是怎么設(shè)計的,后是怎樣改進(jìn)的,以后是怎樣突破的,最終又是怎樣設(shè)計的.別人為什么沒有做成功,唯獨(dú)法拉第做成功了.在充分揭示科學(xué)家思維的形成過程中,讓學(xué)生適時地經(jīng)歷從實(shí)驗(yàn)的初始設(shè)計到逐步完善的思維過程,這樣,學(xué)生才能領(lǐng)略到實(shí)驗(yàn)設(shè)計的精妙所在,也才能感受到法拉第的偉大之處.因此,教師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)當(dāng)注重“過程設(shè)計”,
三、物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中如何進(jìn)行“過程設(shè)計”
1.儀器使用的過程設(shè)計
儀器使用的傳統(tǒng)教學(xué)模式是:結(jié)構(gòu)簡介——教師示范——學(xué)生模仿.教師先簡單介紹儀器的結(jié)構(gòu)、功能,再分步介紹操作步驟,第一步怎樣操作,第二步怎樣操作,……,要注意不能有什么樣的操作,同時做好示范,然后學(xué)生照樣練習(xí),直至純熟,這種教學(xué)模式喪失了學(xué)生的自主性,削弱了學(xué)生的探究能力.這樣的設(shè)計并不可。畠x器使用的“過程設(shè)計”能較好地解決這一問題.其設(shè)計模式如圖2所示.設(shè)計的線索是:(1)教學(xué)內(nèi)容;(2)過程設(shè)計,其中,過程設(shè)計又分為:①學(xué)生活動;②過程小結(jié),
案例:實(shí)驗(yàn):使用多用電表測電阻.采用“儀器使用的過程設(shè)計”進(jìn)行教學(xué)時,教師不需強(qiáng)行灌輸多用電表的使用方法,學(xué)生在活動中即能發(fā)現(xiàn)問題、解決問題、總結(jié)規(guī)律.其過程設(shè)計見后頁.
實(shí)踐表明,這種設(shè)計能使教師教得輕松,學(xué)生學(xué)得愉快,經(jīng)過動手動腦后獲得的知識,對學(xué)生來說,其印象也更為深刻.
2.成型實(shí)驗(yàn)的過程設(shè)計
本文所講的成型實(shí)驗(yàn)指的是已遠(yuǎn)離了實(shí)驗(yàn)的原型,經(jīng)歷了多次的修改后呈現(xiàn)出來的一個最終完善的電路、一套完整韻儀器、一種完美的實(shí)驗(yàn)方案.它經(jīng)過了多次的打磨,雖則完美,卻磨掉了思維演變的痕跡,如果直接呈現(xiàn)出來,學(xué)生將無法感受到探索過程的艱難和探索過程的樂趣,理解起來也更為困難.
案例:用以下器材測量待測電阻見的阻值.待測電阻R阻值約為lOOR電源E,電動勢約為6.OV,內(nèi)阻可忽略不計;電流表Ai,量程為0~50mA,內(nèi)電阻ri=20Q,;電流表A2,量程為0—300mA,內(nèi)電阻r2約為4Q;定值電阻風(fēng),阻值Ra-20Q;滑動變阻器R,最大阻值為10Q;單刀單擲開關(guān)5,導(dǎo)線若干.
(1)測量中要求兩塊電流表的讀數(shù)都不小于其量程的1/3,且要求盡量多測量幾組數(shù)據(jù),試畫出測量電阻R,的實(shí)驗(yàn)電路原理圖(原理圖中的元件用題干中相應(yīng)的英文字母標(biāo)注).
(2)若某次測量中電流表Ai的示數(shù)為,電流表A2的示數(shù)為,2.則由已知量和測量量計R,的表達(dá)式為Rx=________.
這是本校一道高三復(fù)習(xí)的測試題.它難倒了一大批學(xué)生.試題講評時,教師直接呈現(xiàn)正確的實(shí)驗(yàn)電路,然后做一扼要的解釋,結(jié)果,很多數(shù)學(xué)生直呼:“太神奇了!”他們覺得自己是很難想出這種設(shè)計方案來的.究其原因,該設(shè)計脫離了學(xué)生的思維實(shí)際,難以引起學(xué)生的共鳴.明顯有曲高和寡的感覺.如何解決這一問題?“成型實(shí)驗(yàn)的過程設(shè)計”不失為一種好的方式,其操作模式如圖3所示.據(jù)此,過程設(shè)計如下.
第一步,構(gòu)畫原型,根據(jù)問題情境,要測電阻Rx的阻值,明確實(shí)驗(yàn)的原型是伏安法測電阻的電路,題中“要求盡可能多測幾組數(shù)據(jù)”,可知滑動變阻器的連接方式為“分壓式”接法,由此,構(gòu)畫出實(shí)驗(yàn)的原型電路,如圖4(a)、(b)所示
第二步,構(gòu)畫實(shí)驗(yàn)設(shè)計1.題中提供的是2個電流表而無電壓表.故需造一個電壓表.已知內(nèi)阻的電流表Ai串聯(lián)一個定值電阻Ro可當(dāng)電壓表用.如圖5所示,其中圖5中虛線框內(nèi)Ro、Ai的組合相當(dāng)于一個電壓表.
驗(yàn)如圖7中的(a)、(b)、(c)、(d)所示Ⅲ,根據(jù)實(shí)驗(yàn),在表1、表2中填人實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.此時,A2未達(dá)1/3滿偏.故此電路尚不符合題意.
第三步,構(gòu)畫實(shí)驗(yàn)設(shè)計2.設(shè)計依據(jù):已知通過電流值的定值電阻也可當(dāng)電壓表用.設(shè)計實(shí)驗(yàn)如圖6所示.其中,圖6中虛線框內(nèi)的風(fēng)就相當(dāng)于一個電壓表。
由此確定圖6為所求的實(shí)驗(yàn)電路圖,
按照“成型實(shí)驗(yàn)的過程設(shè)計”分三步進(jìn)行教學(xué),學(xué)生覺得根據(jù)這一方法自己也應(yīng)該會設(shè)計所要求解的電路,也并不覺得這樣的實(shí)驗(yàn)設(shè)計有什么高深之處.在這里,憑借一個實(shí)驗(yàn)原型,根據(jù)問題的情境,適當(dāng)?shù)丶右孕拚,所求?shí)驗(yàn)電路就能水到渠成,通過這樣的設(shè)計過程,學(xué)生在實(shí)驗(yàn)設(shè)計上就有思路可循,能輕松地掌握實(shí)驗(yàn)設(shè)計的方法.
3.實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析的過程設(shè)計
許多時候,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象非常精彩,可惜由于過程分析不得法,學(xué)生無法深入思考,教師只能匆匆地給出結(jié)論.表面上課堂教學(xué)變得順暢了,實(shí)際上學(xué)生的思維卻未能很好地得到訓(xùn)練,教學(xué)中留下了很多的遺憾.要盡量減少這類遺憾的發(fā)生,教師應(yīng)做好實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析的過程設(shè)計.
比如,楞次定律的教學(xué).研究感應(yīng)電流方向的實(shí)驗(yàn)如圖7中的(a)、(b)、(c)、(d)所示Ⅲ,根據(jù)實(shí)驗(yàn),在表1、表2中填人實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.
分析:由表1知,(a)(b)中線圈內(nèi)磁通量增加時,感應(yīng)電流的磁場方向與原磁場的方向相反,由表2知,(c)(d)中線圈內(nèi)磁通量減少時,感應(yīng)電流的磁場方向與原磁場的方向相同.結(jié)論:感應(yīng)電流的磁場總是阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化.以上教學(xué),雖然思路流暢,但是要判斷感應(yīng)電流的方向怎么會想到要引入“感應(yīng)電流的磁場”作為“中介”來表述,因而在表格中列入“感應(yīng)電流的磁場方向”呢?這一點(diǎn)教師未作什么交代,學(xué)生是很難想得通的,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析的過程設(shè)計要以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ),以問題為主線,按一定的邏輯順序展開,逐步推出結(jié)論,才能令人信服.
案例:實(shí)驗(yàn):探究感應(yīng)電流方向的規(guī)律.如圖8(a)所示.實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象:條形磁鐵N極靠近金屬鋁環(huán),鋁環(huán)向右擺,條形磁鐵N極遠(yuǎn)離金屬鋁環(huán),鋁環(huán)向左擺,
分析過程:沿著以下兩條線索(如圖9)層層展開問題的設(shè)計,最終得出判斷感應(yīng)電流方向的規(guī)律——楞次定律.
磁鐵靠近鋁環(huán)時,鋁環(huán)向右擺,說明磁鐵對鋁環(huán)有斥力,這個斥力應(yīng)是磁場力,它與鋁環(huán)產(chǎn)生的感應(yīng)電流有關(guān),圖8(a)中相互作用的情況等效于圖8(b)中相互作用的情況,
問題1:結(jié)合(a)、(b)圖,判斷鋁環(huán)中感應(yīng)電流的磁場方向及鋁環(huán)中產(chǎn)生的感應(yīng)電流方向.
問題2:在圖(a)中標(biāo)出條形磁鐵的磁場方向、感應(yīng)電流的磁場方向、感應(yīng)電流的方向.(標(biāo)出后的結(jié)果如圖(c)所示)
問題3:標(biāo)出條形磁鐵離開鋁環(huán),鋁環(huán)被吸引向左擺時,條形磁鐵的磁場方向、感應(yīng)電流的磁場方向、感應(yīng)電流的方向.(標(biāo)出后的結(jié)果如圖(d)所示)
問題4:條形磁鐵靠近鋁環(huán)時,鋁環(huán)中感應(yīng)電流的磁場方向與條形磁鐵的磁場方向相反;而遠(yuǎn)離時,卻相同,這會引起鋁環(huán)中的磁通量發(fā)生怎樣的變化?
問題5:如把條形磁鐵在鋁環(huán)中產(chǎn)生的磁通量稱為原磁通量,則條形磁鐵靠近鋁環(huán)時,原磁通量增加,感應(yīng)電流的磁場是使原磁通量增加還是減少?條形磁鐵遠(yuǎn)離鋁環(huán)時,原磁通量減少,感應(yīng)電流的磁場是使原磁通量增加還是減少?這說明,感應(yīng)電流的磁場對原磁通量是起促進(jìn)作用還是起阻礙作用?
經(jīng)歷以上現(xiàn)象的分析后,再引導(dǎo)學(xué)生分析圖7中的(a)、(b)、(c)、(d)四種情況,學(xué)生將不再對引入“感應(yīng)電流的磁場”感到突然了,而會認(rèn)為這是理所當(dāng)然的事.
四、結(jié)語
開展物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的“過程設(shè)計”,目的是讓學(xué)生充分經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)的設(shè)計過程、現(xiàn)象的分析過程、儀器的使用過程,從而在質(zhì)疑問難中、在對比分析中、在動手動腦中訓(xùn)練學(xué)生的設(shè)計思維,提高學(xué)生的探究能力,激發(fā)學(xué)生的探究熱情,使學(xué)生在過程中獲得豐富的情感體驗(yàn),最終全面提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng).
參考文獻(xiàn):
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