基于核心素养下的高中物理实验优化教学研究
作者:张燕 日期:
2023-02-13 点击:
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高中物理较以往难度陡然增大且更加抽象,我们在课堂上借助实验进行教学,不仅吸引学生的注意力、激发他们的兴趣,还可以将抽象的知识形象化,具体来说,即帮助学生理解新知识,促进学生养成良好的学习方法。
一直以来,传统物理实验教学都是依据教材,教师先进行演示,学生跟着模仿,最后总结实验结论,这样的实验比较刻板,成效偏低。在高中物理教学课堂上,教师可以根据自己的经验方法对教材进行优化。接下来以教学案例的形式介绍了实验教学过程的优化。
案例1 楞次定律实验
演示实验有助于学生理解物理抽象的概念和规律,激发学生学习物理的兴趣。传统的“楞次定律”演示实验存在实验现象不明显、物理知识或结论不能充分表达等问题。为此,作者对实验进行了一些改进,使实验效果更加明显,便于学生观察和分析实验现象。例如,在楞次定律演示实验中,教师通常利用灵敏电流计指针的偏转来判断电流是否有方向,发光二极管的单向导电性还可以决定感应电流的方向以及支路中是否有感应电流,因此笔者将教材中的实验进行如下改进:如图1,仿照现今流行的台式电脑的形状制作展示板,让其在展示时有一定的倾斜程度,利于学生观
图1
察实验。当磁铁靠近、远离螺线管的过程中,观察发光二极管是否发光,在二极管旁边用相同颜色的笔标注好电流方向,可以帮助学生判断感应电流的方向,告诉他们螺线管的方向。然后通过右手螺旋法则确定磁场感应电流的方向,激发学生学习物理的兴趣。为了培养学生的科学态度和责任感,它逐渐渗透到学生的物理素养中。因此,在物理教学中,准确有效地运用物理演示实验,可以促进学生物理概念和探究能力的培养,从而极大地提高教学效果。
案例2 光的干涉、衍射实验
物理课程不仅要注重科学知识的积累,更要让学生积极参与知识探究的过程。高中物理选修课中“光的干涉与衍射”受到当时条件的限制:白天光线太亮,且干涉、衍射图样范围比较小,无法满足所有学生都能看到,故不能在课堂给学生演示。教师大都采用让学生阅读书本中相关内容,PPT展示干涉、衍射图片或者播放视频软件,这些方法虽然也能快速获取知识,但学生不能体验知识的生成和发展。笔者今年参加了全国中小学实验说课比赛,参赛作品为“光的干涉、衍射”,在市里取得不错的成绩。的实验突破了上述局限,实现了“光的干涉与衍射”的实时展示。
实验融合现代科技:相干光源采用的大功率便携式激光笔(红光/绿
图2 图3
光),取材方便,操作简单;准备一个纸箱,在上面挖个孔嵌入薯片桶,把双缝(单缝)嵌入薯片桶一端,薯片桶的长度可以增加缝到接收屏的距离,进一步放大干涉衍射现象。在纸箱侧面开一个门,方便放置无线数码摄像机(头),通过专门的App软件实现摄像机(头)与手机同步,控制手机摄像头用于拍照、录像并进行技术处理。还可以实时播放纸箱里的干涉、衍射图样,再跟教室屏幕进行投影或者同屏,再次放大实验现象。
该实验不仅可以观察到光的干涉和衍射现象,而且可以定性地判断干涉光明(暗)条纹距离大小的影响因素:光的类型(频率)、双狭缝之间的距离d以及狭缝与接收面的距离l。这也为后一节“干涉条纹间距大小的定量研究”做了铺垫。上图探讨了干涉光条纹间距△x与光的类型(频率)和双狭缝到接收面的距离d之间的定量关系。我们的实验采用了控制变量法,例如图3(a)和图3(b)说明的是不同l条件下红光的干涉图样。而图4(a)和图4(b)则是绿光在不同l处的干涉图样。在相同的光照条件下,红光图案5(a)和绿色图案5(b)是相同的。
在我们实验过程中,学生们容易观察到光的干涉现象,即相同宽度的明暗条纹,在相同条件下红光的光(暗)条纹之间的距离要略大于绿光,红光的干涉现象则更为明显;双缝距接收面距离l越大,那么,我们观察到的干涉现象越明显。除此之外,实验过程中还发现干涉中央明纹宽度较宽,笔者认为是光亮度太强使两条明纹之间的暗区被照亮,看似连接在一起。后期笔者也做了验证,增大l(远大于箱子的长度),当干涉明条纹间距△x明显增大时,不会再出现中央明纹宽度较宽的现象了。
图5(a)和5(b)显示了红绿两种光的单缝衍射条纹状态。在相同条件下,红光衍射现象更为明显。该装置还可以实现圆孔衍射,如图6所示,但没有泊松亮点实验。
图3(a) 图3(b)
图4(a) 图4(b)
图5(a) 图5(b)
图6
此实验也可做课后演示实验,将课堂教学延伸至课外,利用生活中常见的材料,例如:可用两根自动铅笔芯靠在一起做单缝,可以用一根头发丝做障碍物观察衍射现象,也可以在玻璃镜上划两条靠近在一起(0.1mm左右)的痕线做双缝,还可以用易拉罐剪下来扎个孔做圆孔衍射实验。
案列3 理想气体状态方程
理想气体状态方程是我们教学的重点和难点。在传统的教学中,理论推导是用实例进行的,学生通过推理得出理想气体状态方程后,心中不免仍有疑惑,理论推导是否符合实际?这就必须进行数据验证了,然而,本教材没有安排实验,可能存在实验设备难找、工作量多等因素。教师可以在自己对知识的理解上,创新使用教材,把现代教育技术融入教学,让实验走进课堂,实验器材有:注射器、温度传感器、压强传感器,利用注射器可以封闭一定质量的空气,体积可以从刻度上直接读出来,传感器可以测量温度,压力传感器可以测量封闭气体和外界大气之间的压差。教师可以进行分组实验,让几名学生合作完成实验、得到数据,利用Excel处理数据、利用图像分析数据、获得结论,与学生一起分析实验误差及产生误差的原因,并努力修复误差。不仅培养了学生的质疑能力、批判思维能力,同时还加深了学生对知识的深层次理解,从而培养学生的科学态度与责任。
普朗克曾说过:物理定律不仅可以通过思考获得,还可以通过观察和实验获得。实验的研究过程中不仅能够帮助学生理解知识的生成和论证的过程还能帮助学生掌握物理研究过程中所必需的的物理基本观念和实验探究能力,除此之外,科学品质和科学态度的培养也可以通过探究实验来完成。物理教材的内容是固定的,教材的地位和作用是我们认识教学目标、实现教学目标的最基本的方法,教师应具有创新的意识,根据课程标准,结合学生的认知水平和自身对物理教学内容的理解,对教材重新整合、优化。
在课堂上引入实验可以大大激发学生们学习物理知识的兴趣,不断增强其学习动机。另外,利用实验可以帮助学生有效地突破学习困难,解决学习中的疑惑,加深对物理概念和规律的理解。一方面,现有的演示实验、探究性实验和小组实验是黑板实验和绘图实验所不能替代的。另一方面,涉及核心概念和核心规律,要勇于创新,让创新实验走进课堂,让学生在解决具体实际问题的过程中理解和运用这些核心知识,真正培养学生的科学探究能力。