(南京師范大學(xué)教師教育學(xué)院,江蘇 南京 210097)

1 引言

演示實(shí)驗(yàn)是以教師為主導(dǎo)者的示范實(shí)驗(yàn),其目的在于引導(dǎo)學(xué)生觀察,使學(xué)生對(duì)物理現(xiàn)象有清晰的了解,這是教師講解物理概念和規(guī)律的基礎(chǔ),是培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要手段，[1]演示實(shí)驗(yàn)資源的有效開發(fā)與合理利用應(yīng)成為物理教師深入思考的問題。在科技日益發(fā)達(dá)的現(xiàn)代社會(huì),一些包含物理教育價(jià)值的科普節(jié)目和講座為物理教師開發(fā)實(shí)驗(yàn)資源提供了新思路，從中開發(fā)物理演示實(shí)驗(yàn)資源,不僅可以讓物理教師獲得靈感,提升教師的專業(yè)素養(yǎng)和實(shí)踐能力,還可以豐富教學(xué)內(nèi)容,提高課堂教學(xué)效果。

2 從科普節(jié)目和講座中開發(fā)物理演示實(shí)驗(yàn)資源的路徑

科普節(jié)目、講座中提供的實(shí)驗(yàn)素材豐富多樣,如何有效地將其用到課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)中?教師可以將借鑒到的創(chuàng)意與教學(xué)實(shí)際相結(jié)合,根據(jù)教學(xué)目標(biāo)、學(xué)生特點(diǎn)、教學(xué)重難點(diǎn)、器材要求等因素合理開發(fā)實(shí)驗(yàn)資源,具體來講有下面幾種路徑。

2.1 以教學(xué)目標(biāo)為導(dǎo)向

教學(xué)目標(biāo)是預(yù)期的學(xué)生學(xué)習(xí)成果,是教學(xué)的出發(fā)點(diǎn)，也是教學(xué)的最終歸宿。[2]課堂上開展的實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)應(yīng)當(dāng)緊緊圍繞教學(xué)目標(biāo),這就意味著教師需要以教學(xué)目標(biāo)為導(dǎo)向開發(fā)實(shí)驗(yàn)資源。

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》對(duì)選擇性必修3中“液體”的教學(xué)提出的要求為：觀察液體的表面張力現(xiàn)象,了解表面張力產(chǎn)生的原因,知道毛細(xì)現(xiàn)象,并且給出生活中與表面張力相關(guān)的實(shí)例。[3]中央電視臺(tái)《是真的嗎》20170617期節(jié)目中介紹了“裝滿水的杯子倒置后放入牙簽也不會(huì)漏水”實(shí)驗(yàn)：在裝滿水的杯子的杯口處覆蓋一層紗網(wǎng)并用橡皮筋固定,把一塊塑料板罩在杯口然后將杯子倒置,緩慢撤去塑料板,水不會(huì)漏出來。若向杯中戳入牙簽,牙簽上浮且水也不會(huì)漏出。這個(gè)實(shí)驗(yàn)利用牙簽不會(huì)讓水漏出，巧妙地展示了水的表面張力現(xiàn)象,如果將其應(yīng)用到“液體”教學(xué)中可以把抽象的概念形象化,使學(xué)生在觀察的基礎(chǔ)上理解表面張力概念,符合本節(jié)的教學(xué)目標(biāo)。

2.2 以學(xué)生學(xué)情為依據(jù)

課程改革倡導(dǎo)課堂教學(xué)要充分發(fā)揮學(xué)生的主體作用,打造“以生為本”的課堂，要求教師對(duì)學(xué)生的學(xué)情有一定的了解,因此教師在開發(fā)實(shí)驗(yàn)資源、組織教學(xué)活動(dòng)時(shí)需要以學(xué)生學(xué)情為依據(jù),這樣教學(xué)才能真正做到有的放矢。

2.2.1 激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

生動(dòng)形象的演示實(shí)驗(yàn)會(huì)給學(xué)生強(qiáng)烈的感官刺激,進(jìn)而激發(fā)他們濃厚的學(xué)習(xí)興趣。初二學(xué)生在學(xué)習(xí)“聲音”這一章時(shí),課本中介紹了敲鼓彈起小紙片的實(shí)驗(yàn),證明了聲音是由物體的振動(dòng)產(chǎn)生的,并且振幅越大,響度越大。對(duì)于現(xiàn)在的中學(xué)生而言,上述的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)無法有效激發(fā)起他們的興趣。筆者在一次科普講座中接觸到了更富有創(chuàng)意性的趣味實(shí)驗(yàn)：將一個(gè)塑料筒的一端封上一層橡皮膜,并在橡皮膜的中央粘上一個(gè)小平面鏡(如圖1)。拿一只激光筆斜射在平面鏡上使反射光斑呈現(xiàn)在墻壁上,當(dāng)人對(duì)著圓筒的空心端發(fā)聲時(shí),可以看到墻壁上的光斑變幻出不同形狀的圖案,并且隨著聲音響度變大,圖案上的振幅也在變大。再如,利用家中洗衣機(jī)上的排水管可以探究音調(diào)與頻率的關(guān)系：手拿排水管一端，另一只手在水管某處將其甩動(dòng),可以聽到空氣振動(dòng)發(fā)出的聲音,并且甩動(dòng)的轉(zhuǎn)速越快,音調(diào)越高。

圖1

高中生在學(xué)習(xí)“光的偏振”時(shí)教師可以引入“穿墻而過的小球”實(shí)驗(yàn),取一根透明有機(jī)玻璃管，在其左右兩半部分分別貼上偏振方向相互垂直的偏振薄膜，在管外會(huì)看到管中部有一不透光的“墻”，把一只小球放入管內(nèi)，可以觀察到小球可以毫無阻礙從一端運(yùn)動(dòng)到另一端(如圖2)。在“光的偏振”的教學(xué)中，教師可以將其作為課堂引入實(shí)驗(yàn),以此激發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲，為接下來的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。

圖2

2.2.2 關(guān)注學(xué)生的思維活動(dòng)

由于初中生還處于形象思維為主的階段,“大氣壓強(qiáng)”對(duì)于他們來說是一個(gè)極為抽象的概念,對(duì)于大氣壓強(qiáng)到底有多大更是難以把握,這就要求教師在開展教學(xué)時(shí)應(yīng)當(dāng)利用具體可感的手段來輔助學(xué)生認(rèn)識(shí)大氣壓。

《是真的嗎》20170107期節(jié)目中展示了一個(gè)視覺效果非常震撼的高腳杯提重物實(shí)驗(yàn),具體實(shí)驗(yàn)過程是：將紙巾逐一鋪在玻璃板上并用水打濕,連續(xù)操作，直至將5張紙巾全部鋪上,再拿一張紙巾揉成小球放入酒精中潤(rùn)濕,取出后放在鋪好的紙巾上。用打火機(jī)將紙團(tuán)點(diǎn)燃,并用高腳杯罩在紙團(tuán)上方稍作停頓,然后緊壓在紙上。提起高腳杯的同時(shí)玻璃板也被吸了起來。將總重為5kg的10瓶礦泉水置于玻璃板兩側(cè),最終高腳杯也能將其穩(wěn)穩(wěn)提住。這是因?yàn)榫凭紵懦?、加熱杯中的空?待杯的溫度降低后導(dǎo)致高腳杯的內(nèi)外產(chǎn)生了氣壓差,因此大氣壓就將重物托了起來。如果教師能夠在講解大氣壓概念時(shí)，將該實(shí)驗(yàn)與教材中的馬德堡半球?qū)嶒?yàn)相結(jié)合,給學(xué)生提供視覺上巨大沖擊的同時(shí)也能幫助學(xué)生加深對(duì)大氣壓的感性認(rèn)識(shí)。圖3是筆者完成該實(shí)驗(yàn)時(shí)拍攝的照片,與節(jié)目中有所區(qū)別的是筆者選用的燃燒物是酒精棉球,材料易得且操作方便，由于實(shí)驗(yàn)器材有所不同，筆者最終用高腳杯提起了總質(zhì)量約為3.3kg的6瓶550ml的礦泉水。實(shí)驗(yàn)中要注意的是將高腳杯倒置在燃燒的酒精棉球上方時(shí),停留的時(shí)間不宜過長(zhǎng),否則空氣又會(huì)回到杯中。高腳杯蓋在濕紙巾上時(shí)一定要用力按壓并稍作停留,讓濕紙巾充分起到密封效果,避免漏氣。

圖3

2.3 以教學(xué)重難點(diǎn)為突破對(duì)象

教學(xué)重難點(diǎn)的確定是教師在備課中必不可少的環(huán)節(jié),針對(duì)教學(xué)中的重難點(diǎn)展開的實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)會(huì)讓課堂教學(xué)事半功倍。因此教師在開發(fā)實(shí)驗(yàn)資源時(shí)需要以教學(xué)重難點(diǎn)為關(guān)注對(duì)象,讓實(shí)驗(yàn)教學(xué)有效服務(wù)于重難點(diǎn)的突破。

初中物理“浮力”這一節(jié)中浮力產(chǎn)生的原因是教學(xué)的難點(diǎn),因此教師要有針對(duì)性地開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)，幫助學(xué)生了解浮力是如何產(chǎn)生的?！妒钦娴膯帷?0170812期節(jié)目中介紹了“兩個(gè)乒乓球放入水中會(huì)一沉一浮”的實(shí)驗(yàn),具體操作如下：將兩個(gè)乒乓球放在漏斗形的塑料瓶中,向瓶中加水后一球上浮,一球沉在瓶口處,旋緊瓶蓋后沉在瓶口的小球也上浮(如圖4)。不加瓶蓋時(shí)下面的小球底部的水從瓶口流了出去,因此其頂部的水將其壓在瓶口,而上面的小球頂部和底部都受到水的壓力,且存在壓力差,因此它能上浮。利用這個(gè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)巧妙地運(yùn)用直觀的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,幫助學(xué)生理解浮力產(chǎn)生的原因。

圖4

2.4 以易得材料為首選

科普節(jié)目有時(shí)為了呈現(xiàn)震撼的實(shí)驗(yàn)效果,選取的部分實(shí)驗(yàn)器材是經(jīng)過專門設(shè)計(jì)和加工的,而在實(shí)際教學(xué)中教師無法輕易獲得,這就要求教師在開發(fā)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源時(shí)合理選取生活中的易得材料替代節(jié)目中的高精尖儀器。

《是真的嗎》20161224期節(jié)目中介紹了“鋼珠隔空擊倒塑料瓶”實(shí)驗(yàn),主持人將一顆小鋼珠放在中間被遮擋的軌道上,輕推鋼珠使其進(jìn)入遮擋區(qū)域,然后鋼珠以較大的速度從遮擋區(qū)穿出并擊倒了軌道一端的塑料瓶。揭秘后發(fā)現(xiàn)遮擋區(qū)域放置了由幾個(gè)環(huán)形磁鐵組成的磁鐵組,中間插有鐵棍,鐵棍的另一端放有一顆鋼珠。當(dāng)?shù)谝活w鋼珠被磁鐵吸引后能量得到補(bǔ)充,它又將能量傳遞給下一顆鋼珠,因此最后飛出去的鋼珠擁有較大的速度，可擊倒塑料瓶。節(jié)目中精心設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置在實(shí)際教學(xué)中難以實(shí)現(xiàn),筆者將實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)化后進(jìn)行了嘗試(如圖5)。圖5中的軌道選擇了用砂紙打磨過的鋁合金軌道,表面盡可能光滑以減小摩擦,磁鐵組的右端放置了四顆鋼珠,輕推左側(cè)鋼珠,最后可以觀察到最右邊的鋼珠飛出,并且能夠擊倒塑料瓶。這個(gè)實(shí)驗(yàn)可以用于高中物理必修2“能量守恒定律與能源”這一節(jié),由于能量這個(gè)概念比較抽象,學(xué)生很難正確理解,因此利用實(shí)驗(yàn)來創(chuàng)造物理情境，啟發(fā)學(xué)生探究鋼珠加速的原因,同時(shí)也可以組織學(xué)生課后了解高斯加速器的原理,使學(xué)生通過理論聯(lián)系實(shí)際，對(duì)能量和能量守恒有更深入的理解。

圖5

浮沉子實(shí)驗(yàn)是初中經(jīng)典物理實(shí)驗(yàn),如何利用簡(jiǎn)單材料推陳出新，展示物理實(shí)驗(yàn)的奇妙?科普講座提供了一種新方案：在一個(gè)小塑料瓶中倒入少量有色液體,并在瓶口處密封一個(gè)透明塑料袋。將塑料瓶放入盛滿水的水瓶中,用力擠壓瓶子可以看到有色液體上升且塑料瓶下沉,松手后塑料瓶上浮(如圖6)。利用這個(gè)實(shí)驗(yàn)可以形象反映出擠壓瓶子時(shí)塑料袋中氣體被壓縮,有色液體上升,從而便于學(xué)生理解浮沉子中浮力變化的原因。

圖6

3 結(jié)語

實(shí)驗(yàn)資源的開發(fā)是探索有可能進(jìn)入物理課程、可用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)所用的資源，實(shí)驗(yàn)資源的利用是指將被開發(fā)出來的實(shí)驗(yàn)資源的教學(xué)功能最大化。[4]教師從科普節(jié)目和科普講座中得到啟發(fā)，需要根據(jù)教學(xué)實(shí)際情況合理開發(fā)與應(yīng)用演示實(shí)驗(yàn)資源,以有效地培育學(xué)生的核心素養(yǎng)。