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第14章 教学设计与实例评析(4)

(1)到生活中找“问题”。例如,自行车为何要“骑”起来才不会倒下?自行车带人为何不安全?骑惯了自行车,为何骑不惯三轮车?自行车后刹为何比前刹重要?载重车和轻便车有何不同?为什么?赛车的车头为什么要这么低?自行车不打气行吗?如果路上铺满了修路的碎石子,这时,是骑得快些好,还是慢些好?从水壶中倒出的水柱从高到低为什么越来越细?当你坐在绝对光滑的冰场中央,如何走出冰场?两个充气的一大一小的气球,当它们连通后,哪个变大,哪个变小?为什么?为什么有三颗通信卫星就能将信号覆盖全球?

(2)到实验中找“问题”。做实验并不仅是为了“验证”什么,更重要的是让学生“发现”什么。因此,在每一次实验前和实验后,都要学生想一想:①这种方法是唯一的吗?能否变一变?②有误差吗?为什么?能减少些误差吗?③器材是否合适?有好建议吗?④观察是否清楚?有好点子吗?

(3)在想像中找“问题”。例如,生活中处处存在着摩擦力、大气压强和重力,如果有一天摩擦力、大气压强和重力突然消失了,我们的生活将出现怎样的景象?对于理想的模型、条件和实验,如果失去了“理想”,又将如何呢?在每次实验之前,可以先让学生想一想:将会出现怎样的实验现象呢?和预想的会有差异吗?等等。

二、设计性实验活动

【案例4】测定细沙的摩擦因数

现有一堆细沙,请你设计出尽量简单的方案,并动手测定其摩擦因数,可用的实验器材有直尺与量角器,要求写出实验原理、实验步骤以及实验结果。

实验名称测定细沙的摩擦因素、实验原理、实验器材、实验步骤、实验结果、小组成员。

备注:

(1)细沙由教师统一提供。

(2)实验原理正确。

(3)方案设计以巧妙为优。

【案例5】测量教学楼的高度

要求:

(1)运用物理原理测量教学楼的高度。

(2)禁止任何有危及人身安全的方案。

(3)提供的方案越简单、越巧妙、数量越多越好。

测量方案由各班群策群力构思准备,并选派几名同学,根据集体设计的方案进行现场操作测量,所有相关器材请自行筹备。

注意:

①精确度是指测量值与参考数据对比而言,只要相差小于5%,都给予满分,相差过大酌情扣分。

②创新性是指方案的巧妙、设计的精巧,可以通过对比各班各种方案后再综合给分。

③操作方法的分数评定主要考核测量时方法操作是否得当以及测量中的规范性。

【案例6】“牙签大厦”牙签搭高

活动规则:

(1)用牙签(数量不限)和橡皮泥(1盒)为材料,进行搭高比赛,以高者为胜。

(2)对结构逐次增加高度,直到增高失败为止,以增高失败前最大负载为测试成绩。

(3)牙签的竖立时间不得少于5s。

(4)牙签倾倒在地,或牙签的竖立时间少于5s而倾倒在地,将从牙签最低。

设计性实验就是要打破现成的实验方案,在一些特定的要求和条件下自行设计新的实验方案和步骤,完成其实验要求。由于这种设计具有较大的灵活性,需要学生在牢固掌握基础知识和基本方法的前提下富有创造力,因此,以设计性实验为载体,是培养学生创造性思维能力的一条重要途径。

设计性实验活动往往只需给学生提出课题的任务和要求,而要完成这个课题的方案是多种多样的,这种实践活动需要充分发挥学生的想像力和合作精神,用所学过的知识来解决生活或学习中的实际问题,同时也是对学生创造潜能的一种测试。这类实践活动的关键是选好课题,课题可以是同学发现并提出来的,也可以是同学与教师共同讨论而产生的问题。

教师要善于挖掘教学内容中的问题。《物理课程标准》只给出了一个学习内容的下限,有些问题未做深入探究,但又在学生探索能力范围内。

【案例7】在学习了闭合电路欧姆定律以后就可编制如下一道实验设计训练题:①利用电学实验中常用的仪器和仪表,可能有哪几种测最电池电动势和内电阻的方法?试画出实验电路,并说明其测量的原理和方法。②如果再补充些仪器(如电势差计),你还有其他方法吗?③在这些方法中,哪些是比较合理的?哪些是比较精确的?哪些方法需要附加条件?④试就你所想到的各种方法,作一归纳总结,从中能得到测量电动势和内电阻的一般规律吗?学生通过广泛联系和运用所学的知识和方法,集思广益,可以提出近十种可能的实验方案,其中一些不乏闪烁着创造性思维的火花。对此,教师可以再组织学生讨论、辨析,对合理的加以肯定,对不恰当的指出问题所在,对无法完成的方案阐明其原因。各种方案在一一论证以后,只要条件许可,都可组织学生自己动手操作,进行实际测量。

【案例8】提供一定容积并盛满清水的塑料“可乐瓶”一个(瓶底有一小孔)、细线一根、米尺一把、小砝码一只和用来盛水的桶一个。试估测水从瓶底的小孔连续流出的平均流量,并进行测量的误差分析。此例是1997年浙江省中学生物理竞赛实验试题。从题意来看,水的平均流量Q=水的总体积V/水流尽的时间t。从提供的条件来看,其中水的体积可从瓶壁贴的标签上直接观察得到(这里考查的是学生的观察能力)。最困难的问题还在于,如何测量水流尽所用的时间。要想突破这个难点,需要从实验方法上寻找解决办法:用题目提供的细线与砝码组装成一单摆,用它作为一个间接的计时仪器替代秒表。它的摆长L可由米尺测出,周期可由公式T=2πLg算出,只要以此作为“参照量”数出水流尽过程中单摆全振动的次数N,即可测得时间t=NT。显然,该例运用的是物理实验中典型的替代法,即用已知的标准量去代替未知的待测量,以保持状态和效果相同为判断依据,从而求出待测量。

【案例9】试用一根卷尺估测一堆沙粒间的动摩擦因数

如果说上述实验的设计还是“有法可依”的话,那么本题的设计可谓是“无法无天”,因为卷尺测得的长度与沙粒问的动摩擦因数似乎是风马牛不相及的两码事。

但是,我们可以这样来思考,要测定沙粒间的动摩擦因数,必须让沙粒间发生相对运动;再联想到力学中一个常见的斜面模型,如下图(a):逐渐增大斜面倾角θ,使木块在斜面上将要发生相对滑动。

受这一原型的启发,我们可将题目的这堆沙从高处慢慢漏下,在地面上形成一圆锥体,并不断增高以至高得不能再高,即表面沙粒将要开始滑动,如下图(b),此时的沙堆就构成了一“蠢蠢欲动”的斜面。隔离出其表面的任一颗沙粒,就相当于斜面上的一木块。这样一来,通过θ这个中间变量,即可把动摩擦因数的测量转化为可用卷尺测量的长度(圆锥的高h和周长t)。

在物理实验中,将不易直接测量的物理量转化为另一种易观测的物理量进行测量的方法,称为转换法。本例运用的正是这种转换法。

在设计性实践活动中,实验方法起着关键的作用,而求异思维则为实验方法的选择开拓了思考的不同途径。当然,科学求异绝不是胡思乱想,它来源于扎实的知识基础和敏捷的思维能力,既要敢于想,又要善于想,才能充分发挥实验方法的长处,以较高的效率、简明的方法解决面临的新问题。

【案例10】在用打点计时器做验证牛顿第二定律的实验时,如果用砝码盘和砝码代替沙桶和沙,如给定四个质量均为m的小砝码,已测出砝码盘的质量M=2m,小车的质量M=4m,假定小车与木板间的摩擦已被平衡且其他所需的器材不变。为了较准确地验证牛顿第二定律,该如何设计并完成这个实验?

【案例11】高中物理在讲平抛运动的特点和规律时,原有的实验仪器的可视效果差,说服力不强,学生不易接受。比如,平抛运动是水平方向的匀速直线运动和竖直方向上的自由落体的合运动,这一点在过去教科书上的实验中很难体现出来。为了解决这个问题,最好的办法就是从改进演示仪器入手,让学生通过实验亲自观察和分析来解决。怎样体现平抛运动是水平方向的匀速直线运动和竖直方向的自由落体的合运动呢?

三、制作性实践活动示例

【案例12】人站在鸡蛋上

制作一个装置,该装置必须以鸡蛋为支撑物(鸡蛋的数目自行决定)。并且不得有其他辅助支撑物,人站在该装置上,若鸡蛋不破裂则实验成功,否则失败。

装置的制作方法举例:找两块方形泡沫塑料。在每块泡沫塑料的一个面上各挖4个(或多或少)凹坑,其大小和深度刚好能镶人鸡蛋的一部分。在其中一块泡沫塑料的凹坑内放上鸡蛋,再将两块泡沫塑料对扣即可制成。在装置表面涂上颜料,还可以使装置更美观。

【案例13】自制欹器

欹器是一种灌溉用的汲水罐器,它是由我国古代劳动人民在生产实践中创造的。欹器有一种奇妙的本领:未装水时略向前倾,待灌入少量水后,罐身就竖起来一些,而一旦灌满水时,罐子就会一下子倾覆过来,把水倒净,尔后又自动复原,等待再次灌水。你完全可以自制一个这种奇妙的欹器。

取一只塑料杯,设法找到空杯子的重心位置,在其水平面上方一点的杯壁上钻两个小孔,孔径与自行车辐条的直径等大,并且使两孔的连线稍稍偏离孔所在平面杯壁支线的圆心(尽管你对准同心钻孔,一般也总会产生1~2mm的偏差)。再取一段自行车的辐条,紧紧地插入杯壁的两个小孔中,作为容器的转轴。然后用铁丝做一个支架,把杯子的转轴架在支架顶端的凹槽内,欹器也就制成了。制好后,请灌水试试。想一想,在灌水的过程中,整个容器系统的重心是怎样变化的?为什么灌入一些水后,容器就会竖直一些?灌满水后,为什么容器又会一下子倾覆过来?水倒净后,容器为什么又会复原?请用平衡与不平衡的原理加以解释。这种翻斗式的容器有很广泛的用途,例如矿山的矿车,某些厕所里一种定时冲洗的翻斗,以及气象观测雨量计内的计量容器等,都是根据这种构思设计的。

【案例14】逆风行舟