在教师的引导下,学生通过相互讨论,自己建立假说。
教师:同学们可能非常肯定地立即作出判断,但你可以根据已有的知识和经验,大胆地进行假设。
学生1:两个电阻并联后,总电阻R总可能小于任一个分电阻,即R总<R2。因为两个导体并联,相当于导体的横截面积变大。根据电阻定律可知,导体的横截面积越大,电阻越小。
学生2:两个电阻并联后其总电阻减小。因为家里的用电器都是并联的,同时使用两个用电器时,电能表走得快些,这表明两个用电器并联后,电路的总电流变大了。因为电路的总电压不变,电流变大则表明电路的总电阻变小了。
3.检验假说。
教师对学生的猜测进行评价,并对学生的探究方向进行引导。
教师:大家的猜测都有一定的道理,但缺乏足够的证据。我们需要更充分的理由和更可靠的证据,同时也希望得到更精确的结论。如果我们能够推导出并联电路总电阻与两个分电阻间的关系式,这个问题就迎刃而解了。
在教师的引导下,学生进行了如下的推导,根据电阻的定义,得
R并=UI1+I2
=1I1U+I2U
=11R1+1R2
=R1R2R1+R2
4.得出结论。
教师:利用我们所推导出的关系式,怎样比较R并与R1、R2之间的大小关系?
学生:由上述关系式可得:
R并=R1R2R1+R2
=R1(R2R1+R2)<R1
同理可得:R并=R1R2R1+R2
=R2(R1R1+R2)<R2
点评:上述过程虽然没有实验设计和实验检验等环节,但学生同样经历了提出问题、建立假说、检验假说、得到结论等过程,在学习过程中,学生始终处于自主探究和积极思考之中,这样的学习也属于探究式学习的范畴。若上述设计,在得到并联公式后,让学生通过实验验证结论是否成立,并用结论解释前面学生所作的假设的证据为什么不足,可能效果更好。
四、原子核式结构的探究教学
1.教材浅析。
高中物理教科书在关于“原子核式结构”一节中,主要讲述卢瑟福提出原子核式结构的过程,对“粒子散射”实验的目的、实验装置、实验条件、结果分析、结论都作了有条理性的介绍。在教学中,教师通常会按照教科书中传统模式,简单地对教科书的内容进行重述,有条件的学校会采用计算机辅助教学课件来演示“粒子散射”实验,以达到直观、形象的目的。即便如此,也很难提起学生的兴趣,因为学生只能机械、被动地接受知识的灌输,缺少思考的余地和想像的空间,对于物理思维和学习方法的养成一无所获,在科学精神、科学态度、科学观方面也感受不深。要改变这种传统的教学模式,必须创造性地对教科书进行拓展和重组,充分利用好这一节课,对学生进行物理科学方法教育。
2.教学设想。
首先,在指导思想方面,要重塑科学历史的背景,指出科学发现的历程,领会研究科学的一般的方法,强调科学探索的曲折。以汤姆生发现电子原子结构猜想(枣糕模型)及其成功之处汤姆生的学生(卢瑟福)用实验验证其猜想发现出乎意料结果出现矛盾推翻旧的猜想建立新的理论(核式结构)等系列曲折的科学历程为主线,渗透科学方法的教育,让学生明白一个新的科学发现一般要经过初期的猜想、实验证明、发现新的矛盾、提出新的观点、再用实验验证等一系列漫长艰苦的过程。这是人类科学文明发展的一个缩影,理论和实验的矛盾是物理科学发展的动力源泉之一。在教学中应做到绘声绘色,让学生仿佛置身于无穷的物理世界中,接受一种无形的熏陶。
在构思上,要打破完全依照教科书的内容一步到位的灌输方式,要按照当时人们对原子结构的认识水平,介绍当时科学界的几种理论模型,围绕“粒子散射”实验,结合生活经验,利用电脑创设一个“黑箱探究”的实验情境,并给出一系列可能的实验结果,充分地发挥学生的想像力和思维,让学生尽可能多地提出各种可能的结构模式,并让学生自主地分析各种可能模式的理由及其不合理性,最终得出最合理的结果。下面谈谈如何实现以上的思想观点。
3.黑箱探究。
(1)引入。先用课件设计一个“黑箱探究”的情境:“有一团云雾,看不见、摸不着、无色无味,如何探知其内部的结构?”让学生讨论,要求学生提出探究其内部结构的方法。然后提出一种间接的探究方法:用运动的颗粒射向云雾,通过粒子进入云雾内部后出射时各种可能的情况,推测其内部的结构。
(2)观察、猜想与判断。演示粒子进出“黑箱”的各种变化情况,要求学生对观察到的结果进行猜测并说出其理由,最后,分析、比较各种猜测,判断哪种最合理。
①粒子直接穿透黑箱,运动轨迹基本不变。学生可能猜测如下表的结果:
可能的情况理由哪种猜测更合理、真空或空气粒子没有受到力的作用、棉花团粒子受到的作用力接近零、网状物质粒子穿过网孔、其他可能。
②粒子被“黑箱”吸收了。学生可能猜测如下表的结果:
可能的情况理由哪种猜测更合理、黑洞黑洞对粒子有很强的引力、一块磁体磁体对小球有吸引力、一堆电荷黑箱电荷与小球异电性相吸、其他可能。
③粒子在“黑箱”处反弹。学生可能猜测如下表的结果:
可能的情况理由哪种猜测更合理、弹性板像压缩的弹簧那样会把小球弹回、硬钢板粒子碰到钢板被反弹回来、一堆电荷黑箱内电荷与小球同电性相斥、其他可能。
④只有中间的粒子通过,上下粒子被吸收。学生可能猜测如下表的结果:
可能的情况理由哪种猜测更合理、上下硬物、中间管道粒子只在管道中穿过、圆环钢板空心处通过、其他可能。
⑤大部分粒子按原来方向前进,少数发生大角度偏转,个别反弹。学生可能猜测如下表的结果:
可能的情况理由哪种猜测更合理、中间有质量大、体积小的物体越靠近中问的粒子越难通过、中间有强硬度的物体中间部分粒子难通过、中间有体积小、电量大的电荷四周粒子基本不受影响,靠近中间的粒子受到强大排斥力的作用,而正对的粒子会发生反射、其他可能。
4.教材内容展示。
在“黑箱探究”的基础上,介绍“粒子散射实验,并指出在物理科学史上也有类似的问题(原子核的结构猜测),科学家采用类似的方法(α粒子散射实验)得到一个出乎意料的重大结果(以下用计算机辅助教学动画模拟α粒子散射实验并分步介绍)。
目的:汤姆生发现电子后对原子结构作了猜想(分析枣糕模型与上述猜想的哪种情况相类似),卢瑟福想用实验验证其猜想。
方法:介绍α粒子散射实验装置、仪器的作用(如何观察α粒子的偏折情况)。
预期实验结果:α粒子基本按原来的方向运动,几乎没有偏折。
实验结果:观看动画(绝大多数α粒子穿过金属箔后仍沿原来的方向前进,但有少数α粒子发生了较大的偏转),与枣糕模型的设想矛盾。
分析:总结现象,结合引入新课时的猜测,从电子的影响、库仑力的作用、正电荷和质量的集中分布等因素来分析这种实验结果的原因,并指出这种情况与前面猜测的哪种情况类似。
结论:新的原子结构模式——原子核式结构。
解释:用原子核式结构来解释α粒子散射实验中观察到的现象。
5.小结。
(1)指出卢瑟福“粒子散射”实验的科学历程:提出猜想→实验验证→实验结果与猜想出现矛盾→推翻旧的猜想→建立新的猜想→解释实验现象→进一步的实验验证。
(2)让学生谈谈上完这一节课后的一些思考,包括对科学的态度、对科学研究方法的一些认识和感受,并引导学生将卢瑟福原子核式结构模型和天体结构相类比,激发其进一步学习的热情。
这样的处理达到了以教科书的知识为纲,为学生提供了一个全新的探究情境,对学生的思维产生了很大的冲击,给了学生主动思考问题、自主分析的空间,既锻炼了分析问题的能力,又让学生对原子核式结构有了深刻的认识,同时又了解了历史,感受了科学的方法,从而将知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观融入同一教学过程之中。
单纯地进行知识的传授并不是教育最重要的部分,而以知识为载体,激发学生对科学的兴趣,让学生了解科学的历史,培养学生科学探究的精神、严谨的科学态度,才是一种真正的科学教育。
信息技术的介入,无疑将改变传统物理课堂教学中基本靠教师口授、板书、演示的局面,它既能为全体学生的充分感知创造条件,也可以重新组织情境、突出事物的本质特征,促进学生对重点和难点知识的理解。由于物理学作为一门以实验为基础的学科,真正的实验具有客观真实性,对学生起直接的启发引导作用,因此在将多媒体应用于物理实验时,要考虑到计算机的辅助功能,突出它在常规教学无法达到理想效果时的特殊功效,千万不能用多媒体来代替学生实验。同时,在将信息技术应用于物理实验教学时,不能仅仅停留在“仿真实验”和使用以信息技术为主的演示型教学模式上,而要充分利用多媒体的特殊性,在实验思想上下工夫,突出实验的设计思想,为学生探究物理提供服务。
( 第五节 )探究式教学的注意要点
初中物理实验课程的试验表明,探究式教学进入课堂正改变着教师的教学方式和学生的学习方式。在此试验过程中,既积累了不少好的经验,也出现了许多问题和困惑。例如,由于课堂探究活动的增加,教师负担加重,教学任务难以完成;课堂表面看起来轰轰烈烈,但学生似乎什么也没学到:在探究中,能力较强的学生收获颇多,能力较弱的学生稀里糊涂,两极分化严重;由于对探究教学的误解,在探究教学中存在着表面化、僵硬化、形式化、教条化等一些不可忽视的问题。