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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(guò)程設(shè)計(jì)”蔡千斌
試論物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的“過(guò)程設(shè)計(jì)”
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(guò)程設(shè)計(jì)”
首先，“過(guò)程設(shè)計(jì)”就是一種教學(xué)設(shè)計(jì)．其次，它更為強(qiáng)調(diào)的是重視過(guò)程的教學(xué)，詳細(xì)地說(shuō)，物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的“過(guò)程設(shè)計(jì)”就是指在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中教師設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的情境或系列的問(wèn)題，使學(xué)生經(jīng)歷問(wèn)題的探索過(guò)程，重蹈科學(xué)家關(guān)鍵的設(shè)計(jì)步驟，體悟?qū)嶒?yàn)的設(shè)計(jì)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(jì)．
二、物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中為什么要進(jìn)行“過(guò)程設(shè)計(jì)”
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(shí)對(duì)這一“成型實(shí)驗(yàn)”的設(shè)計(jì)未作鋪墊，學(xué)生并不清楚科學(xué)家設(shè)計(jì)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(jiǎn)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(shí)間？他真是太笨了！”可見(jiàn)，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(jì)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(jì)的．別人為什么沒(méi)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(guò)程中，讓學(xué)生適時(shí)地經(jīng)歷從實(shí)驗(yàn)的初始設(shè)計(jì)到逐步完善的思維過(guò)程，這樣，學(xué)生才能領(lǐng)略到實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(guò)程設(shè)計(jì)”，
三、物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中如何進(jìn)行“過(guò)程設(shè)計(jì)”
1．儀器使用的過(guò)程設(shè)計(jì)
儀器使用的傳統(tǒng)教學(xué)模式是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介——教師示范——學(xué)生模仿．教師先簡(jiǎn)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(shí)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(jì)并不可�。畠x器使用的“過(guò)程設(shè)計(jì)”能較好地解決這一問(wèn)題．其設(shè)計(jì)模式如圖2所示．設(shè)計(jì)的線(xiàn)索是：(1)教學(xué)內(nèi)容；(2)過(guò)程設(shè)計(jì)，其中，過(guò)程設(shè)計(jì)又分為：①學(xué)生活動(dòng)；②過(guò)程小結(jié)，
案例：實(shí)驗(yàn)：使用多用電表測(cè)電阻．采用“儀器使用的過(guò)程設(shè)計(jì)”進(jìn)行教學(xué)時(shí)，教師不需強(qiáng)行灌輸多用電表的使用方法，學(xué)生在活動(dòng)中即能發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題、總結(jié)規(guī)律．其過(guò)程設(shè)計(jì)見(jiàn)后頁(yè)．
實(shí)踐表明，這種設(shè)計(jì)能使教師教得輕松，學(xué)生學(xué)得愉快，經(jīng)過(guò)動(dòng)手動(dòng)腦后獲得的知識(shí)，對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)，其印象也更為深刻．
2．成型實(shí)驗(yàn)的過(guò)程設(shè)計(jì)
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(lái)的一個(gè)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(guò)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(lái)，學(xué)生將無(wú)法感受到探索過(guò)程的艱難和探索過(guò)程的樂(lè)趣，理解起來(lái)也更為困難．
案例：用以下器材測(cè)量待測(cè)電阻見(jiàn)的阻值．待測(cè)電阻R阻值約為lOOR電源E，電動(dòng)勢(shì)約為6.OV，內(nèi)阻可忽略不計(jì)；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(dòng)變阻器R，最大阻值為10Q;單刀單擲開(kāi)關(guān)5，導(dǎo)線(xiàn)若干．
(1)測(cè)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(cè)量幾組數(shù)據(jù)，試畫(huà)出測(cè)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(cè)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(cè)量量計(jì)R，的表達(dá)式為Rx=________.
這是本校一道高三復(fù)習(xí)的測(cè)試題．它難倒了一大批學(xué)生．試題講評(píng)時(shí)，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?zhuān)Y(jié)果，很多數(shù)學(xué)生直呼：“太神奇了！”他們覺(jué)得自己是很難想出這種設(shè)計(jì)方案來(lái)的．究其原因，該設(shè)計(jì)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(jué)．如何解決這一問(wèn)題？“成型實(shí)驗(yàn)的過(guò)程設(shè)計(jì)”不失為一種好的方式，其操作模式如圖3所示．據(jù)此，過(guò)程設(shè)計(jì)如下．
第一步，構(gòu)畫(huà)原型，根據(jù)問(wèn)題情境，要測(cè)電阻Rx的阻值，明確實(shí)驗(yàn)的原型是伏安法測(cè)電阻的電路，題中“要求盡可能多測(cè)幾組數(shù)據(jù)”，可知滑動(dòng)變阻器的連接方式為“分壓式”接法，由此，構(gòu)畫(huà)出實(shí)驗(yàn)的原型電路，如圖4(a)、(b)所示
第二步，構(gòu)畫(huà)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)1．題中提供的是2個(gè)電流表而無(wú)電壓表．故需造一個(gè)電壓表．已知內(nèi)阻的電流表Ai串聯(lián)一個(gè)定值電阻Ro可當(dāng)電壓表用．如圖5所示，其中圖5中虛線(xiàn)框內(nèi)Ro、Ai的組合相當(dāng)于一個(gè)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(shí)，A2未達(dá)1/3滿(mǎn)偏．故此電路尚不符合題意.
第三步，構(gòu)畫(huà)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)2．設(shè)計(jì)依據(jù)：已知通過(guò)電流值的定值電阻也可當(dāng)電壓表用．設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)如圖6所示．其中，圖6中虛線(xiàn)框內(nèi)的風(fēng)就相當(dāng)于一個(gè)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(guò)程設(shè)計(jì)”分三步進(jìn)行教學(xué)，學(xué)生覺(jué)得根據(jù)這一方法自己也應(yīng)該會(huì)設(shè)計(jì)所要求解的電路，也并不覺(jué)得這樣的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)有什么高深之處．在這里，憑借一個(gè)實(shí)驗(yàn)原型，根據(jù)問(wèn)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(guò)這樣的設(shè)計(jì)過(guò)程，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)上就有思路可循，能輕松地掌握實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法．
3．實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析的過(guò)程設(shè)計(jì)
許多時(shí)候，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象非常精彩，可惜由于過(guò)程分析不得法，學(xué)生無(wú)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(lèi)遺憾的發(fā)生，教師應(yīng)做好實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析的過(guò)程設(shè)計(jì)．
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(xiàn)圈內(nèi)磁通量增加時(shí)，感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向與原磁場(chǎng)的方向相反，由表2知，(c)(d)中線(xiàn)圈內(nèi)磁通量減少時(shí)，感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向與原磁場(chǎng)的方向相同．結(jié)論：感應(yīng)電流的磁場(chǎng)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(huì)想到要引入“感應(yīng)電流的磁場(chǎng)”作為“中介”來(lái)表述，因而在表格中列入“感應(yīng)電流的磁場(chǎng)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(guò)程設(shè)計(jì)要以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，以問(wèn)題為主線(xiàn)，按一定的邏輯順序展開(kāi)，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(guò)程：沿著以下兩條線(xiàn)索（如圖9）層層展開(kāi)問(wèn)題的設(shè)計(jì)，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(shí)，鋁環(huán)向右擺，說(shuō)明磁鐵對(duì)鋁環(huán)有斥力，這個(gè)斥力應(yīng)是磁場(chǎng)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(wèn)題1：結(jié)合(a)、(b)圖，判斷鋁環(huán)中感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向及鋁環(huán)中產(chǎn)生的感應(yīng)電流方向．
問(wèn)題2：在圖(a)中標(biāo)出條形磁鐵的磁場(chǎng)方向、感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向、感應(yīng)電流的方向．(標(biāo)出后的結(jié)果如圖(c)所示）
問(wèn)題3：標(biāo)出條形磁鐵離開(kāi)鋁環(huán)，鋁環(huán)被吸引向左擺時(shí)，條形磁鐵的磁場(chǎng)方向、感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向、感應(yīng)電流的方向．(標(biāo)出后的結(jié)果如圖(d)所示）
問(wèn)題4：條形磁鐵靠近鋁環(huán)時(shí)，鋁環(huán)中感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向與條形磁鐵的磁場(chǎng)方向相反；而遠(yuǎn)離時(shí)，卻相同，這會(huì)引起鋁環(huán)中的磁通量發(fā)生怎樣的變化？
問(wèn)題5：如把條形磁鐵在鋁環(huán)中產(chǎn)生的磁通量稱(chēng)為原磁通量，則條形磁鐵靠近鋁環(huán)時(shí)，原磁通量增加，感應(yīng)電流的磁場(chǎng)是使原磁通量增加還是減少？條形磁鐵遠(yuǎn)離鋁環(huán)時(shí)，原磁通量減少，感應(yīng)電流的磁場(chǎng)是使原磁通量增加還是減少？這說(shuō)明，感應(yīng)電流的磁場(chǎng)對(duì)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(duì)引入“感應(yīng)電流的磁場(chǎng)”感到突然了，而會(huì)認(rèn)為這是理所當(dāng)然的事．
四、結(jié)語(yǔ)
開(kāi)展物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的“過(guò)程設(shè)計(jì)”，目的是讓學(xué)生充分經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)過(guò)程、現(xiàn)象的分析過(guò)程、儀器的使用過(guò)程，從而在質(zhì)疑問(wèn)難中、在對(duì)比分析中、在動(dòng)手動(dòng)腦中訓(xùn)練學(xué)生的設(shè)計(jì)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(guò)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)：
[1]人民教育出版社、課程教材研究所、物理課程教材研究開(kāi)發(fā)中心．高中物理選修3-2(第3版)[M].北京：人民教育出版社，2010：10.
[2]束炳如，何潤(rùn)偉．高中物理選修3--2教師用書(shū)（第1版）[M]，上海：上海科技教育出版社，2005:45—46．
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