低成本实验理念在物理教学中的实践应用

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  物理实验的教学在高中物理教学中占有特别重要的地位.让学生用所学知识去解决身边的问题能激发学生学习的兴趣.学生身边的许多小物品都可以引入教学,成为学生学习的资源和构建物理知识的素材,低成本实验的理念应运而生.
  一、低成本实验的理念
  低成本实验属于“非常规”的物理实验,其目的是使实验教学“经济最小化、价值最大化”,即“成本低而智慧不低、成本低而技术不低、成本低而价值不低”.从现实的教学情况来看,中学教师教学时间投入多,教学负担重,教学压力大.加上学校实验设备不足和教师准备实验需要花费大量精力,所以真正带学生进入到实验室引导他们进行探究的并不多.而低成本实验具有的取材方便、制作简便、启发思维和培养能力等特点,恰好符合实验教学的需求.利用生活中的廉价材料做实验不仅可以节省成本,同时也可以创新物理实验资源,培养学生的动手操作能力.
  二、物理实验教学中存在的问题
  从中国知网查阅到的教学设计案例和现场观摩的课堂教学情况看,实验设计中普遍存在以下问题:实验目的不明,没有找出实验中存在的变量因素;假探究,没有有效使用控制变量法探究实验中的主要变量;脱离学生生活实际,为实验而实验;因准备无效的实验花费了大量的人力物力,造成不必要的浪费;假合作,仅仅通过对实验进行观察就得出结论,没有进行小组合作或分组辩论.
  三、低成本实验理念下的实验设计
  下面以高中《物理》课本(人教版必修Ι)第二章第5节“自由落体运动”中“探究影响物体下落快慢因素”教学环节为例设计探究性实验.
  本实验的目的是探究出空气阻力是影响物体下落快慢的主要因素,从而把“自由落体运动”这个概念从一般的“落体运动”中抽离出来,让学生了解自由落体运动的含义和条件.
  其次,实验素材要尽可能是学生熟悉的物品,且在学生身旁容易找到.根据低成本实验设计理念,笔者经过探索,发现本实验的器材只要一本学生的笔记本就可以了.课前,安排学生找到一本比较厚的笔记本,让学生从笔记本中整齐撕下两张同样大小的纸,并将其中一张纸揉成尽可能小的纸团,留待课堂上使用.
  再次,实验设计要严谨科学,实验过程操作方便.影响物体下落快慢的因素可能有物体质量、物体形状、下落高度、释放的初速度等.因此,影响到实验结果的因素很多,需要用控制变量法来排除非相关因素.
  设计1:一本笔记本,其中的一张纸.指导学生把笔记本和一张纸水平放在同一高度,同时从静止释放.另一名学生观察两物体下落的先后,记录实验现象.
  设计2:一本笔记本,一个纸团.指导学生把笔记本和纸团水平放在相同高度,同时由静止释放.另一名学生观察两物体下落的先后,记录实验现象.
  在实验中,通过“水平放在同一高度,同时从静止释放”的要求,控制了“下落高度、释放的初速度”两个变量,减少了实验影响的因素.设计1的实验现象是笔记本先下落,设计2的现象是笔记本和纸团同时下落.根据生活经验,笔记本质量大,纸团质量小,理应笔记本先下落.但两者几乎同时下落,就排除了“物体质量”是影响因素的可能.结合设计1的实验现象,可以得到结论:物体形状可能是影响物体下落快慢的主要因素.
  设计3:一张纸,一个纸团.指导学生把纸和纸团水平放在相同高度,同时由静止释放.另一名学生观察两物体下落的先后,记录实验现象.
  纸和纸团的质量相同,控制了“质量”这一变量.实验现象是纸团下落得快,从而验证了“物体形状是影响物体下落快慢的主要因素”的结论.
  设计4:教师解释空气阻力受物体形状影响的相关知识,让学生认识到以上现象的本质是“空气阻力”在影响物体的下落快慢.在学生的之前知识中,没有“空气阻力”这一物理学的标准概念,更没有流体力学的相關知识,所以“物体形状”和“空气阻力”的相关性只能由教师作陈述性的介绍.科学的价值在于求真,不能让学生通过预习或者有一定暗示的假探究来得出“空气阻力是影响物体下落快慢的主要因素”的真结论.
  四、低成本实验设计的反思
  生活空间就是一个活的实验室,只要师生用心挖掘,低成本物理实验的实验素材随处可见.低成本物理实验制作简单、取材方便、成本低廉、贴近教学、易于推广,只要善于挖掘其教学功能,它就会让中学物理教学更加精彩.
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