試析巧用實驗簡化模型建構

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(重慶市銅梁中學校)

物理學是一門建立在實驗基礎上的學科。物理學的研究方法通常是在觀察和實驗的基礎上，對物理現象進行分析、概括和總結，從而建立物理定律，形成物理理論，再回到實驗中去接受檢驗。在高中物理教學過程中，為了形象地展示物理概念、規律和定理的形成過程，幫助學生更加容易理解、掌握相關知識，巧用實驗教學，簡化模型建構，可以降低學生的思維難度，解決一些較為復雜的物理問題。下面筆者結合平時的教學實踐，將探討如何利用實驗來幫助學生簡化建構物理模型。

一、物理實驗的界定

物理實驗按照不同的分類方法和研究視角以及指標體系可以分為不同的類型。本文主要介紹演示實驗、探究實驗、數字化實驗和生活化實驗。演示實驗是指教師利用課堂時間為學生演示，在操作的同時又引導學生對實驗進行觀察、思考和分析的一種實驗教學方式。探究實驗是指在教師的指導下，學生應用已學知識，自己設計實驗，或者在教師的指導下通過實驗來探索物理規律，從而獲得新知識。數字化實驗是指基于計算機技術和傳感器技術、數學建模技術來測量或者建立數字模型，更加準確地反映實驗現象和數據變化的實驗。例如，DIS Lab實驗、VRML虛擬現實實驗、MATLAB計算機可視化實驗、3D數字建模及打印類實驗等。生活化實驗是指將生活中的實際現象拿到課堂上作為實驗展現，展示相關的物理知識。例如，“水流星研究圓周運動”。

二、物理實驗教學策略與實踐應用

1.巧用演示實驗，創設情境沖突。興趣是學生最好的老師，在教學中如果創設較好的情境，并且具有較強的情境沖突，那么必將引起學生的興趣，極大的調動學生的積極性，提高課堂教學效率。例如，筆者曾設計了一個關于動量守恒方面的演示實驗。實驗的情境是“在天黑路滑(冰面)時，前面一輛車突然熄火，后面的一輛車跟車距離很近，來不及剎車，此時將會發生什么事情呢？”學生異口同聲回答，“兩個車撞在一起了”。這時做一個演示實驗：把一輛紅色和一輛藍色的小車放在光滑的導軌上，紅車靜止，給藍車一定速度去撞紅車(兩輛小車相撞端固定有磁鐵)。結果，出乎意料，藍車馬上停了下來，紅車卻運動了起來。學生會感到很神奇，注意力也將高度集中。實際上這是動量守恒中的碰撞模型，“質量相等，速度交換”的情形。通過這樣的創新演示實驗，學生建構模型更加容易，且記憶深刻。

2.巧用探究實驗，降低思維轉換難度。高中物理不僅需要研究物理概念和物理規律，而且還需要將實際問題轉化為物理模型，在這個過程中，就需要從形象思維轉化為抽象思維。而這一過程對于一些同學來說比較困難，若在轉換思維的這一規程中，能夠引入實驗，并且讓學生自己進行探究，可以降低學生的思維轉換的難度。例如，2017年的全國課標2卷第21題，若直接進行理論講解，不少學生反映難度較大。若采用實驗探究的方式進行講解，學生理解起來更容易。

3.巧用數字化實驗，簡化建模過程。不少同學感覺高中物理學習起來困難，特別是對于高中的一些物理模型或者物理規律理解起來較為困難。例如，學生在學習電場部分時，對于電場線、等勢面等概念，對于等量異種電荷、等量同種電荷等電場的經典模型學習困難。若在研究這部分內容時引入3D動畫模擬展示電場線的空間分布情況，可以大大降低學生建模的思維難度。用傳感器和計算機模擬安培力與電流大小或者導線長度的線性關系，幫助學生加深理解公式、規律。

4.巧用生活化實驗，提升核心素養。高中物理歷來重視從“生活走向物理”，很多生活中的物理實驗不僅趣味性強，操作簡易，而且效果明顯。例如，在研究圓周運動這部分內容時，教師可以引導學生進行探究活動，可以利用細線、小球制作“圓錐擺模型”“繩模型”；利用彈簧、金屬棒、小球等制作“桿模型”等。學生通過這樣的生活化實驗，對于圓周運動的各類物理模型以及其適用條件將會理解更加深刻。不但提高了學生的實踐動手操作能力，并且還有利于學生的“科學思維”和“科學探究”等物理核心素養的培養與提升。

實驗教學是高中物理教學的重要組成部分，多次實踐表明，恰當、適時的引入演示實驗、探究實驗，利用好現代教育技術手段，并整合傳統實驗、生活化實驗，進而對一些教材上的實驗或者物理問題進行創新實驗設計，不僅可以幫助學生簡化物理建模過程，更加深刻理解物理規律，而且還將大大降低學生的思維難度，提高課堂教學效率，并提升學生的物理核心素養。