“可视化”理念下的物理实验教学——以“阿基米德原理”为例.pdf

物理版 年 月 日 第 期 .“可视化”理念下的物理实验教学 以“阿基米德原理”为例蔡雅婷(厦门市集美区灌口中学 福建 厦门)摘 要:以“阿基米德原理”的教学为案例研究如何在物理探究实验教学中通过创新设计自制物理实验仪器和实验探究环节以提升物理实验现象和物理思维的“可视化”培养学生科学思维与科学探究的能力达成物理学科核心素养的培育目标.关键词:可视化阿基米德原理实验改进实验教学作者简介:蔡雅婷()女福建漳州人本科中学二级教师研究方向:中学物理实验教学研究.义务教育物理课程标准(年版)提出的学科核心素养强调了物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任的培养.学生对物理规律的学习需要经历具象化的探究过程直指物理规律和物理思维的本质.借助可视化的理念与手段进行有深度且直观的科学探究可促进学生学科核心素养的提升.“阿基米德原理”是沪科版初中物理八年级全一册第九章第 节的内容是学习浮力概念以及浮力大小的影响因素之后的进一步探究也是掌握物体沉浮条件的必要知识基础.下面简述教材中验证阿基米德原理的实验过程并分析影响实验效果的因素最后基于可视化理念对实验的探究环节和实验仪器进行改进.教材中实验设计的分析浮力作为初中教学的重难点知识之一对学生的抽象思维和逻辑推理有较高的要求.关于阿基米德原理的学习不同版本的教材处理方式却不尽相同.沪科版教材通过举例引导学生思考浮力的影响因素有哪些进而进行探究实验最后讲解阿基米德原理.在阿基米德原理这节课中设计了“浮力的大小与哪些因素有关”与“探究浮力的大小”两个探究实验.实验示例 图 是“浮力的大小与哪些因素有关”实验的装置.该实验是通过观察实验现象进行定性判断浮力大小与液体的密度、物体排开液体的体积有关与浸没在液体中的深度无关.该实验存在以下不足:第一实验中浮力大小与液体的密度有关的结论的得出是通过向水中加盐使液体的密度增大再观察到原本沉底的鸡蛋变为上浮从而间接得到液体的密度增大物体受到的浮力增大.这样的实验设计不能让学生直观地观察浮力变大反而需要用到后面第三节“物体的浮与沉”的知识才能理解对学生来说存在思维障碍.第二“物体排开液体的体积”这个概念对于学生来说难以理解主要是因为在教材的实验中学生只能看到物体浸入水中的同时水面上升并不能直观地观察到物体排开水的体积需要学生运用“物体浸入水的体积”等于“物体排开水的体积”的逻辑进行判断导致实验效果不佳.实验示例“探究浮力的大小”实验的装置如图 所示该实验是通过称重法定量测量出浮力大小等于物体排开液体的重力从而得到阿基米德原理.该实验存在以下不足:第一教材给出的测量步骤共四步:测量物体的重力测量小桶的重力记录物体浸在水中时弹簧的读数并收集溢出的水测小桶和水的总重.要得出实验结论还需要三步:计算物体受到的浮力计算被排出液体的重力比较物体的浮力与排出液体所受重力的关系.整个探究过程超出了学生的认知负荷.为 年 月 日 第 期物理版:/.了减小实验误差实验操作步骤的顺序也有要求整个实验过程较为繁琐.第二实验室中使用的弹簧测力计的分度值通常是.选择进行实验的物体体积都不会很大物体浸没受到的浮力较小因弹簧测力计的读数偏差就会导致 浮与 排不等的情况.第三教材的设计是先通过“浮力的大小与哪些因素有关”的实验探究得到浮力大小与液体密度及排开液体的体积有关的结论从而提出浮力大小与排开液体所受的重力关系的猜想这样的衔接略显突兀.实验仪器改进著名科学方法论学者波普尔认为:正是问题激发我们去学习去发展知识去实践去观察.所以针对以上分析实验的不足结合“可视化”理念自制溢水杯和实验探究装置.溢水杯实验室中的溢水杯如图()所示由于溢水杯的出水口较小而且有一个 的弯管加上液体表面张力的影响在探究实验过程中经常会出现溢水杯出水不顺畅、物体已经浸入液体但是溢水杯的出水口还没有液体排出的情况.还有出水口也会有液体残留导致一定的误差.基于以上的问题不少教师通过自制溢水杯来进行优化最常见的自制方式是通过在矿泉水瓶的侧壁接一个开口较大的吸管如图()所示.这样的设计可以使溢水杯出水更加顺畅但是也存在出水口会有液体残留同时这样的设计会让学生产生溢水杯的出水口只能设计在侧壁上的思维定势.基于以上问题的分析设计从底部出水的自制溢水杯如图()所示.将吸管穿过矿泉水瓶的底部调整吸管的高度不超过矿泉水瓶的开口再用热熔胶进行固定密封.向自制的溢水杯中倒入液体当液面超过吸管的上端开口时液体将会从吸管排出这样自制溢水杯就调整好了当物体一浸入液体中吸管的下端就能马上收集到被排开的液体.实验探究装置改进的实验探究装置如图 所示将自制的溢水杯放在升降台上桌面上放一个空杯.在铁架台上固定一白板以及一个横杆横杆上挂一个带指针和挂钩的弹簧相当于一个没有刻度盘的弹簧测力计.在弹簧的挂钩下挂一个空杯空杯下再挂一个物体调整横杆的位置使物体在溢水杯的上方.缓慢转动升降台提升溢水杯当物块开始浸入液体的同时溢水杯下方的空杯将承接到被排开的液体.“可视化”理念下阿基米德原理实验教学设计 猜想:浮力大小与哪些因素有关设置学生活动如图()所示将空易拉罐缓慢压入装满水的大烧杯中.学生可以直观地感受到空易拉罐压入水中越多手上感受到水的“阻力”就越大这个“阻力”就是水对易拉罐向上托的浮力.学生直接观察到随着空易拉罐排出去的水越多通过易拉罐传递到手上水的“阻力”就越大从而猜想浮力的大小有可能与物体排开液体的体积有关也使学生对“物体排开液体的体积”这个物理量有直观的了解实现对陌生物理量的可视化.对比鸡蛋在清水中的状态和加盐后鸡蛋的状态如图()所示从而得出浮力大小可能与液体的密度有关的猜想.通过向学生展示浮力大小与液体密度及物体排开液体的体积的思维导图如图 所示用密度的变物理版 年 月 日 第 期 .形公式 排 液排将两个猜想的影响因素整合成一个 排提出探究问题:浮力大小与排开液体所受重力的关系从而实现物理思维的可视化.实验探究:阿基米德原理如图()所示将空桶与物块依次挂在弹簧下用绿色贴纸在白板上记录此时弹簧指针的位置绿色贴纸的位置可以表示空桶与物块的总重力.然后缓慢转动升降台提升溢水杯物块开始浸入液体时弹簧的长度开始缩短同时溢水杯下方的空杯承接到被排开的液体.等到物块完全浸没在水中用橙色贴纸在白板上记录此时弹簧指针的位置如图()所示.弹簧指针从绿色贴纸到橙色贴纸的缩短量可以表示物块所受的浮力.最后将杯子收集到的被排开的液体倒入弹簧挂钩下方的空桶里弹簧再次伸长弹簧指针又回到绿色贴纸的位置如图()所示.弹簧指针从橙色贴纸到绿色贴纸的伸长量可以表示物块排开液体的重力.通过上面的实验操作可知探究过程中弹簧的缩短量等于弹簧的伸长量所以物块所受的浮力等于物块排开液体的重力从而快速验证了阿基米德原理如图 所示从而实现物理实验现象以及物理思维的可视化.实验改进的优点第一自制从底部出水的溢水杯可以有效减小由于出水不顺畅及出水口有液体残留所导致的误差.同时也可以突破学生认为溢水杯的出水口只能设计在侧壁上的思维定势.第二改进的实验装置使用固定白板以及带指针和挂钩的弹簧来测量相对于有刻度盘的弹簧测力计来说这样的实验装置设计不需要进行读数只需要用贴纸记录指针的位置可以有效减小因弹簧测力计读数的估读所引起的误差有利于培养学生的批判性思维.第三教材实验中需要测量 次数据测量数据较多而且要求学生使用称重法等来处理数据学生容易混淆实验数据导致乱用数据.改进后的实验装置实验操作只有三步只需标记两次弹簧指针的位置大大降低了学生实验操作和推理的难度.第四在物块排开液体体积的理解、物块所受浮力大小与什么因素有关的猜想以及物块所受浮力大小等于物块排开液体的重力大小的验证等重要环节均采用“可视化”理念的教学手段来突破本节实验的难点从而提高本节实验教学的效果.总结物理实验在新课程实施中占有重要地位对提高学生的科学素养起着关键作用.要提高实验教学的效果关键在于将原本复杂繁琐的实验设计优化设计成简单易懂的实验还有应自制合适的实验装置提高物理实验现象和物理思维的可视化程度.实验教学的设计还应遵循学生的认知发展规律从而发挥物理实验提高学生的学科核心素养的关键作用.参考文献:陈素平王小梅蔡庆龙等.对 岁儿童的浮力前概念的探查报告.教育科学研究():.义务教育物理课程标准试验教科书编写组.物理(八年级).上海:上海技术出版社.邢红军.初中物理高端备课.北京:中国科学技术出版社:.黄贵.问题驱动教学法初探.江西教育科研():.闫金铎郭玉英.中学物理课程教学概论.北京:高等教育出版社.李旭斌.基于核心素养的物理实验探究教学实践 以“探究浮力大小跟哪些因素有关”为例.中学物理():.(收稿日期:)