“单件到积件”：中学物理演示实验改进创新思路与实践

摘 要：“单件到积件”中学物理演示实验改进思路是指根据一个基本演示实验装置，然后通过添加、减少某些器材，从而可以完成系列演示实验的思路，本文以窗帘导轨为例，提出“单件到积件”物理演示实验改进的七个策略及教学实践.

关键词：单件;积件;物理教学;演示实验;实验改进

文章编号：1008-4134（2020）07-0049中图分类号：G633.7文献标识码：B

基金项目：广东省教育科学规划课题“高中學生力学学习困难及教学对策研究”（项目编号：2012YQJK037）;广州市第三批市教育系统创新学术团队“中学物理演示实验改进创新及其在教学中的应用研究”（项目编号：1201630019）.

作者简介：余耿华（1976-），男，广东兴宁人，硕士，中学高级教师，研究方向：实验教学、迷思概念、实验改进.

1 问题的提出

实验是物理学的基石，也是学物理的基石，但当前演示实验教具也存在一些不足的地方， 大部分为单件教具.这类教具的功能单一，只适用于某些特定内容的特定现象的演示或特定规律的探究.这类教具具有不可重组性.教具一旦制作完成，一般是相对固定不可重组. 在实验改进创新过程中，本人尝试根据单一的实验器材通过不断添加或变换某些器材，从而可以完成一类或一个章节的许多实验，即“单件到积件”思路.

2 “单件到积件”实验改进思路

“单件到积件”物理演示实验改进思路： 是指根据一个基本演示实验装置，然后通过添加、减少某些器材，从而可以完成系列演示实验的思路.该思路由华南师范大学张军朋教授提出，并被中国专业学位教学案例中心收录.

本实验的单件是指：一根窗帘导轨（如图1）及两个薄圆强磁铁;积件是指然后通过添加、减少某些器材，可以完成六个运动类、碰撞类系列演示实验.

3 积件思路的优点

（1）吸收传统演示实验简单、方便、易操作、易于学生理解物理概念、规律的优点;

（2）这类教具的功能具有多样性和多维性，适用于一类现象的演示或单元教学一组现象的演示或规律的探究.

（3）这类教具具有可重组性，即组成教具的各个部件可以拆分、重组，以实现不同的演示;

（4）这样的积件教具正愈来愈受到重视并逐渐成为教具开发的发展方向.

4 “单件到积件”物理演示实验改进的策略及教学实践

4.1 策略一：创新实验，从“无”到“有”

案例：伽利略理想实验

4.1.1 伽利略理想实验的几种传统做法及优缺点

（1）最早做法是展示板画挂在黑板，老师讲解，缺乏实际真实实验;

（2）后来发展到采用课件Flash动画演示，优点是简单方便，老师只需要点一下鼠标通过电脑就可以演示，由于课件怎样制作都可以，缺乏真实性和说服力，学生的体验不强;

（3）人教版采用现代科技的频闪照片技术，以伽利略斜面实验的频闪照片说明.

从培养学生的核心素养角度来看，应该是能做实际物理实验的，教师应该尽可能做实验.但理想实验又只能在头脑中完成？ 因此笔者进行如下创新改进.

4.1.2 实验创新

实际实验可以培养学生实事求是的科学精神，领悟抓住主要矛盾、忽略次要矛盾的思想方法.

实验器材（如图2）： 窗帘导轨、强磁铁、铁球（304不锈钢，无磁性）.

4.1.3 改进后的实验教学片段

如何设计问题，从教“知识”向提升“思维”转变？ 依据2017年版新课程标准，提出物质观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任. 因此，如何在科学探究中提升学生的科学思维，并在教学过程中渗透科学精神、科学态度显得尤其重要.

（1）由于窗帘导轨很易弯曲，可以现场不断减小右边斜面的倾角.

（2）引导学生思考.师：为什么每次都是接近右边等高处？且若来回多运动几次，小球高度越来越低？为什么？ 学生：因为摩擦力作用.在这个过程中渗透理想化模型，即抓住主要矛盾、忽略次要矛盾的思想方法.

（3）进一步引导学生思考. 师：如果导轨倾角进一步减小会如何？学生回答：理想状态下，小球要到达右边等高处，小球所走的路程更远.

问题：如果倾角为零呢？ 学生归纳：小球将一直运动下去.

4.1.4 实验教学评价

（1）改进后的优点： 一是可以搬到黑板上，直观明了，课堂震撼，引起学生的情感投入和感性思维;二是由于窗帘导轨容易弯曲，导轨与小球间的摩擦力小，容易改变倾角，演示简单.

（2）在实验教学中，尽可能让学生参与，采用启发式、参与式、讨论式、探究式教学（启发、讨论 、引导），及时发现学生思维的闪光点.

4.2 策略二：创新实验，从“一物”到“多用”

创新实验：“机械能守恒定律”的演示实验.

4.3 策略三：改进实验，从“有”到“易”

“易”指易操作、易成功、易观察.

改进实验：探究物体的动能跟哪些因素有关？ 人教版初中八下第十一章第三节 （如图3）.

4.3.1 传统实验的优缺点

优点：简单、方便、直观; 缺点：水平放在讲台上，不易观察;没有导轨，小球容易走偏，小球撞击木块时容易撞飞.

4.3.2 实验改进

如图4，木块底端有铝包边，螺丝固定还能起到降低重心、增大稳度的作用.

4.3.3 改进后的教学片段

虽然是演示实验，一样可以让学生经历一次实验探究的过程（可以选取探究最关键的环节）.

提出问题：

师：这个实验的研究对象是铁球，运动的小铁球具有做功的本领，我们说小球具有动能，那么小铁球的动能与什么因素有关？

猜想和假设：

师：小铁球的动能可能与什么因素有关？

生：与质量、速度有关.

制订计划与设计实验：

师：如何研究动能与质量m和速度v的关系？

生：控制变量法——研究方法.

（1）探究v一定时，动能跟m定性关系; （2）探究m一定时， 动能跟v定性关系.

师：根据本实验装置，如何观察动能何时大或小？改变质量m时如何观察速度v何时大或小？

生1：动能大小可以看推动木块远和近.

生2：m大小可以用天平或铁球大小判断.

生3：速度v大小可用小球下落的高度h判断.

进行实验与收集数据：

（2）探究物体的速度一定时，动能跟物体质量定性关系.

师：如何做到质量不同的小球，到达底端速度相同？ 生：从同一高度下落.

师：真的吗？虽然两小球同一高度下落，但质量不同哦; 生：可能？…

师：怎么办？

生：速度传感器？测速仪？…

问题：质量不同的小球从同一高度下落，到达底端速度相同吗？

问题：如何保证同时释放小球？答：用尺挡住两小球，同时释放.

问题：如何观察两小球的速度相等？ 答：用手机慢镜头回放（如图5）.

（3）探究物体的速度一定时，动能跟物体质量定性关系

每一次将木块放在同一位置（如O点），分别用二个不同质量的小球从同一点（如A点）静止下落，记下木块最后停下的位置，如图6所示.结论：速度相同时，质量大的物体动能大.

（4）探究物体质量相同时，动能跟速度定性关系

生：用同一个小球分别在A点和B点静止下落，记下木块最后停下的位置;同样可以得出：同一物体，速度大动能大.

分析与论证、评估、表达与交流.

师：根据以上实验，小球的动能与m、v有怎样的定性关系？

生：当v一定时，小铁球m越大，动能越大 ;当m一定时，小铁球v越大，动能越大.

4.3.4 实验教学评价

改进后的优点： 将实验搬到黑板上，直观明了;实验操作简单、方便;实验范围广，初高中教学均适用，实验成本低，容易推广.

有利于学生科学探究能力的提升：通过指导学生设计实验，提高学生分析实验能力和动手实践能力，通过提出问题，并作出假设，自己设计实验方案，最终自己探究出动能的决定因素;

有利于学生领悟科学方法：本次实验用到了两种物理探究方法：控制变量法和转换法.有利于激发学生自主创造的想法，培养学生的创造性思维能力;

有利于促进学生的逻辑思维能力、质疑能力、发散性思维和创新思维能力发展.

4.4 策略四：改进实验，从“传统”到与“现代”结合

将智能手机、数字化传感器实验等高科技仪器与传统器材相结合.

4.5 策略五：改进实验，从“繁”到“简”

案例：验证动量守恒定律.

4.5.1 课本的三种实验的优缺点

（1）采用气垫导轨加光电门.

优点：精准.缺点：价格昂贵，不少学校没有，携带不方便，准备一次不容易.

（2）用绳拉小球去碰撞另一小球（如图7） .

优点：简单、方便、便宜，容易实现;缺点：测量角度不方便，尤其在小球运动过程中测量角度不方便.

（3）利用两小车碰撞和打点计时器.

优点：方便、简单、易操作; 缺点：小车易走偏，误差会大一些，计算相对繁杂.

4.5.2 改进实验及教学实践

（1）用天平分别测出一个铁球和玻璃球质量分别为m1、m2;让一个铁球在如图8所示上面轨道从某一固定高度静止释放，小球到达下端轨道时，由于轨道上有粘性很高的3M胶，小球立即停止，在下面轨道记下水平距离x1（轨道上有画好的标尺），代表主动球的初速度v1.

（2）将被碰玻璃球m2静止放在上面轨道的顶端，铁球从上步骤的同一轨道释放，测出玻璃球、铁球的水平落点x1、x2分别代表碰撞后玻璃球和铁球的速度v1，v2.

（3）观察分析碰撞前后系统v之和、mv之和、mv2之和、m/v之和、v/m之和是否相等？

4.5.3 实验教学评价

优点：小球不会走偏、方便、简单、易操作，计算简单.

4.6 策略六：改进实验，从“多”到“少”

指实验器材从“多”变到“少” .

案例：描出平抛运动的轨迹 .

4.6.1 传统实验缺点

器材多：铁架台、木板、图钉、铁球、坐标纸.

4.6.2 改进实验后的优点

（1）器材从多变少，且可以一物多用，方便携带，实验易操作，成功率高，下面贴有3M胶，小球不会跑走.

（2）器材简单：除本装置外，外加一只粉笔即可.如图9，在黑板上画好小格，方便处理数据.

4.7 策略七：改进实验，从“难”到“易”

案例：探究平抛运动水平方向的分运动.

4.7.1 两个传统实验的优缺点

传统实验一（如图10）： 优点：简单 ; 缺点：“难”在控制同时释放小球.

传统实验二（如图11）： 优点：准确度高，易操作;缺点：“难”在需要器件多，制作麻烦.

4.7.2 改进实验：从“难”到“易”

（1）利用简单原理：上下两导轨平行，将挡板同时释放，从而克服需要用到电磁铁才能做到的同时释放小球的难题.

（2）器材简单，易操作，易成功，易观察.

（3）可以结合手机拍慢视频，然后播放，学生能更清晰地体验到两个小球同时落到导轨上，从而得出：小球平抛其水平方向作匀速直线运动.

5 结束语

总之，利用“单件到积件”的思想改进创新实验过程中，应该遵从的基本原则是： 一物多用、 变易、 变少、 变简.

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[2] 余耿華.巧用窗帘导轨改进系列演示实验[J].中学物理教学参考，2018（Z1）：36-38.

[3]谢桂英.自制低成本教具，提高初中物理演示实验教学的有效性[J].物理实验，2014（04）：11-14.

[4]谢桂英.自制低成本电动机系列实验演示仪[J].物理教学，2018（02）：31-34.

[5]余耿华.利用电教媒体改进牛顿第二定律演示实验[J].实验教学与仪器，2014（03）：23-24.

[6] 谢桂英. 自制低成本汽油机工作原理实验演示仪改进创新及教学应用[J].物理教师，2019（09）：53-55.

（收稿日期：2019-12-13）