开发低成本创新演示实验，突破物理思维障碍

刘建政

【摘要】高中物理课程的目的是让学生更好地掌握科学知识，并能更好地发展他们的科学素养.然而，由于学生的认知水平、课程内容及教师的教学方式等因素的影响，学生普遍感到高中物理难学.本文研究如何开发低成本创新实验，以帮助学生突破物理学习中的思维障碍.

【关键词】思维障碍；高中物理；创新实验

物理学是一门以实验为基础的自然科学，学生存在物理学习上的思维障碍，主要原因有：物理概念本身的抽象性、学生受到先入为主的前概念的影响以及教师的教学方式等.教师若能采取有效的教学策略，引导学生学更多地进行直观形象思维，将有利于突破教学重点、难点，有利于突破物理思维上的障碍.

在教学过程中需要教师积极创造实验条件，用日常生活器具做实验，开发低成本演示实验，培养学生的直观形象思维能力，从而突破物理思维障碍.低成本实验的取材可以是身边的日常用品，也可以是手机、数码相机等电子产品，也可以是高科技产品.就地取材更贴近学生的生活，更有亲切感.多渠道的开发物理实验教学资源，低成本物理实验是一种重要的课程资源.

1 高中物理学习中常见的思维障碍

高中学生常见的思维障碍有：日常经验的影响，前科学概念等.举例如下：重的物体比轻的物体下落快；有力的作用物体才会运动，没有力的作用物体就会停止；光的传播速度与参考系的选取有关；物体冲上斜面是因为受到一个向上的冲力等，从而得出错误的结论.开发低成本实验是突破物理思维障碍的有效方法.

2 开发低成本创新实验，突破物理思维障碍

2.1 火车转弯问题的演示实验的开发

在“生活中的圆周运动”一节的教学中，火车转弯问题是教学难点，学生对火车转弯处的铁轨没有直观的认识.学生没有见过火车轮子的结构，对轮缘的结构更是一无所知，为什么在转弯处要外高内低，学生难以理解，因此给学生学习这部分内容带来很大的困难.在什么情况下内侧铁轨对轮缘有向外的侧向压力，什么情况下外侧铁轨对轮缘有向内的侧向压力？为了使学生能有直观的感受，笔者做了一个火车弯道的模型，如图1所示，教学效果非常好.取材简单，小制作大智慧，体现了物理知识是来源于生活的.

2.2 “落磁实验”的开发研究

人教版选修3-2“楞次定律”，这一节的内容非常抽象，为了给学生直观的感受，笔者设计了以下演示实验.

器材 一根铝合金管（长约1m），一块磁铁，一个砝码.如图2

实验目的 通过这个实验，让学生亲身感触 “阻碍”的效果，给学生直观形象的感受.

准备阶段 购买一根长约1m的铝合金管，一块磁铁.实验结果是磁铁在铝合金管中下落很快，实验现象不明显.笔者总结了不成功的原因：一是铝合金管的管壁太薄，合金的电阻率过大，导致电阻大，产生的涡流太弱；二是磁铁的磁性太弱，普通的磁铁不能满足要求.

重新购买一个强磁铁最大磁感应强度为0.5T）和一个外径20mm、内径18mm左右的铝管，重新做了这个实验.

实验现象 让磁铁由静止从管口下落，磁铁在铝管内的下落时间长达6s左右（砝码只需用0.5s），说明磁铁的下落时非常缓慢的，同时也说明铝管对磁铁产生了阻碍其运动的作用.

课堂演示 在演示实验中让学生上台配合完成操作，第一次用一个砝码，学生很快就接到了砝码（大约需要0.5s）；第二次用磁铁重复上面的实验，学生等了较长的时间才接住磁铁（大约需要6s）.这个等待的过程会给学生深刻的印象.

通过自制的落磁实验教具，学生看到震撼的现象，使得直观形象思维与抽象思维有机结合，学生对理解楞次定律中的“阻碍”有了深刻的认识.

2.3 体验静摩擦力的演示实验的设计

将两本书一页一页地交叉对插，找力气最大的两个同学各自抓住一本书的书脊用力对拉，结果用很大的力气也拉不开.提出问题：这是什么力在起作用呢？引入静摩擦力的概念，可以极大地激发学生学习物理的热情.还可以结合一段视频，激发学生的兴趣，用两辆车向两个相反的方向拉，费了很大力气才拉开.这样引入静摩擦力可以给学生留下难忘的印象.

2.4 电磁炉的模型

在学习人教版选修3-2“涡流”一节的内容时，为了给学生直观的信息，寻找一个废旧的电磁炉，把上面的隔热板打开，展示给学生研究，可以清楚地看到大量的线圈.学生对理解电磁炉的工作原理，有了直观的感性认识，电磁炉的加热部分不是隔热板，而是交流电产生的变化的磁场在锅底产生的涡流.

2.5 利用激光笔做双缝干涉实验及单缝衍射实验

做双缝干涉實验时，可以用做双缝干涉实验仪器的双缝、单缝和激光笔，也可以用刀片划出单缝和双缝.学生在实验中把干涉图样呈现在天花板上，或者墙壁上，就能进一步观察发现条纹的间距与光屏的远近是有关系的，直观地理解了双缝间距与双缝到屏的距离的关系.

这个实验所需要的器材很容易得到，而且实验现象非常明显，学生的学习热情也很高.

2.6 利用智能手机设计测重力加速度的实验

用手机软件Phyphox（是一款专门针对物理学实验打造的移动手机应用），调用手机的传感器测量手机的加速度.在地面上提前放置一软垫，让手机做自由落体运动下落到软垫上，从手机软件上得到a-t图像，发现手机下落过程中加速度不随时间改变，选择“选取数据”并点击曲线的某点，可以看到手下落过程中手机在该时刻的加速度约为9.7m/s2，实验过程向学生展示软件中可以调用的传感器，向学生提供丰富的可用工具，为以后开展实验提供素材储备.多种信息技术融合开展物理教学，既传承了传统物理实验的思想和方法，也提供了新的实验手段和方案，有利于学生科学素养的提升.

在教学过程中开发的一些低成本实验，在课堂教学过程中取得了很好的教学效果，承载了独特的教育价值—取材方便、动手动脑、贴近生活、培养创新能力等，这正是低成本实验的魅力所在.而且利用手机开发低成本实验，更容易激发起学生的学习兴趣.

3 结语

在高中物理教学中，要尽量创造条件做物理实验，使学生的物理形象思维获得正常的发展；创造性地开展演示实验教学，用常见的日常生活用品和智能手机设备自制教具，直观形象地说明深奥的物理问题，帮助学生疏通认知障碍，形成科学观念.开发低成本实验不仅环保经济，还可以让学生从生活的角度理解物理知识的深刻内涵，真正体验“从生活走向物理，从物理走向社会”的教学理念.

参考文献：

[1]乔际平，邢红军.物理教育心理学[M].南宁：广西教育出版社，2002.

[2]阎金铎.物理教学论[M].南宁：广西教育出版社，1998.

[3]安忠，刘炳升.中学物理实验教学与研究［M］.北京：高等教育出版社，1986.

[4]刘炳升.中学物理实验教学与自制教具［M］.上海：上海教育出版社，2000.8