淺議物理實(shí)驗(yàn)的“對(duì)比性”和“啟發(fā)性”

《中學(xué)物理教學(xué)概論》中說：“在物理學(xué)研究中，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)的目的在于形成、發(fā)展和檢驗(yàn)物理理論，并使理論在實(shí)踐中得到應(yīng)用。而在物理教學(xué)中運(yùn)用實(shí)驗(yàn)的目的就在于給學(xué)生學(xué)習(xí)物理創(chuàng)造一個(gè)基本環(huán)境，使學(xué)生主動(dòng)獲取物理知識(shí)，發(fā)展能力，促進(jìn)科學(xué)品質(zhì)和世界觀的形成。”由此可見，科學(xué)地開展物理課堂實(shí)驗(yàn)，不僅能夠提高教師對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的認(rèn)識(shí)，而且能夠讓實(shí)驗(yàn)真正成為培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，激發(fā)學(xué)生的求知愿望，發(fā)展學(xué)生能力，體驗(yàn)科學(xué)方法的綜合實(shí)踐活動(dòng)。
自課程改革以來，高中物理課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容和方式一直都在不斷地創(chuàng)新和拓展，出現(xiàn)了許多優(yōu)秀的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源。但是，仍然有不少教師對(duì)創(chuàng)新物理課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)理論和實(shí)際操作的認(rèn)識(shí)存在一定的局限和不足。為此，筆者就物理實(shí)驗(yàn)的“啟發(fā)性”和“對(duì)比性”作些分析說明。
一、把握實(shí)驗(yàn)的“對(duì)比性”功能，合理構(gòu)建物理模型
高中物理演示實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象一般都具有多面性和復(fù)合性。實(shí)驗(yàn)中，物理現(xiàn)象的不同成分對(duì)學(xué)生的刺激作用一般是不同的，那些最能體現(xiàn)本質(zhì)特征的物理現(xiàn)象往往不是以強(qiáng)刺激的形式出現(xiàn)，而那些體現(xiàn)非本質(zhì)特征的物理現(xiàn)象卻會(huì)給學(xué)生很強(qiáng)的刺激，并影響了課堂教學(xué)效果。因此，教師應(yīng)該根據(jù)教學(xué)內(nèi)容需要，精心設(shè)計(jì)和安排實(shí)驗(yàn)操作的流程，并對(duì)物理現(xiàn)象中各種成分的刺激量做適當(dāng)?shù)卣{(diào)控，使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象形成明顯對(duì)比，從而有效引導(dǎo)學(xué)生察覺條件的差異和產(chǎn)生結(jié)果差異的聯(lián)系，［1］準(zhǔn)確地把握事物的本質(zhì)特征。
案例1：“落體運(yùn)動(dòng)的研究”
對(duì)于落體運(yùn)動(dòng)的研究，難點(diǎn)就在于物體下落的快慢與所受重力大小無關(guān)。教學(xué)過程中，教師可以圍繞這一難點(diǎn)設(shè)計(jì)如下一系列實(shí)驗(yàn)。
實(shí)驗(yàn)1：一元硬幣與紙片從同樣的高度同時(shí)下落，可觀察到一元硬幣下落得快。因?yàn)椤爸氐奈矬w下落得快”是大多數(shù)學(xué)生頭腦中再熟悉不過的生活經(jīng)驗(yàn)，所以設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)1，讓學(xué)生看到“重的物體下落得快”這一現(xiàn)象，使學(xué)生原有的錯(cuò)誤觀點(diǎn)暴露出來。
實(shí)驗(yàn)2：將紙片揉成紙團(tuán)再與一元硬幣從同樣的高度同時(shí)下落，可以觀察到二者幾乎同時(shí)落地（教師：將紙片揉成紙團(tuán)后，重量變了嗎？學(xué)生：沒有變化！教師：既然這樣，紙片揉成紙團(tuán)后為什么就下落得快呢？）。
實(shí)驗(yàn)3：將一大紙片與另一小紙片分別揉成大紙團(tuán)和小紙團(tuán)，并讓二者從同樣的高度同時(shí)下落，可以觀察到重量較輕的小紙團(tuán)下落得快。怎么回事？為什么輕的物體反而下落得快了呢？學(xué)生很是驚訝！教師安排這些實(shí)驗(yàn)的目的，是為了點(diǎn)燃學(xué)生探究的欲望，促使學(xué)生積極思考，幫助學(xué)生主動(dòng)跳出“物體下落快慢與重力有關(guān)”這一錯(cuò)誤觀念，引導(dǎo)學(xué)生分析物理現(xiàn)象背后的本質(zhì)——空氣阻力的影響。在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生對(duì)空氣阻力的影響進(jìn)行了正確的分析并意識(shí)到：落體運(yùn)動(dòng)的快慢之所以異常復(fù)雜、難以看清，是因?yàn)榭諝庾枇Φ挠绊?。在此基礎(chǔ)上，教師啟發(fā)學(xué)生從簡(jiǎn)單入手，抓住主要因素——重力，將次要因素——空氣阻力忽略和排除，進(jìn)而引出錢羽管實(shí)驗(yàn)4、5、6。
實(shí)驗(yàn)4：不抽錢羽管內(nèi)的空氣，演示下落現(xiàn)象，觀察到一元硬幣比羽毛下落得快很多。
實(shí)驗(yàn)5：多抽出一些空氣，觀察到一元硬幣比羽毛下落得還是快，但二者的速度差明顯減小。
實(shí)驗(yàn)6：幾乎抽去管內(nèi)所有空氣，近似真空環(huán)境，可以觀察到一元硬幣和羽毛同時(shí)落地（使學(xué)生建立“忽略空氣阻力時(shí)或沒有空氣阻力時(shí)，同一地點(diǎn)任何物體下落快慢都一樣”的）。
以上6個(gè)演示實(shí)驗(yàn)各具目的，現(xiàn)象對(duì)比循序漸進(jìn)、層層深入，把學(xué)生由對(duì)現(xiàn)象的錯(cuò)誤感性認(rèn)識(shí)逐步引向?qū)Ρ举|(zhì)的正確理性認(rèn)識(shí)：實(shí)驗(yàn)1欲擒故縱、暴露錯(cuò)誤；實(shí)驗(yàn)2與實(shí)驗(yàn)1對(duì)比，提出問題、激發(fā)思考；實(shí)驗(yàn)3與實(shí)驗(yàn)1強(qiáng)烈對(duì)比，徹底打破了學(xué)生原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，激活思維，深入分析、揭示本質(zhì)；實(shí)驗(yàn)5與實(shí)驗(yàn)4對(duì)比，讓學(xué)生體驗(yàn)空氣阻力越小，對(duì)下落快慢的影響便越小；實(shí)驗(yàn)6解決問題、得出結(jié)論，為合理順暢地建立“自由落體運(yùn)動(dòng)”模型奠定基礎(chǔ)。