(1)首先设计引导性实验,提出研究课题——从相同高度处同时释放一个小铁球和一张纸片,结果小铁球下落得快,让学生分析现象产生的原因。不少学生错误地认为小铁球质量大,下落快,因而得出下落加速度由其质量决定的错误结论。
(2)教师不要急于去纠正它,而是接着分别演示了两个揭示矛盾的对比性实验:①两张相同的纸片,把其中一张揉成小纸团,再从同样高处同时释放,结果观察到揉成一团的纸团下落得快;②将一张质量较小的小纸片揉成一团与一张质量较大的纸片,让其同时从同样高处开始下落,则观察到质量小的纸团反而下落得快。这两个实验展示了新现象、新知识跟学生原有旧观念之间的矛盾,从而激发学生的求知欲,而且实验所揭示的现象本身又能提供思维的方向,使实验具有鲜明的启发性和思考性,也有利于教师因势利导提出新课题。当学生观察到这些现象后,很自然地启发他们进行思考,弄清纸片之所以比纸团下落得慢是因为空气阻力对纸片影响大的缘故。再重复实验,引导学生观察空气阻力对下落物体快慢的影响,让学生逐渐去伪存真,由表及里。
(3)进而引导学生分析推理,提出:“如果没有空气阻力的影响,将出现什么现象?怎样消除这个空气阻力的影响呢?”经过学生的思考,然后再过渡到解决问题(解决矛盾)的对比性实验:“钱毛管”实验。把“钱毛管”中的空气抽出(抽气效率要高,并保证不漏气),再把它倒立过来,让金属片、小羽毛、小软木塞、小玻璃球等同时落下,下落快慢相同。这表明一切物体在没有空气阻力时,下落加速度都相同,学生也就容易理解自由落体运动是一种理想过程。然而,到此为止,学生的认识还是不深刻的。接着打开“钱毛管”上的开关,让空气进入“钱毛管”里,再把“钱毛管”倒立过来,就可以看到这些物体下落的快慢是不相同的。前后两次实验的对比分析,突出了空气阻力对下落物体快慢的影响,学生完全信服了。这样引导学生进一步去粗取精,去伪存真,由此及彼,由表及里,认识到事物的本质,形成了“重力加速度g与质量无关”的正确概念。教学实践表明,只有通过上述这几个对比性实验以及对现象进行“去粗取精,去伪存真”的分析和“由此及彼、由表及里”的综合,学生才能真正排除错误观念并消除疑团。
导出规律的对比性实验
对于学生易于形成片面认识的物理规律,也要设计针对性强的对比性实验,采用“边引导边实验边分析”的教学方法,处理好实验观测和思维加工的关系,引导他们完成认识上的第一次飞跃。
例如,初中学生对“二力的平衡”条件都觉得很简单,似乎没有什么困难,但又往往形成片面的认识;为了引导学生获得科学的结论,应该设计针对性强的对比性实验,并采用“边实验边分析边对比,再实验再分析再对比”的程序和做法。每做一个实验,都要引导学生通过实验现象的观察、分析和比较,并注意澄清一些容易混淆的问题,最后让学生自己导出正确的科学结论。讲课开始,教师先从日常生活中吊在电线上的电灯、放在桌子上的书籍等物体保持静止状态等实例出发,提出“什么是二力的平衡”这个问题,引导学生从二力平衡现象中寻找二力平衡的条件。进而做“二力平衡的条件”的演示实验,让学生仔细观察并读出小车保持静止时两边吊盘里砝码的重量,并向学生提出探索性的问题:“二力在什么条件下才会平衡?”学生的回答开始时往往不全面,甚至会轻率地作出如下片面的结论:“二力平衡的条件是:二力的大小相等、方向相反。”这时,教师不要急于去纠正它,而是应该引导他们再仔细观察如下两个针对学生的片面论断而设计的对比性实验,突出被比较的因素,启发学生观察和思考来进一步探索问题。①(实验一):两个力大小相等、方向相反,分别作用在两个物体上;②(实验二):两个力大小相等、方向相反,作用在同一物体(小车)上,但两力的作用线不在同一条直线上。通过这两个实验,学生自己否定了原先的片面论断。接着,他们又通过自己的实验观察,发现了在第二个实验中,物体转到两个力的作用线在同一条直线上时,物体才保持静止状态;这时教师再引导学生将静止的物体用力扭转一个角度,使两力的作用线又不在同一条直线上,一松手,物体又发生转动,失去平衡,直到两力的作用线在同一条直线上时,物体又处于静止状态。学生通过这几个实验的对比、分析,自己“发现”了规律,满意地总结出二力平衡的条件:“作用在一个物体上的两个力,如果在同一条直线上,大小相等,方向相反,这两个力就平衡。”从而得出正确的、科学的结论。
突出本质或特性的对比性实验
初中物理关于“阿基米德定律”这一课题的教学,为了揭示浮力产生的原因是水中的向上和向下的压强差对物体造成的压力差,深化学生对浮力产生原因本质的理解,可以进行如下浮力消失和产生的对比实验:取一块石蜡块(也可以用蜡烛代替),放在烧杯里加热熔化(如果用蜡烛则要除去纱芯),将液态的蜡倒进长方体纸盒内(空的火柴盒内的抽斗也可用),当倒满时,用一块涂有煤油的玻璃片迅速盖上,待凝固后,揭开玻璃片,就做成一块表面非常平滑的长方体蜡块,把这块蜡块的底面紧压在平底的玻璃器皿的底面,使之紧密接触,用一支小棍压住蜡块;然后缓慢地注水于器皿中,使整个蜡块都浸没在水中,拿开小棍后,蜡块并不浮起(因为蜡块的下面没有水,它没有受到水的向上的压力)。但如果将蜡块与器皿底接触处挑开一小缝,让水浸入,蜡块很快就浮起来。通过这两个不同实验现象的对比,学生对浮力产生的本质原因的理解具体而深刻了。
高中物理课本中的“自感现象”的演示实验,当接通电路时,可以明显地观察到并联的两个不同性质的支路(一个支路是有铁心的线圈L跟灯A1串联,另一个支路是变阻器R跟灯A2串联)中的两灯发光情况的不同,通过实验现象的对比,可以加深对自感现象产生原因的理解,突出了自感现象的特性。
排除易于混淆或误解的问题的对比性实验
高中学生在“稳恒电流”这一章的学习中,对滑动变阻器用作限流、降压和用作分压器(电位器的电路往往易于混淆,在分析电路时常感到困难,为了排除混淆,我们设计了像图1和图2所示的两个实验线路〔电源E用6伏特的蓄电池组,R′为滑动变阻器(10Ω、2A),R1为标称6V小灯泡〕,进行对比性实验:接通电键K,将滑动变阻器的滑片P从N端移向M端观察小灯泡R1的亮度如何变化?并观察各安培表和伏特表的示数分别如何变化?
注意观测R1上电压值的变化范围(有条件的学校可让学生亲自动手装接线路。手脑并用地做好实验)。实验中可以清楚地观察到图2(用变阻器分压)中小灯泡亮度的变化远较图2(用变阻器限流、降压)中小灯泡亮度的变化更为显着。在实验提供感性认识的基础上(图2中小灯泡上的电压可以从6伏特(电源的路端电压)调节到0上,而图1中的小灯泡的电压却不能调节到0上),再引导学生进行理论分析,做到感性认识与理性认识的统一,理论与实际的一致,排除了学生易于混淆的问题。
初中学生往往把“液体温度达到沸点”误解为“液体一定发生沸腾现象”,为了帮助学生在理解汽化热这一概念的基础上掌握好液体的沸腾条件——液体加热,温度达到沸点,还要吸收热量,才能沸腾。有比较才有鉴别。我们设计了如下富有趣味性的对比性实验:“拿一个装着适量水的试管,放在沸水里(烧杯里加水一直用酒精灯加热),仔细观察烧杯里的水在沸腾过程中试管里的水是否也会沸腾?比较所观察到的现象,并分析其原因“实验结果表明”
虽然烧杯里的水一直沸腾,但试管里的水并不沸腾,从而学生排除了上述易误解的问题,并寻找其关联,弄清了二者的区别和联系,而且加深了对热传递的条件(温差)和沸腾条件的理解。
清除疑点的对比性实验
在电学教学中,针对不少学生对“部分短路”这一概念感到难以理解或疑惑的症地所在,设计如下释疑性的对比性实验:“图3中,电源用两个蓄电池串联(蓄电池的内电阻可忽略,两个安培表量程都是0-06A,伏特表的量称是0-3V,表L1是标称38V的小灯泡,L2是标称15V的小灯泡。当电键K1闭合时,观察、比较电键K2闭合后和闭合前小灯泡L1和L2亮度情况如何变化?两个安培和伏特表的示数分别怎样变化?”在实验过程中,学生明显地观察到,当电键K2闭合后,小灯泡L1比L2闭合前更亮了;而小灯泡L2却不亮了;同时伏特表的示数也减少到几乎为零;安培表的示数比K2闭合前增大了;而安培表A2的示数则减小到几乎为零,这样通过对比性实验,在实验提供感性认识的基础上,再通过理论分析,学生消除了认识上的疑团,对“部分短路”(图3中K1和K2都闭合时,电路中的MN部分称为“部分短路”)的理解就具体而深刻了,从而弄清了电路中被部分短路的用电器两端的电压几乎为零,通过它的电流强度也几乎为零。
又如高中物理教学中,为了消除学生对“反电动势”这一概念的疑惑,我们设计了如下解惑性的对比实验:“按图4组成电路。电池组E用三个蓄电池(串联),电池E1和E都有一个蓄电池,安培表选用0-06A这一量程,伏特表选用0-15V这一量程,L是6-8V小灯泡。(1)当电键K闭合,K1和K2都断开时,观察小灯泡L的亮度,读出此时安培表和伏特表的读数。
(2)当电键K1闭合,K和K2都断开时,认真观察小灯泡的亮度如何变化,读出此时安培表和伏特表的读数,并跟(1)比较,考察变化的情况。(3)当电键K2闭合,K和K1都断开时,又仔细观察小灯泡L的亮度如何变化,再读出此时安培表和伏特表的读数,也跟(1)比较,考察变化的情况”。在上述对比性实验观测的基础上,再引导学生进行理论分析。通过(2)跟(1)的对比,学生弄清了电路中电池E1跟电池组E是串联的,E1的电动热方向跟电源E的电动势方向(电路中电流方向)相同,因此闭合K时(K和K2都断开),整个电路中总电动势增大,所以电路中的电流强度增大;通过(3)跟(1)的对比,他们又弄清了电路中电池E2跟电池组E是反联的,E2的电动势方向跟电源E的电动势方向(电路中电流方向)相反,因此当K闭合时(K和K1都断),整个电路中总电动势减少,所以电路中的电流强度减少(这时E2的电动势是反抗电路中的电流通过的,这种反抗电流通过的电动势称为反电动势)。这样通过对比性实验和理论分析,学生们消除了疑团,对“反电动势”这一概念的理解就具体而深刻了。