实验资源开发与利用的案例及其策略

19.实验资源开发与利用的案例及其策略
黄国雄
株洲市二中，湖南省株洲市412007
通过前面介绍的用纸做实验和利用身边的日常生活用品做实验的案例，我们可以领悟到一些实验资源开发与利用的策略。

下面我们通过案例，来进一步开阔我们的思路。

1、一则碰撞实验的拓展
案例1：弹性碰撞实验
在《物理（共同必修1）》的序言部分，有一幅彩色照片（如图1所示），一个学生正在利用弹性碰撞实验仪全神贯注的研究弹性碰撞。

该图的注解中写道：动手实验是非常激动人心的过程。

图1
要让学生激动不是一件容易的事情，要让学生发自内心的激动就更难了。

碰撞实验怎么做才能更好的激发学生的兴趣，让学生感受物理学的美妙，领悟物理学的真谛呢？教师的教学理念和实验水平就显得至关重要了。

经典实验：1碰1。

将一个钢球从平衡位置拉开一定的角度，释放后去碰撞另一个静止的等大的钢球。

拓展1：被撞球变一球为多球，1碰2、1碰3……。

拓展2：入射球变一球为多球，2碰1、3碰1……，2碰2、2碰3……。

拓展3：变“动碰静”为“动碰动”。

拓展4：变“大碰大”为“大碰小”以及“小碰大”。

拓展5：两边拉开的角度变“等幅”为“不等幅（单摆特征）”。

拓展6：变“水平碰撞”为“竖直碰撞（超级球实验）”。

案例2：超级球实验
超级球实验是一个既有趣味性，又充满悬念的实验。

实验所需的弹力球可以从玩具店买到。

将小球叠放在大球上面，让它们一起从高处自由下落，奇迹发生了——小球反弹的高度大大超出自由下落的高度！
不少老师做过这个实验，实验也只做到这一步。

下面我们一起来欣赏加拿大Waterloo大学的Anderson教授是怎样研究超级球实验的。

作者在英国的《物理教育》杂志发表了他的论文“奇妙的‘超级球’问题”（该文由笔者翻译并在《物理教学探讨》2000年第10期发表）。

两球实验：理想状态下，H=9h
0，V=3V
其中H代表上面的小球反弹的高度， h
代表小球自由下落的高度，V 代表上面的
小球反弹的初速度，V
代表小球落地时的速度。

两个球拓展到三个球，情形如何呢？
三球实验：H=49h
0，V=7V
再由三个球拓展到n个球。

n球实验：H＝(2n- 1)2 h
0，V n=(2n- 1)V
加拿大著名的多伦多铁塔高560m，如果将7个球叠放在一起（n=7），则 V7
＝13410m/s。

“13410m/s”是一个什么概念？它比第二宇宙速度（11200m/s）还要大！也就是说，上面的这个小球将成为一颗人造行星！一幅多么令人憧憬的画面。

作者把我们的情绪调动起来了。

事实果真如此吗？别忘了理想状态的条件之一，就是上面的小球质量要远远大于下面的大球质量。

若取质量比为1∶1000，那么，即使上面的小球质量小到m
7
=1/10000g，
下面的大球质量m
1
=109 kg，达到数百万吨。

这样的球且不考虑如何送上塔顶，当它落到地面时，塔基承受得了吗？球与地面还会是弹性碰撞吗？作者又把我们拉回到残酷的现实当中。

做这个实验需要注意什么？作者又以风趣的笔调为我们介绍了一段电视画面：一位教授正在表演“超级球”实验，他非常细心的将两个球叠放好，同时说道：“这样我们就不会损坏任何东西了”，话音未落，球已离手，由于两个球心的连线不太竖直，上面的小球以极大的速度反弹后正好打中教授，痛得他失声大叫。

这一滑稽场面恰好被他的学生拍摄下来，并上了《美国家庭滑稽录像》的电视。

多么精彩而幽默的研究，简直就是在“玩物理”。

我觉得，“玩物理”可以称得上是学物理的最高境界。

通过以上“弹性碰撞实验”和“超级球实验”，我们可以发现，不同形式的相互作用，得到了意想不到的不同结果，动手实验确实是非常激动人心的过程；不同结果却包含同样的物理规律，从中又能体验物理学的和谐与统一，感受物理学的美妙。

2、变换视角开发课程资源
通常我们都习惯用肉眼直接观察事物，当你变换视角，便会发现一片新的天地。

案例3：尼龙扣的显微照片
尼龙扣在我们的日常生活中广泛使用，但是很多人不理解，尼龙扣为什么会有这样神奇的功能。

在《物理（必修1）》中，有一幅尼龙扣的显微照片（如图2所示）。

看过这幅照片，相信一切都会迎刃而解了。

图2
案例4：频闪照像——不同类型的运动
物体做加速运动、匀速运动和减速运动的本质区别在哪里？在《物理（必修1）》中，一幅借助频闪照像获得的“不同类型的运动”的三张照片的对比，为我们很好的回答了这个问题。

如图3所示。

图3 案例5：肥皂膜破灭过程的频闪照片
肥皂膜破灭过程一闪即逝，谁也不知道具体的过程是怎样的。

《物理（选修3－3）》的一幅频闪照片“肥皂膜破灭过程”（如图4所示）为我们做出了诠释，使我们体会到了表面张力的作用。

图4
案例6：乳滴落到坚硬平面上反弹的高速摄影照片
生活中，水滴之类的液体滴落到桌面上，人们早就习以为常了。

但是，当我看到《物理（选修3－3）》中的一幅乳滴落到坚硬平面上反弹的高速摄影照片时（如图5所示），我被震撼了，溅起的牛奶居然形成了一顶美丽的皇冠。

高速摄影的世界竟能发现如此的美丽，让瞬间凝固成为永恒。

图5
可见，借助于显微、频闪照相、高速摄影等方式进行实验，观察现象，是开发课程资源的一种策略。

3、化大为小
将一个小的器材换成大的，将一个小的演示演变为大型的实验，将一件小事做大，新的实验方案就会由此而生，这是很多老师实践过的。

反过来想一想行不行呢？“化大为小”同样是一种策略。

案例7：感受分力
在《物理（必修1）》中，有一个迷你实验，感受分力（如图6所示）。

这个实验的创新之处就在于，化大为小丑，在手掌上做实验。

钩码对三角支架拉力的两个分力的效果，通过手指被拉和掌心被戳，感受得明明白白，充分体现了化大为小的优势。

图6
4、化废为利
案例8：“巨无霸”电池
请看一个教学片断。

老师拿出一节干电池，用电压表测出它两端的电压为，接上小灯泡，正常发光。

接着又搬出一个很大的自制电池，命名“巨无霸”，用电压表测出它两端的电压为4V，接上同一个小灯泡，结果会怎样？有的学生回答“会更亮”，还有的回答“会烧掉”，实验结果出乎大家的意料之外，小灯泡既没有变亮，更没有烧掉，反而变暗了。

由此引出了电源内阻的概念。

这个片断很精彩吧！这个令人费解的“巨无霸”电池其实就是用三节废弃的干电池串联而成的。

案例9：制作太阳能玩具车
在《物理（选修3－3）》中，有一个专题探究——能量与可持续发展的调研，其中的一个实验与制作是“制作太阳能玩具车”。

做玩具车的车身有很多材料可供选择，废弃的纸盒称得上是一种理想材料。

太阳能电池可以去购买，但我们倡导自制。

做法不难，找一些废弃的晶体三极管，撬掉金属外壳，置于强烈的阳光下照射，这就是自制太阳能电池。

案例10：双金属片的结构和特征
在《物理（选修3－3）》中，有一个迷你实验，双金属片的结构和特征去哪找双金属片？从废弃的日光灯起辉器中，可以获得优质的双金属片。

可见，任何事物都是一分为二的，世界上没有真正的“废品”。

5、学生的实验设计和实验过程本身也是课程资源
案例11：用天平称砂和砂桶的质量
在“探究加速度与物体的受力和质量的关系”的实验中，需要多次改变砂和砂桶的质量并用天平称出它们的质量。

天平的使用规则大家都很清楚，可是有一组学生是这样做的：按事先的设定先在天平右盘放好砝码（？），再在天平左盘放上砂桶，然后缓慢的向砂桶内倒入细砂（？），直到天平平衡为止。

学生这样做有自己的思考，这既不违背天平测质量的原理，又能使砂和砂桶的质量按我们的要求去改变，对于砂和砂桶的质量大小和质量改变量的控制更有主动权,计算也方便。

遇到这类情况，教师该怎么做？我的对策是——抓住契机，小题大做，充分利用这一活动资源。

让这一组学生面向全体同学陈述理由，让全班同学进行讨论，辨明是非，领会物理知识，培养科学精神。

在美国“2061计划”核心著作《面向全体美国人的科学》中，特别强调：
•建议老师注重下列做法：欢迎好奇心、奖励创造性、鼓励健康的质疑精神、避免教条主义。

•学生应该感受到科学是一个加深理解的过程，科学不是一成不变的真理。

这就意味着，教师必须小心，不要给人他们本人或教科书具有绝对权威，他们的结论总是正确的印象。

这段阐述是很精辟的，对我们搞好科学教育有很深刻的启迪。

课程资源的开发与利用是一种创造性活动。

美国著名创造学家奥斯本提出了众多创造技法，美国创造研究所从中归纳提炼出9项提问，它们是：有无其他用途？能否借用？能否改变？能否扩大？能否缩小？能否代用？能否转换？能否颠倒？能否组合？这9项提问被誉为“创造技法之母”，对我们开发实验资源很有帮助。