對化學(xué)儀器教學(xué)的思索
——談化學(xué)儀器構(gòu)造式教學(xué)
摘要：在化學(xué)儀器教學(xué)中，好多班主任只重視講解儀器的使用，忽略儀器的制做過程，沒有根據(jù)實(shí)際需求舉辦教學(xué)，儀器的原理和所含的數(shù)學(xué)思想常常被淡化，以至于中學(xué)生不能真正把握儀器的本質(zhì)。高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器的“構(gòu)造式”教學(xué)法，根據(jù)儀器的核心原理和技術(shù)須要，把儀器的結(jié)構(gòu)部件逐漸“構(gòu)造”出來。這樣的教學(xué)設(shè)計(jì)，符合中學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，發(fā)散中學(xué)生的思維，培養(yǎng)中學(xué)生的創(chuàng)新能力，提高中學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)。
關(guān)鍵詞：儀器構(gòu)造，思維發(fā)散，能力培養(yǎng)
一、問題的提出——儀器構(gòu)造式教學(xué)
隨著隨著科技的進(jìn)步，先進(jìn)的教學(xué)儀器不斷涌現(xiàn)，如濕度計(jì)、天平、測力計(jì)等傳統(tǒng)器材，已被紅外濕度計(jì)、電子稱、傳感器等先進(jìn)儀器取代，新一代教學(xué)儀器具有操作簡單，靈敏度高等特性。所以，大多數(shù)班主任覺得傳統(tǒng)教學(xué)儀器，不在具有使用價(jià)值，教學(xué)中不應(yīng)再使用一些“過時(shí)”的儀器，與時(shí)代發(fā)展不同步。筆者覺得，好多班主任把數(shù)學(xué)儀器教學(xué)的價(jià)值只是定位在知識(shí)學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)技能培養(yǎng)上，而忽略了創(chuàng)新能力和思想方式的培養(yǎng)。事實(shí)上傳統(tǒng)儀器，仍具有不可取代的作用，它是培養(yǎng)中學(xué)生創(chuàng)新能力的重要途徑，也是施行科學(xué)方式教育的重要載體。所以，我們應(yīng)重新思索化學(xué)儀器教學(xué)的價(jià)值和功能，著力落實(shí)化學(xué)儀器奇特的育人功能。因此，筆者結(jié)合新課標(biāo)育人理念，立足教學(xué)實(shí)際，提出了化學(xué)儀器構(gòu)造教學(xué)法的教學(xué)主張。
儀器構(gòu)造式教學(xué)，是在數(shù)學(xué)儀器教學(xué)中，根據(jù)儀器的核心原理和核心技術(shù)，把儀器的結(jié)構(gòu)部件逐漸“構(gòu)造”出來，進(jìn)行融合教學(xué)的一套程序技巧。其基本理念是，化學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器的教學(xué)是一個(gè)有意義的理解建構(gòu)過程和實(shí)踐應(yīng)用過程，主張把儀器拆開，從雛型到完形，循序漸進(jìn)，逐漸建立，構(gòu)造出儀器的整體。把儀器的原理、結(jié)構(gòu)、功能、用法、規(guī)則，彼此聯(lián)系、融為一體。
儀器構(gòu)造法的基本要求是，在全程中貫串問題解決，仍然以問題挑戰(zhàn)中學(xué)生思維，引導(dǎo)中學(xué)生思索，不斷探索解決方案；借助微探究，滲透思想方式，引導(dǎo)中學(xué)生解決實(shí)際需求問題，因而把握儀器的本質(zhì)原理。儀器構(gòu)造式教學(xué)遵守知識(shí)產(chǎn)生的過程，循序漸進(jìn)，逐漸構(gòu)造建立，把儀器的發(fā)明創(chuàng)造過程重演一遍，啟迪中學(xué)生進(jìn)行發(fā)明創(chuàng)造。同時(shí)感悟儀器部件的功能和用法，并在儀器的實(shí)踐應(yīng)用中，培養(yǎng)中學(xué)生的操作技能和實(shí)踐能力[1]。
二、開展儀器構(gòu)造式教學(xué)的途徑
在儀器教學(xué)中，充分運(yùn)用“啟發(fā)式教學(xué)原則”與“發(fā)現(xiàn)式教學(xué)方式”，借助微探究，讓中學(xué)生發(fā)覺儀器涉及的關(guān)鍵規(guī)律如何求未知電阻，領(lǐng)會(huì)儀器的原理本質(zhì)，具體做法如下。
1.創(chuàng)設(shè)情景，問題推動(dòng)
首先要?jiǎng)?chuàng)設(shè)問題情境，迸發(fā)興趣欲望，啟發(fā)中學(xué)生思索，從認(rèn)知上引入探究的問題。逐漸構(gòu)造建立的方式，重演儀器的發(fā)明創(chuàng)造過程，啟迪中學(xué)生進(jìn)行“創(chuàng)造創(chuàng)新”，同時(shí)領(lǐng)會(huì)儀器部件的功能和用法。如在學(xué)習(xí)《滑動(dòng)變阻器》一節(jié)中，讓中學(xué)生經(jīng)歷儀器創(chuàng)造的過程。
在引課環(huán)節(jié)，首先用小燈泡模擬調(diào)光吊燈，取一根1米的內(nèi)阻絲，逐步降低內(nèi)阻絲的寬度，小燈泡逐步變暗。這時(shí)班主任問：“若需得到更大的阻值，怎樣辦”？中學(xué)生自然會(huì)想到繼續(xù)降低內(nèi)阻絲的寬度，班主任接著出示一根2米左右的阻值絲，此時(shí)操作很不便捷，引導(dǎo)中學(xué)生思索把內(nèi)阻絲繞上去使用。根據(jù)以上思路，把內(nèi)阻絲緊密繞上去，接在電路中，發(fā)覺改變線圈在電路中的寬度，燈泡的色溫變化并不顯著，這是哪些緣由呢？讓中學(xué)生觀察并思索，中學(xué)生發(fā)覺內(nèi)阻絲是導(dǎo)體，繞成線圈后互相接觸，成為一個(gè)電阻較小的大線圈，改變線圈的厚度并不能有效的改變阻值大小。
怎么解決各匝內(nèi)阻絲之間漏電問題呢？中學(xué)生自然會(huì)想到給內(nèi)阻絲“穿上”絕緣外衣（如圖所示1）。之后把具有絕緣層的線圈接入電路中，發(fā)覺燈泡的色溫很暗，也不能調(diào)節(jié)照度。這是由于線圈完全封閉絕緣，改變阻值絲的厚度，并不能接有效改變阻值大小。于是引導(dǎo)中學(xué)生，在線圈中描畫一條以便接觸的凹槽，如圖2所示，便可解決以上問題。依據(jù)需求，改變阻值絲的阻值，即可改變阻值的大小，這時(shí)還須要一個(gè)能聯(lián)接內(nèi)阻絲的滑片和金屬桿。這樣一個(gè)滑動(dòng)變阻器的雛型就構(gòu)造下來了。
最后班主任總結(jié)，這樣制做的滑動(dòng)變阻器，導(dǎo)線的絕緣層相對較粗，易導(dǎo)致線路接觸不良，因而常用漆包線（所謂漆包線是在內(nèi)阻絲上鍍一層絕緣漆）取代。為降低滑片與線圈接觸的穩(wěn)定性，還需用橫桿和支架固定滑片，用接線柱固定導(dǎo)線接頭，這樣就制做成實(shí)驗(yàn)用的滑動(dòng)變阻器了[2]。本設(shè)計(jì)創(chuàng)設(shè)了一個(gè)個(gè)問題情景，用問題不斷引導(dǎo)中學(xué)生的思維，直至問題解決。
2.實(shí)踐嘗試，逐漸建立
在儀器教學(xué)的全過程中，一直以問題挑戰(zhàn)中學(xué)生的思維，為找尋問題解決的方案，需在實(shí)踐中不斷嘗試，逐漸建立方案，能夠構(gòu)造出精致的儀器。如在學(xué)習(xí)《直流電動(dòng)機(jī)》一節(jié)時(shí)，不斷讓中學(xué)生找尋線圈持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的方案，突破換向器這一難點(diǎn)，經(jīng)歷了直流電動(dòng)機(jī)發(fā)明的全過程。
引課環(huán)節(jié)，首先受奧斯特實(shí)驗(yàn)的啟發(fā)，根據(jù)逆向思維，提出問題“磁也應(yīng)對電壓有力的作用”。為探究這一問題，于是把通電直導(dǎo)線置于磁場中，可得“通濁度線在磁場中受力而運(yùn)動(dòng)”。按照通這一原理，把直導(dǎo)線變型，制做成線框狀，因?yàn)榫€框兩條邊中電流方向相反，遭到的磁場力方向也相反，線圈應(yīng)當(dāng)在兩個(gè)相反力的作用下發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。之后讓中學(xué)生用直導(dǎo)線彎成線框形，進(jìn)行模擬，發(fā)覺線框若轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)發(fā)生繞線問題，不能持續(xù)的轉(zhuǎn)動(dòng)。之后，引導(dǎo)中學(xué)生觀察受通電直導(dǎo)線在滑軌運(yùn)動(dòng)的場景，導(dǎo)線在滑軌上既能運(yùn)動(dòng)，又能通電。能夠把滑軌變型做的短一些，再把線圈置于滑軌上，是否能解決線圈繞線問題。
中學(xué)生解決了繞線問題后，借助細(xì)銅線（漆包線）、鋁硼吸鐵石、電池、支架、砂紙等器材，讓中學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，讓線圈轉(zhuǎn)上去。并按以右圖3所示進(jìn)行操作。把銅線繞成線圈，并把線圈兩端的絕緣漆死掉，置于支架上通電，發(fā)覺線圈只能左右擺動(dòng)，并不能持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。為何不能持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)呢？為突破這一難點(diǎn)，借助動(dòng)漫或模型進(jìn)行剖析，讓中學(xué)生曉得，開始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，線圈兩個(gè)邊受力相反，都是動(dòng)力。在后半周，線圈兩個(gè)邊所受的力方向雖沒變，但弄成為了阻力，所以線圈不能持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。若果讓線圈持續(xù)的轉(zhuǎn)動(dòng)，應(yīng)當(dāng)怎樣辦呢？引導(dǎo)中學(xué)生思索，可以把后半周的阻力去除。具體做法是：把線圈的一端的連接線切掉一部份，重新加工，只剪掉連接線半周的漆包線（如圖4所示）。線圈轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，前半周通電，后半周斷電，線圈前半周靠動(dòng)力轉(zhuǎn)動(dòng)，后半周靠慣性轉(zhuǎn)動(dòng)，即可實(shí)現(xiàn)持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。
經(jīng)歷了自制電動(dòng)機(jī)的過程后，再學(xué)習(xí)電動(dòng)機(jī)模型和實(shí)際的電動(dòng)機(jī)，了解電動(dòng)的構(gòu)造，并用動(dòng)漫介紹換向器的工作原理，并舉例說明直流電動(dòng)機(jī)在生活中的應(yīng)用[3]。
3.重視技巧，實(shí)踐檢驗(yàn)
在儀器構(gòu)造中，為讓中學(xué)生感受儀器涉及的關(guān)鍵規(guī)律，因而感悟儀器的原理本質(zhì)，需重視科學(xué)方式教育，滲透化學(xué)思想，并在實(shí)踐中檢驗(yàn)儀器的可行性。如《歐姆表》是一個(gè)重要的數(shù)學(xué)儀器，學(xué)習(xí)歐姆表不僅僅是把握其檢測原理、注意事項(xiàng)等問題，更要讓中學(xué)生經(jīng)歷水表的加裝過程，培養(yǎng)中學(xué)生的創(chuàng)新能力，解決問題的能力，感受轉(zhuǎn)換法的巧妙。
按照“伏安法”測內(nèi)阻的知識(shí)，借助公式R=U/I求出未知內(nèi)阻，這些檢測屬于間接檢測，相對復(fù)雜。能夠找到一種簡單的檢測方式？中學(xué)生自然會(huì)想到，只要用電壓表測出電壓，再用公式I=E/(R0+r+Rg),進(jìn)行求解，就可以求出待測內(nèi)阻。借助估算的方法求未知內(nèi)阻，會(huì)愈加繁雜。在圖5所示的電路中，調(diào)節(jié)阻值R0，接入未知內(nèi)阻Rx,電壓表的示數(shù)為I1，為了確定內(nèi)阻Rx的大小，可用內(nèi)阻箱取代Rx,調(diào)節(jié)阻值箱也使電路中的電壓示數(shù)為I1。這時(shí)RX的內(nèi)阻就等于內(nèi)阻箱的聯(lián)接的內(nèi)阻大小。根據(jù)這個(gè)思路，在電路中接入不同的內(nèi)阻（已知），電路中都會(huì)有不同的電壓，當(dāng)電路中接入未知內(nèi)阻時(shí)，按照電壓表所指示數(shù)，就可以確定未知內(nèi)阻的大小。基于以上思路，在圖5所示的電路中接入內(nèi)阻箱，改變阻值箱的電阻，分別讀出電壓表的示數(shù)，并在對應(yīng)的電壓表的示數(shù)標(biāo)出阻值值，依次聯(lián)接內(nèi)阻的刻度線，都會(huì)產(chǎn)生如圖6所示的一個(gè)內(nèi)阻的刻度盤，此刻度盤與電壓的示數(shù)一一對應(yīng)。這些經(jīng)歷調(diào)節(jié)阻值，讀電壓示數(shù)，畫出刻度線的系列操作，能讓中學(xué)生深刻體驗(yàn)加裝歐姆表的過程，歐姆表的表盤是怎樣描畫下來的，因而理解整個(gè)加裝過程。
借助加裝的歐姆表，分別檢測已知內(nèi)阻的大小（覆蓋電阻標(biāo)記），如20Ω、150Ω、1000Ω的內(nèi)阻。當(dāng)把這種內(nèi)阻接到加裝的水表中時(shí)，接20Ω內(nèi)阻時(shí)，表針在表盤的右端，接1000Ω內(nèi)阻時(shí)表針在表盤的上端，發(fā)覺這兩個(gè)內(nèi)阻的示數(shù)與真實(shí)值差異較大；當(dāng)接50Ω內(nèi)阻時(shí)，表針在刻度盤的中間如何求未知電阻，與真實(shí)值相差較小。由此可見，測內(nèi)阻時(shí)，應(yīng)使表針在表盤的中間位置，便于減少偏差。怎樣使不同電阻的表針都能呈現(xiàn)在刻度盤的中間位置，因而提升檢測的精確度？此時(shí)，班主任可以讓中學(xué)生觀察圖6并思索：表針指在刻度盤的中間位置代表哪些？換用不同的阻值，表針指示相同又說明哪些？引導(dǎo)學(xué)生理解電路中接入不同阻值，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器R0能使電壓保持不變，因而理解每次檢測不同阻值，都須要調(diào)零，能夠提升了檢測的確切度。
最后進(jìn)行總結(jié)，因?yàn)殡妷罕砗碗娏鞅淼募友b過程及原理已在上面學(xué)習(xí)，所以剖析完歐姆表的加裝后，可以進(jìn)行全面回顧，以上各表都是由電壓表加裝而成，為便捷測，可以把電壓表、電壓表、歐姆表進(jìn)行整合，借助切換的方法進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在以上基礎(chǔ)上，在介紹萬用表的讀數(shù)、使用及注意事項(xiàng)等問題。
4.梳理規(guī)則，實(shí)踐應(yīng)用
在儀器構(gòu)造的過程中，在針對儀器的重點(diǎn)、難點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行突破時(shí)，中學(xué)生把握了儀器的原理、結(jié)構(gòu)部件、功能用法后，之后進(jìn)行操作練習(xí)，引導(dǎo)中學(xué)生提煉梳理儀器操作流程。如在《天平》一節(jié)的學(xué)習(xí)中，針對天平調(diào)節(jié)平衡、游碼讀數(shù)等問題進(jìn)行了有效突破，并梳理總結(jié)天平的使用規(guī)則。
天平是一個(gè)比較精密的儀器，要讓中學(xué)生真正認(rèn)識(shí)天平的原理，須要從簡單位問題開始。展示玩蹺蹺板的情景，可用一個(gè)木板、圓柱形支架、兩個(gè)瓶子模擬蹺蹺板的轉(zhuǎn)動(dòng)過程，讓中學(xué)生比較那個(gè)瓶子質(zhì)量大。中學(xué)生按照下沉和上翹判定木板的平衡情況，最后可得木板水平平衡時(shí)，兩端的瓶子質(zhì)量相等。以上設(shè)計(jì)能比較出兩個(gè)物體的質(zhì)量大小關(guān)系，但不能得出物體具體的質(zhì)量。如何能夠測出物體具體的質(zhì)量呢？可用圖7進(jìn)行引導(dǎo)，小兔子和一個(gè)50g的石塊，木板剛好平衡，你覺得兔子的質(zhì)量應(yīng)當(dāng)是多少？在玩蹺蹺板的基礎(chǔ)上，中學(xué)生自然能得到兔子的質(zhì)量也是50g。借助這些方式，把不同的物體放到木板的上端，在木板的右端放質(zhì)量已知的石塊，木板水平平衡時(shí)，物體的質(zhì)量就等于石塊的質(zhì)量。為易于檢測不同物體質(zhì)量，可以多制做一些標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量的石塊，如100g、50g、20g、10g、5g、1g等，為便捷的檢測物體的質(zhì)量，須要有一定質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的石塊——系列砝碼。通過上述問題引導(dǎo)，中學(xué)生能夠認(rèn)識(shí)砝碼的作用和價(jià)值。
基于以上剖析，都會(huì)發(fā)覺一個(gè)現(xiàn)實(shí)問題：當(dāng)物體的質(zhì)量和砝碼的質(zhì)量不相等時(shí)，怎樣檢測呢？如果圖7中右端放50g砝碼時(shí)，木板上端下沉，放50+1g砝碼時(shí)，木板板右端下沉。這些情況下，蹺蹺板不在水平方向平衡，此時(shí)并測不出小兔子的質(zhì)量，如何解決這個(gè)問題呢？以上情況說明兔子的質(zhì)量應(yīng)在50-51g之間，此時(shí)砝碼測不出物體的確切質(zhì)量。如果有大于1g的砝碼，即可解決以上問題，我們可以在橫梁上用一個(gè)小石塊（游碼）進(jìn)行調(diào)節(jié)平衡，如圖8所示，最后物體的質(zhì)量的就應(yīng)是砝碼質(zhì)量和游碼示數(shù)之和。通過以上過程一架天平就構(gòu)造下來了，之后讓中學(xué)生共同梳理，天平的使用規(guī)則。這樣除了把握了天平的使用規(guī)則，更懂得的檢測原理和本質(zhì)[4]。
其實(shí)，儀器構(gòu)造式教學(xué)法的切實(shí)點(diǎn)應(yīng)充分體如今“培養(yǎng)探究能力與創(chuàng)造精神上”，而不局限于知識(shí)與技能。要把儀器教學(xué)的各環(huán)節(jié)與各要素看作一個(gè)完整的系統(tǒng),充分發(fā)揮整體小于部份之和的效益。另外，在教學(xué)過程中，要有多媒體或動(dòng)漫資源的支持，或則有可分解可拆卸的演示教具支持。構(gòu)造的過程，要富于創(chuàng)意，不能生搬硬套，但是注意不斷反饋調(diào)整，不斷改進(jìn)建立，能夠使教學(xué)療效最大化。
（本文發(fā)表在《物理教學(xué)》2018年第10期）