研究性学习相对通常的课堂教学而言,有独到的优势,它非常有利于培养学生的实践能力和创新能力。如何指导学生开展研究性学习活动,这是一个全新的课题,也是当前教改的热点,笔者也进行了一些尝试,现举一个教学中的例子,希望能起到抛砖引玉的作用。
一、课题的提出
讲授了声波的知识后,陈明、密媛姗、何磊三位同学提出了一个很有意义的问题:
陈明:老师,波的两个基本特征是干涉和衍射现象。水波的干涉和衍射现象体现了波的这两个特征,而作为机械波的声波也应该具有这两个特点,声波的衍射现象非常明显,而声波的干涉现象却比较难以观察到。我们能否用实验的方法研究一下声波的干涉现象?如果能用实验的方法观察到声波的干涉现象,那一定非常有趣和有意义!我们想做一下这方面的工作。
陈君达老师(以下简称陈老师):课本没有安排这方面的实验,可能是因为演示这个实验有难度。你们想做这个实验,想法非常好,我们全力支持!你们需要什么器材,实验室全部提供。同时为了加强研究力量,我们组成一个课题小组。
【教学实践活动是学生获得课题的源泉,教师在教学过程中,只要做有心人,根据学生提出的问题,适时加以引导,是诱发学生进行研究性学习的重要手段。】
二、课题小组成员
学校:浙江省镇海炼化中学;学生:高一(1)班陈明、密媛姗、何磊;指导教师:物理教师陈君达,实验教师于龙夫。
【成立课题小组一方面有利于培养学生团队精神,另一方面也是为了更好发挥学生的创造性,一个好的团队往往就是一个非常好的创造集体。】
三、探索过程
1.第一套方案
陈老师:设计实验首先应有一个大致方案或要点,然后逐步实施,你们准备怎么着手?
【教师有意识引导学生进一步明确实验目的、原理和实施方案。】
何磊:这个问题我们三人已经讨论过了,做这个实验关键有两点:一是要找到相干波源;二是要找到显示干涉的方法,因为声波是直接看不到的。为此我们有个初步方案:如图1和图2所示,实验装置由发声系统和探测系统两部分组成。发声系统由一个带正弦波功率输出的低频信号发生器,两个间距可调的同型号小扬声器(阻抗为8欧的玩具小喇叭),探测系统由动圈话筒和一台多功能录音机组成。我们的设想是这样的:低频信号发生器推动两个扬声器发出两列相干声波,在空间形成稳定的声波干涉现象,这时用移动话筒去探测,在录音机上应该能听到强弱变化明显、有序的声音。(次日)
陈老师:你们试了吗?
密媛姗:试过了,从录音机上听到的声音强弱变化不明显,也就是观察不到明显的干涉现象!
【这个实验结果在教师的意料之中,让学生亲手做一下印象更深刻,教学中有时失败比成功更能获得良好的效果!】
陈老师:你们分析过原因了吗?
何磊:我们认真分析过了,实验原理粗看起来十分完美,其实有重大漏洞:原来是录音机发出的声波与扬声器上发出的声波相互干扰,影响了正常干涉的观察。我们真是太粗心了!
陈老师:那么这个问题你们是怎么解决的呢?
陈明:关键是要消除录音机上发出的声音的干扰,但要是录音机不发出声音的话,我们同时也就观察(听)不到声波的干涉现象了,正当我们陷入困境时,实验室于老师为我们出了个主意:“示波器是用来观察波形的常用设备,你们就用它来试一试吧!”在他的启发下,我们又设计出了另一种实验方案。
【学生进行研究性学习,源于书本而高于书本,有时给予适当的帮助是必须的,但是有限度的,点到为止是一个原则。】
2.第二套方案
陈明:如图3,我们把原来的探测系统改成话筒和音频放大器及示波器组成。话筒将探测到的干涉信号通过音频放大器放大后再用示波器显示。
陈老师:具体试过了吗?
密媛姗:我们在实验室里反复试验过,但不很理想,话筒在空间不同位置探测时,发现话筒放在有些区域时观察到的现象与理论符合得很好,在振动加强区,观察到的波形的波幅较大,振动减弱区,观察到的波形的波幅较小;在有些区域波形波幅的变化比较无序,通过反复仔细的研究,我们发现话筒处在桌子附近或者在柜子、墙壁附近时,波形的波幅变化特别无序(常会出现一些新的波峰)。
【透过现象看到本质,在这种手脑并用、观察与思考同步进行的活动过程中,学生学习的智商得到有效开发,情商不断得到升华,这种教学效果在课堂中往往是无法得到的。】
陈老师:你们考虑过这是什么原因吗?
密媛姗:我们分析过了,其原因主要是,周围表面比较光滑的物体对声波的反射比较强,对扬声器发出的声波具有很强的干扰作用,影响了对正常干涉现象的观察。
陈老师:那么这个问题你们怎么解决呢?
何磊:这个问题我们也深入讨论过了,做好这个实验的关键是要控制反射波,但要消除反射波是不可能的,因此我们遇到了很大的困难。
陈老师:要控制反射波,并不是要消灭反射波,只要把反射波的影响控制在很小的范围之内,不影响观察效果就可以了。再努力一下,希望就在眼前!
【关键时推学生一把!】
3.第三套方案(几天后)
何磊:老师我们成功了!
陈老师:别急,慢慢说!
何磊:起先我们是这样考虑的,为了减小反射波.是否可用棉布把桌面或墙面遮挡起来,或者把实验装置放入类似蚊帐之类的空间内做实验,但由于一时材料准备有困难,没有马上实施,后来我们在上体育课时,突然想到,操场不就是一个最佳的天然实验环境吗!于是一个新方案产生了。新方案的实验器材与第二套方案完全相同,仅是改变一下实验场所:我们把实验器材放到操场草坪的中央做实验,因为操场很空旷,周围建筑物对波的反射的影响比较小,同时草坪对反射波有良好吸收作用,这样反射声波的影响就可忽略,也就能顺利观察到清晰的声波的干涉现象。
【一个头脑有准备的人随时能产生创造的火花!教育的最大成功不在于教给学生多少知识,而是要让学生成为一个头脑时刻有准备的人!】
陈老师:你们讲解一下实验过程好吗?
何磊:我们已经认真试验过了。如图4,把两个小型扬声器s1和s2相距68厘米放置,用频率为f=1000hz的低频信号发生器推动它发出声波(波长为34厘米,这时扬声器之间的距离为2λ),这时我们用探测系统反复探测,测出s1和s2之间共有五处振动加强区(如图4中实线所示,其中两处在s1和s2附近没有画出),四处振动减弱区(如图4中虚线所示)。保持s1和s2间距不变,改用f=1500k的声波做实验(这时s1和s2之间距离为3λ),如图5,我们探测到了七个振动加强区和六个振动减弱区。改变s1和s2的距离及声波的波长,同样得到了类似的结果。实验现象非常清晰和稳定,实验结果与理论分析得出的结论完全一致!
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