摘要：本文從中學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)視角出發(fā)，對在完成《義務(wù)教育數(shù)學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》9個檢測類必做實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，怎樣指導(dǎo)中學(xué)生設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)并應(yīng)用課堂教學(xué)中提出了具體的案例。分別從直接檢測、間接檢測和特殊檢測三個層面對檢測類中學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探討。
關(guān)鍵詞：檢測；中學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)；課標(biāo)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)
《義務(wù)教育數(shù)學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱2022年版課標(biāo)）對中學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了分類，包括檢測類和探究類實(shí)驗(yàn)。這兩類中學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)互相關(guān)聯(lián)，各有著重。檢測類實(shí)驗(yàn)是指中學(xué)生利用檢測工具，根據(jù)某化學(xué)規(guī)律或化學(xué)方式量化物體某屬性的活動過程．中學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)中檢測類實(shí)驗(yàn)共有19個（包括2022年版課標(biāo)中列舉的9個檢測類必做實(shí)驗(yàn)），其中直接檢測類實(shí)驗(yàn)七個、間接檢測類實(shí)驗(yàn)八個、特殊方式檢測類實(shí)驗(yàn)四個，如下表。通過檢測類實(shí)驗(yàn)，能培養(yǎng)中學(xué)生初步的數(shù)學(xué)觀念和實(shí)驗(yàn)技能；提升中學(xué)生運(yùn)用數(shù)學(xué)知識和規(guī)律，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，采用合適的檢測工具和檢測方式獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的能力，從而提高數(shù)據(jù)處理、分析、交流和評估等綜合能力。
序號
類別
實(shí)驗(yàn)名稱
序號
類別
實(shí)驗(yàn)名稱
直接檢測
用刻度尺檢測寬度
11
間接檢測
用伏安法檢測內(nèi)阻
直接檢測
用表檢測時(shí)間
12
間接檢測
檢測滑車架的機(jī)械效率
直接檢測
用天平檢測物體的質(zhì)量
13
間接檢測
檢測大氣壓
直接檢測
用常見體溫計(jì)檢測氣溫
14
間接檢測
檢測壓強(qiáng)
直接檢測
用彈簧測力計(jì)檢測力
15
間接檢測
檢測重力
直接檢測
用電壓表檢測電壓
16
特殊檢測
用累積法檢測小物體的厚度
直接檢測
用電流表檢測電流
17
特殊檢測
用累積法檢測小物體的質(zhì)量
間接檢測
檢測物體運(yùn)動的速率
18
特殊檢測
特殊方式測密度
間接檢測
檢測水平運(yùn)動物體所受的滑動磨擦力
19
特殊檢測
用等效法、雙安法等檢測內(nèi)阻
10
間接檢測
檢測小燈泡的電功率
一、直接檢測類中學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與應(yīng)用
中學(xué)數(shù)學(xué)中的七個直接檢測類實(shí)驗(yàn)，都是課程標(biāo)準(zhǔn)中要求的中學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)。直接檢測類實(shí)驗(yàn)是后續(xù)間接檢測、科學(xué)探究的基礎(chǔ)，要求在課堂上班主任通過現(xiàn)場演示或則播放微課演示，目的是讓中學(xué)生了解檢測工具時(shí)的“五會”：一是會看檢測工具的阻值和最小分度值，二是會調(diào)節(jié)(或觀察)檢測工具的零點(diǎn)(或平衡)，三是會規(guī)范操作檢測工具進(jìn)行檢測，四是會讀數(shù)，五是會記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。另外在介紹一些檢測工具的工作原理時(shí)，也可以通過中學(xué)生課前制做創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)微課，課堂上進(jìn)行微實(shí)驗(yàn)教學(xué)，比如自制體溫計(jì)。
【案例1】“學(xué)生自制簡易體溫計(jì)”微實(shí)驗(yàn)教學(xué)
廣州佛山均安林文恩學(xué)校八（1）班實(shí)驗(yàn)小組，借助寒暑表和簡易的材料制做濕度計(jì)（如圖1所示），過程如下：先用用寒暑表檢測第一杯水的氣溫，之后將插著透明管、裝有紅墨水的杯子裝入水底，待示數(shù)穩(wěn)定后，在刻度板上標(biāo)記氣溫值。換用另一杯氣溫更高的冷水，重復(fù)上述步驟，這樣就得到了一個有刻度的簡易體溫計(jì)，用這支簡易體溫計(jì)可以檢測冷水的體溫。
圖1
佛山均安林文恩學(xué)校八(1)梁漢祥小組
課堂上，先提出問題：（1）實(shí)驗(yàn)室體溫計(jì)是借助液體的哪些規(guī)律制成的?（2）實(shí)驗(yàn)中自制的簡易體溫計(jì)是怎樣標(biāo)記刻度值的？（3）攝氏氣溫又是怎么規(guī)定體溫的呢？中學(xué)生帶著問題觀看微課，在節(jié)點(diǎn)處按暫停，中學(xué)生依次思索并回答以上三個問題。
點(diǎn)評：借助中學(xué)生自制簡易體溫計(jì)微實(shí)驗(yàn)，來引導(dǎo)中學(xué)生自學(xué)濕度計(jì)，實(shí)驗(yàn)真實(shí)，過程清晰，現(xiàn)象顯著，在觀看微課過程中，中學(xué)生首先找到了體溫計(jì)的工作原理，之后在演示實(shí)驗(yàn)過程中，深入了解標(biāo)記體溫計(jì)刻度的過程，這樣中學(xué)生似乎沒有到鞋廠視察過體溫計(jì)的生產(chǎn)過程，但也能挺好地理解對0℃、100℃以及分度值的規(guī)定。這樣的經(jīng)歷為中學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)彈簧測力計(jì)等檢測工具打下基礎(chǔ)。
二、間接檢測類中學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與應(yīng)用
高中數(shù)學(xué)教學(xué)中的九個間接檢測實(shí)驗(yàn)是對七個直接檢測實(shí)驗(yàn)的綜合運(yùn)用。速率、密度等九個間接檢測須要轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的直接檢測，之后再依據(jù)數(shù)學(xué)規(guī)律求出間接檢測。轉(zhuǎn)化過程中的推理及根據(jù)對發(fā)展中學(xué)生科學(xué)思維和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰哂兄匾獌r(jià)值。
以八年級第一學(xué)期為例，檢測速率是重要的間接檢測類實(shí)驗(yàn)，也是課標(biāo)要求的中學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)。在新課教學(xué)中，可以課前錄制微實(shí)驗(yàn)，課堂上當(dāng)中學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理后，進(jìn)行微實(shí)驗(yàn)教學(xué)，播放微課，進(jìn)一步簡約高效地明晰實(shí)驗(yàn)步驟及注意事項(xiàng)，提升效率、規(guī)范操作，保證實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行。新課教學(xué)后，班主任可以進(jìn)一步布置假期實(shí)踐作業(yè)——測量某運(yùn)動物體的速率，并錄制視頻、完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告上傳，達(dá)到鞏固提高的目的。
【案例2】“測量電動車的速率”微實(shí)驗(yàn)教學(xué)
廣州佛山翁祐高中八（4）班聶海權(quán)小組，在檢測電動車的速率實(shí)驗(yàn)中（如圖2），先檢測了兩棵樹之間的距離為2.7m，之后檢測電動車通過兩棵樹所用的時(shí)間為1.98s，之后借助公式v=s/t估算出電動車的速率為1.4m/s。班主任進(jìn)一步挖掘這一實(shí)驗(yàn)的教學(xué)價(jià)值，將其作為課堂微實(shí)驗(yàn)教學(xué)素材。
圖2
佛山翁祐高中804班聶海權(quán)小組
課堂上，先提出問題：（1）該實(shí)驗(yàn)的原理是否正確？（2）測得的電動車速率比實(shí)際速率偏大、偏小還是相等？主要誘因是哪些？中學(xué)生帶著問題觀看微課，之后回答問題。該實(shí)驗(yàn)的原理是正確的，測得的速率顯著比實(shí)際速率偏小，朋友們也容易找出緣由——由于電動車頓時(shí)就經(jīng)過了兩棵樹，造成檢測時(shí)間偏大。緊接著班主任提出問題（3）：對此實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，有哪些舉措可以減少偏差提升精確程度（可以更換檢測器材）？中學(xué)生展開小組討論，有的提出可以采用愈發(fā)精密的檢測時(shí)間的器材測鹽水密度實(shí)驗(yàn)視頻，比如紅外線電子計(jì)時(shí)器；有的則覺得可以加強(qiáng)所檢測的路程；也有的提出減小路程和使用紅外線電子計(jì)時(shí)系統(tǒng)相結(jié)合。
點(diǎn)評：與直接檢測實(shí)驗(yàn)相比，間接檢測實(shí)驗(yàn)的思路、操作程序都比較復(fù)雜,對中學(xué)生抒發(fā)能力的要求也較高。為了提升檢測技能和抒發(fā)技能，班主任設(shè)計(jì)了實(shí)踐作業(yè)。從收到的中學(xué)生作品來看，檢測對象十分豐富，有玩具貨車、人、自行車、小球等；檢測的工具也不少，有三角尺、卷尺、皮尺、電子腕表、手機(jī)等。中學(xué)生們能靈活運(yùn)用原理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，記錄與估算操作熟練，但在對實(shí)驗(yàn)過程中的偏差，或則出現(xiàn)的新問題評估意識不強(qiáng)，評估能力較弱。于是班主任選擇偏差較大的實(shí)驗(yàn)，在課堂上演示，引導(dǎo)中學(xué)生對實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行剖析，找出造成偏差較大的誘因，進(jìn)而提出改進(jìn)方式。通過這樣的微實(shí)驗(yàn)教學(xué)，能培養(yǎng)中學(xué)生發(fā)覺問題、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的意識，提升評估和創(chuàng)新能力。
三、特殊檢測類中學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與應(yīng)用
特殊檢測是指在缺少必要檢測工具或檢測工具精度不夠的情況下，運(yùn)用數(shù)學(xué)規(guī)律和科學(xué)方式，克服檢測工具的局限，而進(jìn)行巧妙檢測。這類檢測對于培養(yǎng)中學(xué)生的科學(xué)思維和創(chuàng)新精神具有重要價(jià)值。以檢測固體和液體的密度實(shí)驗(yàn)為例，常規(guī)實(shí)驗(yàn)是間接檢測類實(shí)驗(yàn)，2022年版課標(biāo)對于檢測密度實(shí)驗(yàn)的要求是：“用天平、量筒等檢測小鐵塊和鹽水的密度”。在“活動建議”中提出了更高的要求：（1）蠟塊會懸浮在海面上，嘗試用天平和量杯檢測蠟塊的密度。（2）用電子秤檢測一些家用物品的質(zhì)量，體會電子天平在操作上的優(yōu)點(diǎn)，感受科技進(jìn)步給人類生活帶來的影響。廣州佛山翁祐高中劉小豐老師主持的《“雙減”背景下舉辦中學(xué)數(shù)學(xué)中學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐研究》課題研究，在完成常規(guī)教學(xué)以后，對該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了創(chuàng)新作業(yè)設(shè)計(jì)——學(xué)生自主設(shè)計(jì)并完成一個特殊法檢測密度的實(shí)驗(yàn)。搜集中學(xué)生的作品進(jìn)行分類，選出代表性的微實(shí)驗(yàn)作品應(yīng)用于“特殊法測密度”課堂教學(xué)中。
【案例3】“特殊法測牛奶水密度”微實(shí)驗(yàn)教學(xué)
廣州佛山翁祐高中八（4）班李諾樂小組，選擇在沒有量杯的條件下檢測牛奶水密度（圖3）。實(shí)驗(yàn)場所在市場，借助市場的“公秤”、一個玻璃杯和馬克筆，依次測出檢測空杯質(zhì)量、裝有水的瓶子的質(zhì)量測鹽水密度實(shí)驗(yàn)視頻，再測出裝有和水等容積牛奶水的瓶子的質(zhì)量，之后估算出白糖水的密度，最后提供一道與此實(shí)驗(yàn)相關(guān)的練習(xí)題。
圖3
佛山翁祐高中804李諾樂小組
課堂教學(xué)中，班主任提出問題：假若沒有量杯，怎么檢測牛奶水的密度？中學(xué)生思索后，班主任說：“讓我們一上去看下，李諾樂小組是怎樣檢測的？請記錄所測得的化學(xué)量及數(shù)據(jù)。”然后播放微課。中學(xué)生估算后小組討論，班主任再提出問題：實(shí)驗(yàn)中是怎樣間接測出牛奶底泥積的？因而引導(dǎo)中學(xué)生思考馬克筆在此實(shí)驗(yàn)中的作用，理解等效取代法。最后中學(xué)生估算出密度，并做微課中提供的練習(xí)題。
【案例4】“特殊法測小石頭密度”微實(shí)驗(yàn)教學(xué)
廣州佛山翁祐高中八（4）黃子威小組，則選擇在沒有量杯的條件下檢測小鐵塊的密度（如圖4）。實(shí)驗(yàn)過程中，先設(shè)計(jì)了滴定管被“打碎”的情境，由實(shí)驗(yàn)助手“鸚鵡”選擇檢測對象——小石頭。之后依次測出石頭的質(zhì)量、空杯的質(zhì)量、裝有水的瓶子的質(zhì)量，之后將石頭浸入在水底，在水面對應(yīng)杯壁處做好標(biāo)記，取出石頭后，加鹽至標(biāo)記處并測出此時(shí)杯和水的質(zhì)量。
圖4
佛山翁祐高中804黃子威小組
課堂教學(xué)中，在完成了特殊法測固體密度實(shí)驗(yàn)教學(xué)后，班主任提出問題：接出來我們探究特殊法測固體的密度。假如沒有量杯，怎么檢測小石頭的密度？中學(xué)生思索后，班主任說：“讓我們一上去看下，黃子威小組是怎樣檢測的？請記錄所測得的化學(xué)量及數(shù)據(jù)。”然后播放微課。中學(xué)生估算后小組討論，班主任再提出問題：實(shí)驗(yàn)中是怎樣間接測出石頭容積的？因而引導(dǎo)中學(xué)生思索馬克筆在此實(shí)驗(yàn)中的作用，理解等效取代法。在中學(xué)生估算出密度。繼續(xù)推動中學(xué)生圍繞以下幾個問題討論：（1）此實(shí)驗(yàn)中哪一個步驟是何必要的？（2）將石頭從水底取出時(shí)，石頭表面沾有水，這會造成檢測石頭的容積偏大、偏小還是不變？
點(diǎn)評：傳統(tǒng)的解決特殊法測密度問題，通常都是以做題、講題為主，不利于中學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰εc創(chuàng)新能力的提高。“雙減”背景下，須要對作業(yè)設(shè)計(jì)方式與內(nèi)容進(jìn)一步優(yōu)化，劉小豐老師課題組采取的策略是：變紙質(zhì)作業(yè)為實(shí)踐作業(yè)，中學(xué)生自主提出問題，通過合理推測假定，自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)、全面細(xì)致觀察、主動合作探究完成自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，同時(shí)產(chǎn)生課堂教學(xué)素材，為創(chuàng)新檢測類實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了新的思路。
兩個實(shí)驗(yàn)都很有創(chuàng)意，一個在市場完成，另一個則金剛鸚鵡的“協(xié)助”下完成。彰顯了以下三個亮點(diǎn)：一是選題在常規(guī)實(shí)驗(yàn)中自主創(chuàng)新在新課學(xué)習(xí)學(xué)生做過《測量固體的密度》，巧妙設(shè)計(jì)了“量筒擊碎”這一情境，從而探求缺乏量杯的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。這彰顯了中學(xué)生自主設(shè)計(jì)的創(chuàng)新意識。二是實(shí)驗(yàn)原理正確過程清晰流暢沒有量杯，怎么測牛奶水、小石頭的容積？采取了“等效取代”的科學(xué)方式，通過測水的容積因而得到牛奶水和石頭的容積，標(biāo)記線是關(guān)鍵。實(shí)驗(yàn)原理正確，實(shí)驗(yàn)操作熟練，解說簡介清晰，估算過程展示清楚，推演過程完整，最后得出結(jié)果。整個過程彰顯了實(shí)驗(yàn)小組扎實(shí)的實(shí)驗(yàn)操作技能和靈活的思維。三是市場公秤的運(yùn)用，金剛鸚鵡參與，這讓我們眼前一亮，一下子就捉住了聽眾的心，大大提升了微實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)精彩的同時(shí)，也略有遺憾，第二個實(shí)驗(yàn)沒有對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行評估，比如石頭上粘有水，會造成哪些樣的偏差？沒有按照此實(shí)驗(yàn)進(jìn)行選題或則命題，讓聽眾在觀看精彩實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，能通過練習(xí)進(jìn)一步鞏固知識點(diǎn)，提升測驗(yàn)時(shí)的得分。
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