對化學儀器教學的思索
——談化學儀器構造式教學
摘要：在化學儀器教學中，好多班主任只重視講解儀器的使用，忽略儀器的制做過程，沒有根據實際需求舉辦教學，儀器的原理和所含的數學思想常常被淡化，以至于中學生不能真正把握儀器的本質。高中化學實驗儀器的“構造式”教學法，根據儀器的核心原理和技術須要，把儀器的結構部件逐漸“構造”出來。這樣的教學設計，符合中學生的認知規律，發散中學生的思維，培養中學生的創新能力，提高中學生的科學素質。
關鍵詞：儀器構造，思維發散，能力培養
一、問題的提出——儀器構造式教學
隨著隨著科技的進步，先進的教學儀器不斷涌現，如濕度計、天平、測力計等傳統器材，已被紅外濕度計、電子稱、傳感器等先進儀器取代，新一代教學儀器具有操作簡單，靈敏度高等特性。所以，大多數班主任覺得傳統教學儀器，不在具有使用價值，教學中不應再使用一些“過時”的儀器，與時代發展不同步。筆者覺得，好多班主任把數學儀器教學的價值只是定位在知識學習和實驗技能培養上，而忽略了創新能力和思想方式的培養。事實上傳統儀器，仍具有不可取代的作用，它是培養中學生創新能力的重要途徑，也是施行科學方式教育的重要載體。所以，我們應重新思索化學儀器教學的價值和功能，著力落實化學儀器奇特的育人功能。因此，筆者結合新課標育人理念，立足教學實際，提出了化學儀器構造教學法的教學主張。
儀器構造式教學，是在數學儀器教學中，根據儀器的核心原理和核心技術，把儀器的結構部件逐漸“構造”出來，進行融合教學的一套程序技巧。其基本理念是，化學實驗儀器的教學是一個有意義的理解建構過程和實踐應用過程，主張把儀器拆開，從雛型到完形，循序漸進，逐漸建立，構造出儀器的整體。把儀器的原理、結構、功能、用法、規則，彼此聯系、融為一體。
儀器構造法的基本要求是，在全程中貫串問題解決，仍然以問題挑戰中學生思維，引導中學生思索，不斷探索解決方案；借助微探究，滲透思想方式，引導中學生解決實際需求問題，因而把握儀器的本質原理。儀器構造式教學遵守知識產生的過程，循序漸進，逐漸構造建立，把儀器的發明創造過程重演一遍，啟迪中學生進行發明創造。同時感悟儀器部件的功能和用法，并在儀器的實踐應用中，培養中學生的操作技能和實踐能力[1]。
二、開展儀器構造式教學的途徑
在儀器教學中，充分運用“啟發式教學原則”與“發現式教學方式”，借助微探究，讓中學生發覺儀器涉及的關鍵規律如何求未知電阻，領會儀器的原理本質，具體做法如下。
1.創設情景，問題推動
首先要創設問題情境，迸發興趣欲望，啟發中學生思索，從認知上引入探究的問題。逐漸構造建立的方式，重演儀器的發明創造過程，啟迪中學生進行“創造創新”，同時領會儀器部件的功能和用法。如在學習《滑動變阻器》一節中，讓中學生經歷儀器創造的過程。
在引課環節，首先用小燈泡模擬調光吊燈，取一根1米的內阻絲，逐步降低內阻絲的寬度，小燈泡逐步變暗。這時班主任問：“若需得到更大的阻值，怎樣辦”？中學生自然會想到繼續降低內阻絲的寬度，班主任接著出示一根2米左右的阻值絲，此時操作很不便捷，引導中學生思索把內阻絲繞上去使用。根據以上思路，把內阻絲緊密繞上去，接在電路中，發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？讓中學生觀察并思索，中學生發覺內阻絲是導體，繞成線圈后互相接觸，成為一個電阻較小的大線圈，改變線圈的厚度并不能有效的改變阻值大小。
怎么解決各匝內阻絲之間漏電問題呢？中學生自然會想到給內阻絲“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，發覺燈泡的色溫很暗，也不能調節照度。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。于是引導中學生，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。依據需求，改變阻值絲的阻值，即可改變阻值的大小，這時還須要一個能聯接內阻絲的滑片和金屬桿。這樣一個滑動變阻器的雛型就構造下來了。
最后班主任總結，這樣制做的滑動變阻器，導線的絕緣層相對較粗，易導致線路接觸不良，因而常用漆包線（所謂漆包線是在內阻絲上鍍一層絕緣漆）取代。為降低滑片與線圈接觸的穩定性，還需用橫桿和支架固定滑片，用接線柱固定導線接頭，這樣就制做成實驗用的滑動變阻器了[2]。本設計創設了一個個問題情景，用問題不斷引導中學生的思維，直至問題解決。
2.實踐嘗試，逐漸建立
在儀器教學的全過程中，一直以問題挑戰中學生的思維，為找尋問題解決的方案，需在實踐中不斷嘗試，逐漸建立方案，能夠構造出精致的儀器。如在學習《直流電動機》一節時，不斷讓中學生找尋線圈持續轉動的方案，突破換向器這一難點，經歷了直流電動機發明的全過程。
引課環節，首先受奧斯特實驗的啟發，根據逆向思維，提出問題“磁也應對電壓有力的作用”。為探究這一問題，于是把通電直導線置于磁場中，可得“通濁度線在磁場中受力而運動”。按照通這一原理，把直導線變型，制做成線框狀，因為線框兩條邊中電流方向相反，遭到的磁場力方向也相反，線圈應當在兩個相反力的作用下發生轉動。之后讓中學生用直導線彎成線框形，進行模擬，發覺線框若轉動會發生繞線問題，不能持續的轉動。之后，引導中學生觀察受通電直導線在滑軌運動的場景，導線在滑軌上既能運動，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。
中學生解決了繞線問題后，借助細銅線（漆包線）、鋁硼吸鐵石、電池、支架、砂紙等器材，讓中學生分組實驗，讓線圈轉上去。并按以右圖3所示進行操作。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，發覺線圈只能左右擺動，并不能持續轉動。為何不能持續轉動呢？為突破這一難點，借助動漫或模型進行剖析，讓中學生曉得，開始轉動時，線圈兩個邊受力相反，都是動力。在后半周，線圈兩個邊所受的力方向雖沒變，但弄成為了阻力，所以線圈不能持續轉動。若果讓線圈持續的轉動，應當怎樣辦呢？引導中學生思索，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）。線圈轉動時，前半周通電，后半周斷電，線圈前半周靠動力轉動，后半周靠慣性轉動，即可實現持續轉動。
經歷了自制電動機的過程后，再學習電動機模型和實際的電動機，了解電動的構造，并用動漫介紹換向器的工作原理，并舉例說明直流電動機在生活中的應用[3]。
3.重視技巧，實踐檢驗
在儀器構造中，為讓中學生感受儀器涉及的關鍵規律，因而感悟儀器的原理本質，需重視科學方式教育，滲透化學思想，并在實踐中檢驗儀器的可行性。如《歐姆表》是一個重要的數學儀器，學習歐姆表不僅僅是把握其檢測原理、注意事項等問題，更要讓中學生經歷水表的加裝過程，培養中學生的創新能力，解決問題的能力，感受轉換法的巧妙。
按照“伏安法”測內阻的知識，借助公式R=U/I求出未知內阻，這些檢測屬于間接檢測，相對復雜。能夠找到一種簡單的檢測方式？中學生自然會想到，只要用電壓表測出電壓，再用公式I=E/(R0+r+Rg),進行求解，就可以求出待測內阻。借助估算的方法求未知內阻，會愈加繁雜。在圖5所示的電路中，調節阻值R0，接入未知內阻Rx,電壓表的示數為I1，為了確定內阻Rx的大小，可用內阻箱取代Rx,調節阻值箱也使電路中的電壓示數為I1。這時RX的內阻就等于內阻箱的聯接的內阻大小。根據這個思路，在電路中接入不同的內阻（已知），電路中都會有不同的電壓，當電路中接入未知內阻時，按照電壓表所指示數，就可以確定未知內阻的大小。基于以上思路，在圖5所示的電路中接入內阻箱，改變阻值箱的電阻，分別讀出電壓表的示數，并在對應的電壓表的示數標出阻值值，依次聯接內阻的刻度線，都會產生如圖6所示的一個內阻的刻度盤，此刻度盤與電壓的示數一一對應。這些經歷調節阻值，讀電壓示數，畫出刻度線的系列操作，能讓中學生深刻體驗加裝歐姆表的過程，歐姆表的表盤是怎樣描畫下來的，因而理解整個加裝過程。
借助加裝的歐姆表，分別檢測已知內阻的大小（覆蓋電阻標記），如20Ω、150Ω、1000Ω的內阻。當把這種內阻接到加裝的水表中時，接20Ω內阻時，表針在表盤的右端，接1000Ω內阻時表針在表盤的上端，發覺這兩個內阻的示數與真實值差異較大；當接50Ω內阻時，表針在刻度盤的中間如何求未知電阻，與真實值相差較小。由此可見，測內阻時，應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在刻度盤的中間位置，因而提升檢測的精確度？此時，班主任可以讓中學生觀察圖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？引導學生理解電路中接入不同阻值，調節滑動變阻器R0能使電壓保持不變，因而理解每次檢測不同阻值，都須要調零，能夠提升了檢測的確切度。
最后進行總結，因為電壓表和電流表的加裝過程及原理已在上面學習，所以剖析完歐姆表的加裝后，可以進行全面回顧，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、歐姆表進行整合，借助切換的方法進行轉換。在以上基礎上，在介紹萬用表的讀數、使用及注意事項等問題。
4.梳理規則，實踐應用
在儀器構造的過程中，在針對儀器的重點、難點內容進行突破時，中學生把握了儀器的原理、結構部件、功能用法后，之后進行操作練習，引導中學生提煉梳理儀器操作流程。如在《天平》一節的學習中，針對天平調節平衡、游碼讀數等問題進行了有效突破，并梳理總結天平的使用規則。
天平是一個比較精密的儀器，要讓中學生真正認識天平的原理，須要從簡單位問題開始。展示玩蹺蹺板的情景，可用一個木板、圓柱形支架、兩個瓶子模擬蹺蹺板的轉動過程，讓中學生比較那個瓶子質量大。中學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，兩端的瓶子質量相等。以上設計能比較出兩個物體的質量大小關系，但不能得出物體具體的質量。如何能夠測出物體具體的質量呢？可用圖7進行引導，小兔子和一個50g的石塊，木板剛好平衡，你覺得兔子的質量應當是多少？在玩蹺蹺板的基礎上，中學生自然能得到兔子的質量也是50g。借助這些方式，把不同的物體放到木板的上端，在木板的右端放質量已知的石塊，木板水平平衡時，物體的質量就等于石塊的質量。為易于檢測不同物體質量，可以多制做一些標準質量的石塊，如100g、50g、20g、10g、5g、1g等，為便捷的檢測物體的質量，須要有一定質量標準的石塊——系列砝碼。通過上述問題引導，中學生能夠認識砝碼的作用和價值。
基于以上剖析，都會發覺一個現實問題：當物體的質量和砝碼的質量不相等時，怎樣檢測呢？如果圖7中右端放50g砝碼時，木板上端下沉，放50+1g砝碼時，木板板右端下沉。這些情況下，蹺蹺板不在水平方向平衡，此時并測不出小兔子的質量，如何解決這個問題呢？以上情況說明兔子的質量應在50-51g之間，此時砝碼測不出物體的確切質量。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小石塊（游碼）進行調節平衡，如圖8所示，最后物體的質量的就應是砝碼質量和游碼示數之和。通過以上過程一架天平就構造下來了，之后讓中學生共同梳理，天平的使用規則。這樣除了把握了天平的使用規則，更懂得的檢測原理和本質[4]。
其實，儀器構造式教學法的切實點應充分體如今“培養探究能力與創造精神上”，而不局限于知識與技能。要把儀器教學的各環節與各要素看作一個完整的系統,充分發揮整體小于部份之和的效益。另外，在教學過程中，要有多媒體或動漫資源的支持，或則有可分解可拆卸的演示教具支持。構造的過程，要富于創意，不能生搬硬套，但是注意不斷反饋調整，不斷改進建立，能夠使教學療效最大化。
（本文發表在《物理教學》2018年第10期）