简论实验紧扣实验原理试述突破实验分析难点

1 问题再现——实验分析难到位
（1）如图1中甲所示，在一个配有活塞的厚玻璃筒里放一小团蘸了的棉花，将活塞迅速压下去，观察现象。
（2）如图1中乙所示，在大口玻璃瓶内装入少量水，并滴入几滴酒精，用气筒往瓶里打气，当塞子跳出时，观察瓶内的变化。
这两个实验的现象都比较明显，实验甲可以观察到：棉花燃烧，玻璃筒内发光；实验乙可以观察到：活塞跳出的瞬间，瓶中出现白雾。
然而，教学中却常常存在两个问题，一是实验现象虽然明显，学生却未能充分感知。尤其是实验乙，学生往往只是注意到“活塞跳出”，而忽视“瓶内出现白雾”这一关键现象。二是实验分析时，不少学生难以从实验现象及有关知识，经逻辑推理得出实验结论，只是机械地记住了实验现象和结论。这两个问题间又有着纵向联系，即实验观察对实验分析有直接影响。
2 原因分析——实验原理不理解
以上问题的存在，是由于学生不理解相关实验原理而导致的。这里所说的实验原理，并不是仅仅指实验所要说明的科学道理。广义地讲，实验原理是实验方法、实验装置和器材、实验过程、实验结果分析等所依据的科学道理。这样说来，一个实验中往往会包含多条实验原理，其中实验要说明的科学道理是核心原理，同时还有其它非核心的、但必须清楚的原理。这两个实验的核心原理是“外界对物体做功，可以使物体内能增加；物体对外做功，物体的内能会减少。”而“燃烧的条件、液化的方法、的理化性质、棉花和酒精在实验中的作用”等都是实验中必须清楚的、非核心的原理。对这些原理是否理解会直接影响实验现象的观察、分析和实验结论的得出。
首先，由于不理解实验原理，特别是不清楚、棉花、酒精等在实验中的作用，会导致实验观察对象不明确，未能将观察的焦点聚集在相应的对象上，这样现象虽然发生了，却没有被捕捉到。一方面，这两个实验虽然现象比较明显，但现象持续的时间很短。实验时，如果不明确应该重点观察什么，就容易错过观察实验的最佳时机。另一方面，一个实验中如果有多种现象同时发生，其它现象对关键现象的观察会产生干扰。如实验乙中，关键现象是“瓶内出现白雾”， 但实验中“塞子跳出及其伴随的响声”和“出现白雾”的现象几乎同时发生，且“塞子跳出及其伴随的响声”对学生的感官冲击更大，干扰学生对“白雾”这一关键现象的观察。对实验现象缺乏充分的感知，最终对实验分析构成障碍。
其次，这两个实验中，实验现象和所研究问题的联系是间接的，比如“压缩空气做功”实验中，实验对象是空气，而实验中并没有直接显示出空气的内能变化，显示的是棉花燃烧，需要结合燃烧的条件以及内能的有关知识，才能间接得出“压缩空气，空气内能增加”这一结论。同样，“气体对外做功”实验，要结合液化的条件进行分析，才能间接得出“对外做功，内能减小”的结论。学生虽然知道“燃烧条件、液化方法以及内能的基础知识”等与这个实验相关的原理，但要以逆向思维的方式应用这些原理来分析实验，还有一定困难，从而导致一些学生只是机械记忆实验现象和结论。
3 问题解决——实验原理紧相扣
从分析可知：紧扣实验原理，通过引导让学生充分理解相关实验原理，是有效解决以上问题的基础。

3.1 联系实际 初识核心原理

“做功能改变物体的内能”是这两个实验核心原理的上位原理，在实验前，需先习得这一原理。人教版9年级《物理》教材中，安排了如图2所示的图片，就是为了让学生在相关生活经验的源于：论文参考文献标准格式www.618jyw.com
基础上，通过教师引导，习得“做功可以改变物体的内能”这一原理，同时也对实验的核心原理有了初步认识。

3.2 运用原理 引导实验分析

案例甲：“压缩气体，内能增大”的实验分析过程。
学生先通过阅读，了解实验内容和实验操作步骤。
[释疑]①是一种易燃物质，着火点160℃，易挥发；②“活塞迅速压下去”的过程，是外力通过活塞对玻璃筒中空气做功的过程。
[引导]已知“做功可以改变物体的内能”，而“改变”可能是内能增加，也可能是内能减少。请预测：如果“活塞迅速压下去”，玻璃筒中空气的内能增加，则可能会观察到什么现象？
[学生预测]如果“活塞迅速压下去”，玻璃筒中空气的内能增加，可能会观察到棉花燃烧。因为空气内能增加，温度升高，达到的着火点，再加上玻璃筒内有空气，会燃烧，并引燃棉花。
案例乙：“气体对外做功，内能减小”的实验分析过程。
学生先通过阅读，了解实验内容和实验操作步骤。
[释疑]①酒精易挥发，密封的瓶内充满着酒精和水混合蒸气；②给瓶内打气，瓶内气压不断增大，导致瓶塞跳出。瓶塞跳出的瞬间，瓶内高压气体对瓶塞做功，这是瓶内气体对外做功的过程，和上一个实验是相反过程。
[引导]已知“做功可以改变物体的内能”，而“改变”可能是内能增加，也可能是内能减少。请预测：这个实验中，瓶内蒸气的内能是增加还是减少？
[引导]瓶内的混合蒸气可以显示此时瓶内气体内能的变化情况，重点观察此时瓶内出现什么变化。问：如果瓶内蒸气内能减少，可能会观察到什么现象？
[学生预测]如果瓶塞跳起的瞬间，瓶内蒸气的内能减少，温度会降低，蒸气液化，可能看到白雾。

3.3 演示实验 验证实验预测

每个实验分析后，分别通过演示实验来验证学生的预测是否正确，并分别得出实验结论：外界对物体做功，可以使物体内能增加；物体对外做功，物体的内能会减少。

3.4 综合比较 理解核心原理

[讨论]请用“能量转化的观点”来解释以上实验结论。
通过讨论，学生理解了做功改变物体内能的实质。
4 反思感悟——实验分析有方法
理解实验原理，是进行实验分析的基础。紧扣实验原理来分析实验，基本过程如下：首先，明确实验的目的、内容和要求；其次，认真研究实验涉及的各种相关原理，明确实验要素；再次，确定操作要点、注意事项和实验重点观察对象；最后，进行实验操作及分析。实验分析可以是实验后对现象的分析，也可以是实验前的预测性分析，再通过实验来验证。其中“明确实验要素”和“预测性分析”具体阐述如下。

4.1 紧扣实验原理 剖析实验要素 明确观察对象

大量实验事实说明，一个成功的物理实验一般由3个部分组成，即实验对象、实验源、实验效果显示器。实验对象，也就是实验的研究对象，当它接受作用到它上面的“信号”后，会产生一定的效应，从而显示某些现象或者揭示某些规律。实验源，也就是实验的“信号”发生器，由它发出的“信号”作用到实验对象上，会产生一定的实验效果。实验效果显示器，是用来显示实验对象接受“信号”后产生的效应或实验效果的装置。比如“气体对外做功”实验中，实验对象是酒精和水混合的蒸气，实验源是混合蒸气膨胀，实验效果显示器是混合蒸气发生液化。
在实验原理的基础上，剖析实验的三要素，则为实验观察、实验分析奠定了良好的基础。

4.2 紧扣实验原理 预测实验结果 激发积极思维

紧扣实验原理，让学生在实验前大胆进行预测性分析，能充分调动学生积极思维，进而带着渴求答案的心理去观察实验，大大减少实验教学的盲目性。按预测所预示的方向进行实验、观察及思维加工，可较快地习得相关科学知识。