鄭 瑩

(深圳市龍崗區(qū)布吉中學(xué)，廣州 深圳 518112)

開放性實(shí)驗(yàn)相對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)而言，不受時(shí)間、地點(diǎn)、器材、內(nèi)容、方法、步驟等限制，倡導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，使實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容和形式、方式和方法革新，從而產(chǎn)生新的實(shí)驗(yàn)方案。引導(dǎo)學(xué)生探究新的實(shí)驗(yàn)問題，采用新的器材和資源，嘗試新的實(shí)驗(yàn)方式、方法，得到新的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，形成新的實(shí)驗(yàn)成果和產(chǎn)品?？梢?，實(shí)施開放性實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的有效途徑和主要抓手，而如何開發(fā)開放性實(shí)驗(yàn)、如何找尋實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)的方向與方法則是實(shí)施開放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的首要問題和切入點(diǎn)。

一、開放性實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)的方向

實(shí)驗(yàn)主題的方向是實(shí)驗(yàn)的重要標(biāo)簽，因此，要進(jìn)行開放性實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)，首先需明確實(shí)驗(yàn)內(nèi)容開放的方向和領(lǐng)域，使實(shí)驗(yàn)開發(fā)的思維和方法更切實(shí)有效。本文推薦從生活、生產(chǎn)科技、學(xué)科交互三大方向入手創(chuàng)設(shè)，并列舉相應(yīng)的案例，以求增加實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的深度和廣度，使實(shí)驗(yàn)研究的主題更深入和拓展。

1.實(shí)驗(yàn)向生活開放

科學(xué)源于生活，應(yīng)用于生活。向生活實(shí)驗(yàn)方向開放，意味著引導(dǎo)學(xué)生從身邊處、于生活中創(chuàng)新，結(jié)合生活實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，靈活自由地設(shè)計(jì)一些取材方便、操作簡易、現(xiàn)象明顯的實(shí)驗(yàn)。如生活中家用電器的使用、用牙刷毛探究摩擦力方向、用氣球研究壓力作用效果等，可實(shí)現(xiàn)人人、處處、時(shí)時(shí)隨手創(chuàng)。如圖1所示，用生活中放大鏡、帶圖案的塑料膜、紙筒、手電筒探究投影儀原理，制作投影儀模型；在飲料瓶內(nèi)安裝一小電風(fēng)扇就變成吸塵器模型；用干電池、銅導(dǎo)線、強(qiáng)磁鐵，制作玩具電動(dòng)機(jī)模型。

圖1 生活中實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

2.實(shí)驗(yàn)向生產(chǎn)科技開放

隨著科技的發(fā)展，生活中會(huì)遇到越來越多的高科技產(chǎn)品和新材料制成的用品，實(shí)驗(yàn)資源要向生活開放，更要向生產(chǎn)、未來技術(shù)開放，開發(fā)與生產(chǎn)科技、前沿科學(xué)接軌的實(shí)驗(yàn)，使物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)跟上時(shí)代發(fā)展的步伐，具有時(shí)代特色。對(duì)于演示類型創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)朝向高科技方向發(fā)展，有利于學(xué)生形成科學(xué)的方法和態(tài)度[1]。新型材料如強(qiáng)磁鐵、變溫粉、低熔點(diǎn)合金、半導(dǎo)體制冷片、超導(dǎo)材料等，可以呈現(xiàn)不一樣的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，從而激發(fā)學(xué)生的興趣，引發(fā)學(xué)生的思考；高科技產(chǎn)品如傳感器、手機(jī)功能鍵、激光槍、測溫槍等，也已逐漸被應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新中。

如在人教版九年級(jí)《物理》十三章第2節(jié)“內(nèi)能”教學(xué)中，教師演示做功改變內(nèi)能的實(shí)驗(yàn)(如圖2(a)所示)，在一個(gè)配有活塞的厚玻璃筒里放小團(tuán)硝化棉，用力把活塞迅速壓下去，壓縮空氣對(duì)物體做功，物體內(nèi)能增加，需增加很大內(nèi)能，棉球才被點(diǎn)燃。有些教師把握不到“用力迅速壓”動(dòng)作，實(shí)驗(yàn)成功率不高。如圖2(b)所示，改用變溫粉，降低對(duì)內(nèi)能的要求，做功內(nèi)能增加一點(diǎn)，溫度升高一點(diǎn)，變溫粉就會(huì)變色，待溫度降低一點(diǎn)變溫粉回復(fù)原色，還可反復(fù)實(shí)驗(yàn)多次，實(shí)驗(yàn)成功率高，延長觀察時(shí)間。又如，利用半導(dǎo)體制冷片可制作溫差風(fēng)扇[2]。當(dāng)直流電通過兩種不同半導(dǎo)體材料串成的電偶時(shí)，在電偶的兩端即可分別吸熱和放熱，也就是通直流電可制冷制熱?？梢韵胂笸评?，逆向思維：若有冷熱溫差，這個(gè)溫差熱能就可以轉(zhuǎn)化為電能產(chǎn)生電使風(fēng)扇轉(zhuǎn)起來。如圖2(c)所示，分別將這種制冷、制熱片加在鋁片(面積大、導(dǎo)熱導(dǎo)電效果好)上，再分別將其插入裝有冷水和熱水的燒杯里(冷水和熱水的溫差要大)，將鋁片和電動(dòng)機(jī)風(fēng)扇組成閉合電路，電路不需接電池風(fēng)扇就能轉(zhuǎn)起來。

圖2 演示實(shí)驗(yàn)

3.實(shí)驗(yàn)向?qū)W科交互開放

物理開放性實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)設(shè)應(yīng)注意利用物理實(shí)驗(yàn)與其他學(xué)科間知識(shí)與技術(shù)的滲透，提高解決問題的能力，發(fā)展創(chuàng)新思維。隨著STEM教學(xué)理念的興起，綜合實(shí)踐課程及教學(xué)將是未來發(fā)展的趨勢。因而開放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)更應(yīng)關(guān)注實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐性和綜合性，重視各類學(xué)科在實(shí)驗(yàn)中的融合與滲透。如：實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)的選取與處理，化學(xué)電池的制作，光合作用中能量的轉(zhuǎn)化，顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡的原理與制作，比熱容與氣候溫差的關(guān)系，語文中對(duì)相對(duì)運(yùn)動(dòng)和反射折射的描述，分子擴(kuò)散與國畫的渲染，體育運(yùn)動(dòng)中慣性、平衡力、摩擦力、重心，等等。

二、開放性實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)的方法

1.用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)帶動(dòng)開放

讓學(xué)生自行設(shè)計(jì)新的實(shí)驗(yàn)方案和步驟，使每位學(xué)生為解決相應(yīng)問題而設(shè)計(jì)不同方法，從不同的角度、不同的層面進(jìn)行思維創(chuàng)造性活動(dòng)，并注意實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過程的多種可能性分析，養(yǎng)成多角度、多方法思考問題的習(xí)慣。

(1)發(fā)散設(shè)計(jì)。一個(gè)物理原理可用多個(gè)實(shí)驗(yàn)探究，一種器材可探究不同物理原理和現(xiàn)象，同樣原理同樣器材可用改變實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行探究，同樣原理同樣器材同樣條件可換不同方式操作，等等。如，氣球能做什么實(shí)驗(yàn)？力的作用效果、形變、氣體壓強(qiáng)傳遞、流體流速與壓強(qiáng)關(guān)系、浮沉條件、反沖運(yùn)動(dòng)、靜電、大氣壓、摩擦力等都可用氣球探究。同樣，一支鉛筆，可以做慣性現(xiàn)象、尋找物體重心、探究摩擦力大小因素、密度計(jì)制作、導(dǎo)體絕緣體等二十多個(gè)實(shí)驗(yàn)。

(2)對(duì)比設(shè)計(jì)。對(duì)比設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)主要用于對(duì)比究因。例1，按順序敲裝不等量液體的酒杯，跟敲裝不等量液體的水瓶，音調(diào)的變化截然不同。例2，將硬幣放入玻璃皿至看不見的位置，將水倒入，折射后看見硬幣；將硬幣放入玻璃瓶至看見的位置，將水倒入，折射后看不見硬幣。例3，用集氣瓶裝點(diǎn)水或沙子，點(diǎn)燃少許棉花放入瓶內(nèi)，迅速將剝皮的熟雞蛋放瓶口密封瓶口，此時(shí)瓶內(nèi)氣壓小于外面大氣壓，雞蛋被氣壓入瓶內(nèi)。接著將此瓶身置于熱水中，此時(shí)瓶內(nèi)氣壓大于外面大氣壓，雞蛋被推出瓶外。例4，拿一玻璃漏斗，口朝下，用手將乒乓球放玻璃漏斗內(nèi)托緊，分別通過漏斗管往漏斗內(nèi)吹氣、吸氣時(shí)，松開托住乒乓球的手，看到乒乓球都沒有掉下來。例5,將空可樂飲料罐投放水里，飲料罐漂浮，用剪刀將飲料罐剪開再投放水里，飲料罐下沉了。

(3)模擬設(shè)計(jì)。模擬設(shè)計(jì)一般是用實(shí)驗(yàn)?zāi)M現(xiàn)實(shí)生活中不易見到的自然現(xiàn)象或是社會(huì)生產(chǎn)高科技中學(xué)生不易理解的物理應(yīng)用等。如模擬海市蜃樓、模擬跨步電壓、模擬光流等實(shí)驗(yàn)，而實(shí)驗(yàn)?zāi)M生產(chǎn)技術(shù)則更多，如模擬電動(dòng)機(jī)、磁懸浮、吸塵器、潛水艇、溫度計(jì)、氣壓計(jì)、望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡、交通違章拍攝、光控聲控開關(guān)等，生活、生產(chǎn)中大部分技術(shù)可以實(shí)驗(yàn)?zāi)M。

(4)變式設(shè)計(jì)。變式實(shí)驗(yàn)可以是同樣原理同樣器材同樣條件的實(shí)驗(yàn)換用不同方法操作，也可以是將實(shí)驗(yàn)的某個(gè)器材更換，或是將實(shí)驗(yàn)的某個(gè)條件更換，探尋實(shí)驗(yàn)的不同方式及相應(yīng)現(xiàn)象、結(jié)論的變化。變式實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)習(xí)題的練習(xí)中應(yīng)用較多，可將這些實(shí)驗(yàn)習(xí)題描述的情景設(shè)計(jì)為實(shí)物操作實(shí)驗(yàn)。如，用天平和量筒測鹽水密度的實(shí)驗(yàn)變式設(shè)計(jì)為借助水只有天平?jīng)]有量筒測量鹽水密度的實(shí)驗(yàn)，或是借助水只有量筒沒有天平測量鹽水密度的實(shí)驗(yàn)。又如，伏安法測電阻實(shí)驗(yàn)變式設(shè)計(jì)的方法有：只有電流表和一已知電阻測電阻的安阻法、只有電壓表和一已知電阻測電阻的伏阻法、利用滑動(dòng)變阻器和電流表測電阻的安滑法、利用滑動(dòng)變阻器和電壓表測電阻的伏滑法、利用滑動(dòng)變阻器替換被測電阻使通過電流相等測電阻的替換法。每種實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法還可以設(shè)計(jì)不同電路圖。例如，在人教版九年級(jí)《物理》二十章第4節(jié)電動(dòng)機(jī)教學(xué)中，教師演示實(shí)驗(yàn)：磁場對(duì)通電導(dǎo)線的作用。如圖3(a)將粗銅導(dǎo)線用支架架起，銅導(dǎo)線放入U(xiǎn)型磁鐵內(nèi)，電池給銅導(dǎo)線通電，觀察銅導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)方向并據(jù)此判斷銅導(dǎo)線受力方向；改變磁極方向或改變電流方向，觀察銅導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)方向的改變；同時(shí)改變磁極方向和電流方向，觀察銅導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)方向不變，理解安培定則。如圖3(b)，將粗銅導(dǎo)線換成細(xì)銅導(dǎo)線，觀察細(xì)銅導(dǎo)線在磁場受力運(yùn)動(dòng)是否明顯，記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果：通電細(xì)銅導(dǎo)線在磁場受力小，運(yùn)動(dòng)不明顯。如圖3(c)將細(xì)銅導(dǎo)線改成銅線圈，重復(fù)實(shí)驗(yàn)，觀察通電銅線圈在磁場中受力運(yùn)動(dòng)與電流方向、磁場方向的關(guān)系是否跟通電粗銅導(dǎo)線一樣？記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果：改變磁場方向通電銅線圈在磁場中受力運(yùn)動(dòng)方向改變。上面通電導(dǎo)體(固體)在磁場中受到安培力作用，磁場方向、電流方向、受力方向的關(guān)系符合左手定則。通電固體在磁場中受力，那么通電液體在磁場中會(huì)不會(huì)受力？液體若受力作用將會(huì)怎樣運(yùn)動(dòng)呢？為比較通電固體和液體受力作用的情況，將上面實(shí)驗(yàn)中固體銅導(dǎo)線改成能導(dǎo)電的液體,如海鹽水(導(dǎo)電效果好)，還需用到強(qiáng)磁鐵。用玻璃皿裝海鹽水放在強(qiáng)磁鐵上面，用粗銅導(dǎo)線(不能用鐵導(dǎo)線，細(xì)銅導(dǎo)線不明顯)將電源正負(fù)極接到海鹽水中，電源兩極放玻璃皿液體內(nèi)兩側(cè)，可看到海鹽水分別繞兩電極旋轉(zhuǎn)起來！改變磁場方向，液體旋轉(zhuǎn)方向改變，調(diào)換電池兩正負(fù)極，液體旋轉(zhuǎn)方也改變；將電源一極放玻璃皿中間，另一極放玻璃皿內(nèi)一側(cè)，觀察液體繞中間電極旋轉(zhuǎn)。同樣，改變磁場方向或更換電池正負(fù)電極，觀察液體旋轉(zhuǎn)方向是否相反；將電源負(fù)極接線的銅導(dǎo)線改為一根粗銅導(dǎo)線做成的線圈，線圈大小比玻璃皿小些剛好能浸沒在海鹽水中，電源正極接線的銅導(dǎo)線放在線圈中間，重復(fù)上面實(shí)驗(yàn)，液體繞中間電極旋轉(zhuǎn)速度更快，如圖3(d)，同樣，改變磁場方向或電池電極方向，液體旋轉(zhuǎn)方向改變。若單獨(dú)改變磁極方向或改變電流方向，海鹽水旋轉(zhuǎn)方向會(huì)改變；若同時(shí)改變磁極方向和電流方向，海鹽水旋轉(zhuǎn)的方向就不會(huì)改變。

圖3 演示實(shí)驗(yàn)

2.用實(shí)驗(yàn)器材帶動(dòng)開放

在課本中，實(shí)驗(yàn)較為單調(diào)和枯燥，所提供的實(shí)驗(yàn)器材、方法、步驟都“是照葫蘆畫瓢”，限制了學(xué)生的思維活動(dòng)空間，最普遍現(xiàn)象是儀器本身就限制了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)方法(如用天平量筒測鹽水密度、用電壓表電流表測電阻等)，使學(xué)生思維的空間和方式定勢在固定的器材上，不能多種方法思維，從而使得實(shí)驗(yàn)的態(tài)度、空間、環(huán)境、課程、資源、設(shè)計(jì)等不能靈活自由多樣，無法促進(jìn)學(xué)生興趣、個(gè)性、潛能的發(fā)展。開放性實(shí)驗(yàn)的器材和資源應(yīng)是實(shí)驗(yàn)室器材、生活實(shí)驗(yàn)器材、新材料高科技產(chǎn)品的靈活應(yīng)用。

如人教版八(下)第十章第一節(jié)“浮力”，教學(xué)浮力產(chǎn)生的原因，利用課本圖示，說明浮力產(chǎn)生原因是液體中物體受到液體上下表面的壓力差。因此學(xué)生經(jīng)常會(huì)誤認(rèn)為液體內(nèi)的物體都會(huì)受到浮力的作用。改做生活實(shí)驗(yàn)探究浮力產(chǎn)生的原因(如圖4)：割取大瓶礦泉水塑料瓶上端，倒置并放入乒乓球，將塑料瓶開口插入玻璃杯中，接著往塑料瓶加水，水沿乒乓球四周緩緩流入玻璃杯中，乒乓球底部沒有觸碰水，乒乓球在水下面沒有浮起來，說明液體中的物體不一定受到浮力作用。待流水在玻璃杯積留至乒乓球底部，乒乓球底部觸水才會(huì)受到水的向上托力，此時(shí)乒乓球受到浮力作用立即上浮至水面漂浮。

圖4 實(shí)驗(yàn)探究浮力產(chǎn)生的原因

圖5 制作分子力畫

如制作分子力畫實(shí)驗(yàn)：準(zhǔn)備國畫的墨汁和宣紙，用筷子將一滴墨汁滴到水面，墨汁帶油性，入水后部分分子在水面運(yùn)動(dòng)，將宣紙蓋在水面上，墨汁分子的運(yùn)動(dòng)“行蹤”就印畫在宣紙上了(如圖5)。還可以將水改為濃鹽水延長墨汁漂浮的時(shí)間，用棉簽在墨面上“作畫”，印出美麗圖案，或改用彩色油墨還能印一幅分子運(yùn)動(dòng)繪制的彩色畫，把分子運(yùn)動(dòng)的“行蹤”畫出來。

3.用實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品帶動(dòng)開放

開放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)重視各類實(shí)驗(yàn)方式和方法的綜合運(yùn)用和發(fā)展。實(shí)驗(yàn)注重聯(lián)系生產(chǎn)、生活中的實(shí)例，提出一些實(shí)際問題或現(xiàn)象讓學(xué)生觀察、測量、究因，解決真實(shí)問題，即學(xué)即用。物理實(shí)驗(yàn)除了能引導(dǎo)學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象理解物理知識(shí)、規(guī)律，更可以讓學(xué)生運(yùn)用物理知識(shí)創(chuàng)造、實(shí)踐實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品，以解決困難、問題的態(tài)度，使學(xué)生自主地對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行開放性創(chuàng)設(shè)。

例如，一些社區(qū)停車場在遭遇水災(zāi)時(shí)部分車輛受損，可抓住此類事件引導(dǎo)學(xué)生觀察停車場進(jìn)水、排水系統(tǒng)，測量安全警告水位，設(shè)計(jì)制作水位報(bào)警器，使開放性實(shí)驗(yàn)成為即學(xué)即用的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐活動(dòng)。又如，到了沙漠，可以利用半導(dǎo)體制冷片制作智能造水杯，將導(dǎo)體制冷片安裝在水杯內(nèi)層，用充電寶或太陽能轉(zhuǎn)變成的電能給半導(dǎo)體制冷片通電，制冷片就能制冷，水杯內(nèi)層溫度降到一定程度，空氣中的水蒸氣遇到水杯內(nèi)層就液化，水杯就能“憑空造水”。

在開放性實(shí)驗(yàn)中，教師是啟蒙者，學(xué)生是創(chuàng)設(shè)者。要讓學(xué)生學(xué)會(huì)自主創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)，需要教師熟知開放性實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)的方向與方法，從而科學(xué)性地引導(dǎo)學(xué)生提出問題，自主探究，使學(xué)生的思維被啟動(dòng)和構(gòu)建。在開放性實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)過程中養(yǎng)成多維度多層次思考問題的方法和習(xí)慣，拓展思維空間，提高思維品質(zhì)，尋找創(chuàng)新靈感，像科學(xué)家一樣實(shí)驗(yàn)實(shí)踐，這也是實(shí)施素質(zhì)教育的重要途徑。