實驗創(chuàng)新，讓物理課堂靈動起來

韋兵余

物理學(xué)是自然科學(xué)的基本組成部分，實驗則是支撐起物理學(xué)大廈的基石?！读x務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》在實驗教學(xué)方面對教師提出了較高要求，除了教材中所呈現(xiàn)的學(xué)生分組實驗、教師演示實驗以外，還要求師生能夠利用身邊的物品、廉價的新材料對教材中的實驗資源進(jìn)行創(chuàng)新、優(yōu)化，讓實驗探究更好地服務(wù)于教學(xué)，幫助學(xué)生實現(xiàn)對物理知識的理解和運用。作為一名初中物理教師，筆者有責(zé)任傳遞好義務(wù)教育階段培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的“接力棒”，引導(dǎo)學(xué)生像科學(xué)家一樣去探索新知，創(chuàng)造未來。筆者的教育主張是以實驗為載體，以創(chuàng)新為導(dǎo)向，在實驗活動中培育學(xué)生自主實驗的創(chuàng)新能力，提升學(xué)生的核心素養(yǎng)。

一、物理實驗創(chuàng)新概念的明確

物理實驗是指在教學(xué)過程中為了構(gòu)建某些物理概念、探查某些物理規(guī)律，驗證某些物理原理，利用實驗器材開展有目的、有計劃、有組織的研究活動，是進(jìn)行物理知識建構(gòu)的重要學(xué)習(xí)方式之一。創(chuàng)新概念不單指新事物的首次“露面”，也可以是新思維、新方法、新技術(shù)等某些事物的凸顯。而物理實驗創(chuàng)新則是物理實驗教學(xué)的生長點，其創(chuàng)新的意義與傳統(tǒng)意義中的“創(chuàng)新”有所不同。物理實驗創(chuàng)新注重的是創(chuàng)新實驗過程中所蘊含的教育功能和研究價值。物理實驗創(chuàng)新既包含教材實驗設(shè)計和功能的改進(jìn)、教具的改造和設(shè)計；也包含在實際教學(xué)過程中，根據(jù)教學(xué)設(shè)計的需要由師生自行制作教具、學(xué)具，以此為學(xué)生的創(chuàng)新能力和創(chuàng)新素質(zhì)的發(fā)展做好鋪墊。

二、國內(nèi)物理實驗創(chuàng)新的研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)80年代初，創(chuàng)新教育在我國已引起廣泛重視，并有許多教育工作者先后開展了研究。我國物理教育界的前輩朱正元教授所倡導(dǎo)的“壇壇罐罐當(dāng)儀器，拼拼湊湊做實驗”指明了一種物理實驗創(chuàng)新的方向。南京師范大學(xué)劉炳昇教授一直傾心于實驗創(chuàng)新研究，提出“小教具，大智慧”的教育思想，并主編了多部著作，對中學(xué)物理實驗創(chuàng)新的基本原理及創(chuàng)新策略以案例的形式作出了詳細(xì)的闡述。南京師范大學(xué)附屬中學(xué)樹人學(xué)校湯金波老師首先提出了學(xué)生自主實驗創(chuàng)新是未來物理教學(xué)的最優(yōu)途徑，倡導(dǎo)“玩中體驗，改中求變，思中頓悟，創(chuàng)中提能”。他的研究團(tuán)隊在核心及主流教學(xué)期刊上發(fā)表了數(shù)十篇關(guān)于學(xué)生自主實驗創(chuàng)新的論文，從學(xué)習(xí)心理學(xué)、認(rèn)知表征方式的角度和傳統(tǒng)的實驗改進(jìn)、自制教具比較的角度，闡述了推進(jìn)學(xué)生自主實驗創(chuàng)新的必要性，強(qiáng)調(diào)了學(xué)生自主實驗創(chuàng)新可以輕松實現(xiàn)“從動作表征、圖像表征到符號表征”的層級進(jìn)階，為學(xué)生自主實驗創(chuàng)新教學(xué)模式的踐行提供了理論依據(jù)，引發(fā)了全國各地物理教育同仁的廣泛關(guān)注。江蘇省南京市秦淮區(qū)教師發(fā)展中心丁玉祥老師也曾撰文闡釋了自主實驗創(chuàng)新是學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)培育的重要載體，強(qiáng)調(diào)要科學(xué)把握其基本特征與實踐價值，充分發(fā)揮其教學(xué)功能，建議圍繞課后自主實驗設(shè)計活動的項目設(shè)計、校內(nèi)物理特色校本課程的內(nèi)容設(shè)計、物理教材規(guī)定演示實驗的補(bǔ)充改進(jìn)、課后物理習(xí)題創(chuàng)新實踐的實驗轉(zhuǎn)化、物理實驗階段備考復(fù)習(xí)的深度拓展、教材綜合實踐活動習(xí)題的創(chuàng)新實踐等教學(xué)路徑開展學(xué)生自主實驗創(chuàng)新，從而闡明了學(xué)生自主實驗創(chuàng)新是未來物理教學(xué)的最優(yōu)途徑。

同時，許多高校學(xué)生和一線教師也紛紛撰文分享自己在實驗創(chuàng)新方面的成果。例如，山東師范大學(xué)研究生張建華在論文《中學(xué)開展低成本物理創(chuàng)新實驗設(shè)計的實踐研究》中系統(tǒng)指出了開發(fā)低成本創(chuàng)新實驗的美好前景，以及低成本創(chuàng)新實驗資源開發(fā)的具體方法等。湖南省長沙市南雅中學(xué)的彭海燕在《中學(xué)物理實驗的創(chuàng)新與拓展》一文中，從中學(xué)物理實驗教學(xué)的實踐出發(fā)，在教學(xué)范圍、教學(xué)方法、教學(xué)手段、教學(xué)內(nèi)容及科研與教學(xué)的關(guān)系等方面，比較系統(tǒng)地探討了教師在中學(xué)物理實驗教學(xué)中創(chuàng)新的主要途徑。華中師范大學(xué)研究生朱遠(yuǎn)稼在論文《中美物理DIS實驗系統(tǒng)比較研究》中明確指出，構(gòu)建信息技術(shù)平臺是實現(xiàn)物理課程與信息技術(shù)整合的迫切要求。隨著新課改的不斷深入，數(shù)字信息化系統(tǒng)實驗（如DIS實驗系統(tǒng)）越來越受到大家的重視，因為它可以幫助解決某些操作性要求較高的物理實驗，且實驗現(xiàn)象直觀形象，有利于幫助學(xué)生對知識的建構(gòu)和規(guī)律的理解。

三、物理實驗創(chuàng)新的基本策略

既然物理實驗創(chuàng)新對物理學(xué)科素養(yǎng)發(fā)展如此重要，作為一線教師，我們應(yīng)該如何開展實驗創(chuàng)新活動，有哪些具體策略便于實施？眾所周知，實驗創(chuàng)新不能是無根浮萍，必須有載體可以依托。而物理教材是承載科學(xué)知識的重要文本，蘊含著豐富的實驗資源。若能依托教材中的實驗資源，引導(dǎo)學(xué)生自主開展實驗創(chuàng)新活動，不僅能夠培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，也能夠提升學(xué)生的核心素養(yǎng)。

1.優(yōu)化實驗方案，彌補(bǔ)教材缺憾

盡管編寫教材的專家對每一個實驗方案都進(jìn)行了精心設(shè)計，但我們在教學(xué)過程中仍然發(fā)現(xiàn)了某些實驗方案存在一些“瑕疵”，影響了實驗效果。而物理教材中的這些“瑕疵”，正是師生進(jìn)行自主實驗創(chuàng)新最好的資源。

例如，在“估測大氣壓的值”實驗中，把注射器的活塞推至針筒的底端來排盡針筒中的空氣，然后用橡皮帽封住注射器的小孔，以期在注射器針筒內(nèi)制造一個“真空”的環(huán)境。事實上，注射器中的空氣無法完全排盡，因為注射器針筒的前端尖嘴內(nèi)還殘留了少量空氣，這也是造成所測大氣壓的值比標(biāo)準(zhǔn)大氣壓值偏小的重要原因。筆者受到護(hù)士輸液排氣的啟發(fā)，用水填補(bǔ)注射器前端尖嘴中的“空白”。同時，為了減小注射器針筒與活塞之間的摩擦對測量結(jié)果造成的影響，我們先后測量出針筒與活塞相反方向的滑動摩擦力大小，取大氣對活塞的壓力的平均值，使測量結(jié)果更加接近于真實值。

2.改進(jìn)實驗裝置，凸顯實驗魅力

盡管教材中大多數(shù)實驗裝置設(shè)計精巧，操作簡便，實驗現(xiàn)象明顯，但在實際教學(xué)過程中，筆者仍然發(fā)現(xiàn)了個別實驗方案中的裝置存在著缺陷或不足。為了發(fā)揮物理實驗在知識建構(gòu)中的特殊功能，筆者認(rèn)為很有必要對其進(jìn)一步改進(jìn)。

例如，在“研究氣泡的運動規(guī)律”實驗時，若按照教材中的實驗方案進(jìn)行實驗就存在諸多困難。普通學(xué)校物理實驗室極少配備內(nèi)徑約為1厘米、長約1米的細(xì)玻璃管，且在實驗操作過程中很可能由于操作不慎造成細(xì)玻璃管破損，甚至?xí)o實驗人員造成身體上的傷害。在教學(xué)中，我們用亞克力透明塑料管來替代長玻璃管，用摻入一定比例洗潔精的水作為實驗所需液體，減緩氣泡上升的速度，從而延長實驗的時間，便于學(xué)生觀察實驗現(xiàn)象和記錄實驗數(shù)據(jù)。

3.自制實驗教具，提高教學(xué)效益

物理課程標(biāo)準(zhǔn)中指出，利用日常物品做實驗，不但具有簡便、直觀的優(yōu)點，而且有利于培養(yǎng)學(xué)生動手能力和創(chuàng)新意識?？梢姡柚Ｒ姷纳钗锲烽_發(fā)低成本實驗資源，既可以幫助學(xué)生在知識建構(gòu)中搭建思維階梯，輕松實現(xiàn)學(xué)習(xí)進(jìn)階，也能幫助一些學(xué)校擺脫實驗器材不足的困境。

例如，我們用塑料瓶、注射器針筒、氣壓式噴壺等生活常見物品自制物體浮沉演示儀（如圖1）。

利用它不僅可以直觀演示物體排開液體體積的多少對物體浮沉的影響，也可以直觀演示物體自身重力的改變對物體浮沉的影響，還可以直觀演示液體密度的改變對物體浮沉的影響，實現(xiàn)了一個器材多種用途。

4.創(chuàng)新實驗教具，突破教學(xué)瓶頸

教材中關(guān)于電磁鐵磁性強(qiáng)弱的影響因素以“讀一讀”形式呈現(xiàn)，主要通過簡要文字表述了電磁鐵磁性強(qiáng)弱與線圈匝數(shù)多少、線圈中電流大小有關(guān)，缺乏定量的、直觀的“實驗證據(jù)”，致使學(xué)生在電磁鐵磁性強(qiáng)弱的認(rèn)知上不夠深入。為了突破教學(xué)瓶頸，我們利用微型電子臺秤、紐扣式銣磁鐵一枚、銅漆包線、開關(guān)、3.8V小燈泡（附有燈座）、學(xué)生電源及亞克力透明塑料板等常見生活物品，自制電磁鐵磁性強(qiáng)弱測量儀（如圖2所示）。利用這個裝置中的微型電子臺秤所顯示的數(shù)值前的正負(fù)號，可以直接判別電磁鐵的極性，電磁鐵磁性強(qiáng)弱也可以通過電子臺秤所顯示的數(shù)字大小直接展現(xiàn)，充分體現(xiàn)了創(chuàng)新實驗教具的直觀性。

由此可見，物理實驗創(chuàng)新是一個非常值得一線物理教師研究的課題。在實驗創(chuàng)新探究的過程中，既可以學(xué)習(xí)、借鑒一線教師的成功做法，也可以發(fā)揮聰明才智，自主開展實驗創(chuàng)新，使其成為撬動物理高效課堂的那根最省力的“杠桿”，也讓物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培育落地生根、茁壯成長。

（作者單位：江蘇省連云港市和安中學(xué)）