哈佛大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)及其對(duì)我國(guó)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的啟示

摘要：哈佛大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)非常注重低成本物理實(shí)驗(yàn)，充分利用生活用品和廢舊物品開(kāi)展實(shí)驗(yàn)；非常注重社會(huì)實(shí)踐，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)社會(huì)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)問(wèn)題；積極開(kāi)展科學(xué)探究，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究解決問(wèn)題。相反，我國(guó)實(shí)驗(yàn)資源較為缺乏、學(xué)生缺少社會(huì)實(shí)踐、科學(xué)探究開(kāi)展較少。因此，我們可以從實(shí)驗(yàn)資源、社會(huì)實(shí)踐和科學(xué)探究等方面大力改進(jìn)我國(guó)的理科實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

關(guān)鍵詞：哈佛大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)；物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)；低成本物理實(shí)驗(yàn)；科學(xué)探究

2013年1月13日至26日，我校物理、化學(xué)、生物等理科教師雷慶、李才猛、吳姝走進(jìn)了美國(guó)哈佛大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，參加了為期兩個(gè)星期的培訓(xùn)，哈佛大學(xué)美麗的校園、全新的理念、先進(jìn)的設(shè)備以及全面的實(shí)踐給我們留下了深刻的印象，同時(shí)也引發(fā)了我們對(duì)中國(guó)理科實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀的深刻反思。

1 哈佛大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)概況

哈佛大學(xué)實(shí)驗(yàn)資源豐富，但是他們非常注重生活化實(shí)驗(yàn)資源的開(kāi)發(fā)和利用；非常注重社會(huì)實(shí)踐，積極組織學(xué)生開(kāi)展社會(huì)調(diào)查，讓學(xué)生從社會(huì)調(diào)查中去發(fā)現(xiàn)問(wèn)題；非常重視科學(xué)探究，讓學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究去分析問(wèn)題和解決問(wèn)題。

1.1 充分利用實(shí)驗(yàn)資源

實(shí)驗(yàn)資源是開(kāi)展實(shí)驗(yàn)的物質(zhì)基礎(chǔ)。生活用品和廢舊物品是非常重要的實(shí)驗(yàn)資源。充分利用這些實(shí)驗(yàn)資源，不僅可以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力，而且可以促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新能力的發(fā)展。

在哈佛課堂上，開(kāi)展了一些針對(duì)中學(xué)生的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)旨在培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力。其中一個(gè)就是紙塔實(shí)驗(yàn)，老師要求學(xué)生用紙張、膠水和細(xì)木條等材料設(shè)計(jì)一個(gè)紙塔。看誰(shuí)設(shè)計(jì)的紙塔又高又穩(wěn)。同學(xué)們將紙張纏繞在木條上設(shè)計(jì)了一個(gè)紙塔，在紙塔旁邊加了三根柱子以增強(qiáng)其穩(wěn)定性，如圖1所示，紙塔高度大概一米七，不能獨(dú)立穩(wěn)定在地面上，需要大家用手支撐才能穩(wěn)定。老師的設(shè)計(jì)非常新穎，他只用了一卷卷筒紙，從中心抽出紙，然后一直向外拉，最好形成一個(gè)兩米多高的紙塔，紙塔又高又穩(wěn)定，如圖2所示。老師的設(shè)計(jì)充分利用了卷筒紙紙張之間的摩擦力和穩(wěn)定的圓柱體結(jié)構(gòu)。因而實(shí)驗(yàn)非常成功。

1.2 大力開(kāi)展社會(huì)調(diào)查

社會(huì)調(diào)查能夠從生活走向物理，從物理走向社會(huì)，貼近學(xué)生生活，符合學(xué)生認(rèn)知特點(diǎn)，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生通過(guò)社會(huì)實(shí)踐，能夠?qū)⑽锢碇R(shí)應(yīng)用到日常生活中去。

在哈佛課堂上，老師安排了一些社會(huì)調(diào)查活動(dòng)JDESIGN，讓學(xué)生通過(guò)社會(huì)調(diào)查去發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，然后小組合作交流，設(shè)計(jì)改進(jìn)方案，最終解決問(wèn)題。其中的一個(gè)社會(huì)調(diào)查活動(dòng)就是到附近的快餐店CLOVER參觀調(diào)查，發(fā)現(xiàn)快餐店存在的不足，并且提出改進(jìn)意見(jiàn)。同學(xué)們通過(guò)實(shí)地調(diào)查，發(fā)現(xiàn)快餐店存在以下不足：顧客們?cè)诘炔偷臅r(shí)候很無(wú)聊，顧客們覺(jué)得餐品不新鮮，餐盤不便于匆忙的顧客邊走邊吃，以及咖啡機(jī)設(shè)計(jì)不合理等。通過(guò)小組合作交流。同學(xué)們提出了改進(jìn)意見(jiàn)：針對(duì)顧客們等餐時(shí)很無(wú)聊，有的小組提出可以在快餐店準(zhǔn)備一些水果盤，讓顧客們邊等邊品嘗（如圖3所示）；針對(duì)菜品不新鮮，有的小組提出可以在快餐店的旁邊開(kāi)墾一片菜園，每天早上從菜園中摘取蔬菜：針對(duì)餐盤不便于攜帶，有的小組提出了改進(jìn)方案，并設(shè)計(jì)便于攜帶的新餐盤（如圖4所示）……

1.3 積極開(kāi)展科學(xué)探究

科學(xué)探究指的是科學(xué)家們用來(lái)研究自然界并根據(jù)研究所獲事實(shí)證據(jù)作出解釋的各種方式。科學(xué)探究也指學(xué)生建構(gòu)知識(shí)、形成科學(xué)概念，領(lǐng)悟科學(xué)研究方法的各種活動(dòng)。因此，科學(xué)探究在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)揮著重要的作用。在美國(guó)的科學(xué)課堂上，合作——探究學(xué)習(xí)已經(jīng)成為普遍的教學(xué)方式。

在哈佛課堂上，開(kāi)展了一些針對(duì)中學(xué)生的科學(xué)探究，這些探究活動(dòng)旨在培養(yǎng)學(xué)生問(wèn)題意識(shí)、搜集信息、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。其中的一個(gè)探究活動(dòng)就是摔蛋實(shí)驗(yàn)。學(xué)生一共被分成5個(gè)小組，每個(gè)小組有3位同學(xué)。教師要求學(xué)生用紙張、細(xì)線和雞蛋等材料設(shè)計(jì)一個(gè)裝置，雞蛋從3米高空落下，當(dāng)這個(gè)裝置落地后，雞蛋不被摔壞。小組內(nèi)的組員先集體討論設(shè)計(jì)方案，如圖5所示。實(shí)驗(yàn)成敗的重要因素就是空氣阻力大小和整個(gè)裝置的穩(wěn)定性，要保證雞蛋能夠平穩(wěn)而慢速著地。4個(gè)小組的設(shè)計(jì)都失敗了。只有一個(gè)小組成功了，實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示，這個(gè)小組用紙做了一把雨傘以增強(qiáng)裝置下降過(guò)程的空氣阻力，同時(shí)，他們用紙做了一個(gè)圓柱形支架以增加雞蛋著地過(guò)程的緩沖時(shí)間。雞蛋用一個(gè)透明的塑料袋密封起來(lái)，并固定在支架上。雨傘和支架用許多細(xì)線連接起來(lái)，以增強(qiáng)裝置的穩(wěn)定性。通過(guò)這個(gè)探究活動(dòng)，學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的能力和分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力都得到提高。

2 我國(guó)理科實(shí)驗(yàn)教學(xué)反思

我國(guó)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在許多不足：學(xué)生實(shí)驗(yàn)開(kāi)出率較低、探究性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果欠佳、實(shí)驗(yàn)儀器較為欠缺，自制儀器很少。哈佛大學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)給我國(guó)的中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了借鑒，我們可以從實(shí)驗(yàn)資源、社會(huì)實(shí)踐和科學(xué)探究等方面大力改進(jìn)我國(guó)的理科實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

2.1 大力開(kāi)展低成本物理實(shí)驗(yàn)

物理學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，在物理教學(xué)過(guò)程中，教師要引導(dǎo)學(xué)生善于從生活用品、廢舊物品、人體體驗(yàn)、兒童玩具等各個(gè)方面中開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)低成本物理實(shí)驗(yàn)。比如，利用雞蛋可以做許多物理實(shí)驗(yàn)。（1）瓶吞雞蛋演示大氣壓的存在，取一個(gè)空的牛奶瓶，先在瓶?jī)?nèi)放人一團(tuán)點(diǎn)燃的棉花，瓶?jī)?nèi)空氣因受熱膨脹被趕出一部分。然后將一個(gè)剝了殼的熟雞蛋放在瓶口上，雞蛋會(huì)慢慢“擠”進(jìn)瓶子，如圖7所示；（2）雞蛋在水中的浮沉演示浮力的大小，將雞蛋放入水中，雞蛋沉到水底。然后，逐漸向水中加入食鹽，邊加邊攪拌，雞蛋會(huì)懸浮在水中，隨著加入食鹽的增多，雞蛋會(huì)慢慢浮出水面：（3）旋轉(zhuǎn)的雞蛋演示慣性現(xiàn)象，用生、熟雞蛋各一個(gè)，粉筆放在桌面上，同時(shí)以相同的速度旋轉(zhuǎn)。生雞蛋先停下來(lái)，因?yàn)槭祀u蛋的蛋清和蛋黃固定，所以旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)；（4）用雞蛋演示壓強(qiáng)，把雞蛋放在細(xì)沙上面，再依次壓上鐵塊、磚塊，然后用錘子猛力將磚砸碎，雞蛋依然完整，如圖8所示；（5）用瓶吐雞蛋演示查理定律，（瓶已吞進(jìn)了雞蛋）將燒瓶瓶口朝下，使雞蛋從瓶?jī)?nèi)封住瓶口（可視情況加些潤(rùn)滑油），再用酒精燈給密閉氣體加熱，雞蛋又被“吐”出瓶子。

2.2 引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行社會(huì)調(diào)查

物理學(xué)與社會(huì)生活息息相關(guān)，利用社會(huì)調(diào)查一方面可以加深對(duì)物理規(guī)律的理解，另一方面可以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力。比如讓學(xué)生觀察廚房的物理現(xiàn)象，廚房里蘊(yùn)含著力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)等豐富的物理知識(shí)。電飯堡煮飯、電炒鍋煮菜、電水壺?zé)_(kāi)水是利用電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，都是利用熱傳遞煮飯、煮菜、燒開(kāi)水的；抽油煙機(jī)利用電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，利用空氣對(duì)流進(jìn)行空氣變換：電飯煲、電炒鍋、電水壺的三腳插頭，插入三孔插座，防止用電器漏電和觸電事故的發(fā)生：微波爐加熱均勻，熱效率高，衛(wèi)生無(wú)污染是利用電能轉(zhuǎn)化為電磁能，再將電磁能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；廚房的爐灶（蜂窩煤灶，液化氣灶，煤灶，柴灶）是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，即燃料燃燒放出熱量；菜刀的刀刃薄是為了減小受力面積，增大壓強(qiáng)；菜刀的刀刃有油，為的是在切菜時(shí)，使接觸面光滑，減小摩擦；菜刀柄、鍋鏟柄、電水壺把手有凸凹花紋，使接觸面粗糙，增大摩擦；火鏟送煤時(shí)，是利用煤的慣性將煤送人火爐：往保溫瓶里倒開(kāi)水，根據(jù)聲音知水量高低。由于水量增多，空氣柱的長(zhǎng)度減小，振動(dòng)頻率增大，音調(diào)升高；磨菜刀時(shí)要不斷澆水，是因?yàn)椴说杜c石頭摩擦做功產(chǎn)生熱使刀的內(nèi)能增加，溫度升高，刀口硬度變小，刀口不利；澆水是利用熱傳遞使菜刀內(nèi)能減小，溫度降低，不會(huì)升至過(guò)高。

2.3 積極開(kāi)展科學(xué)探究活動(dòng)

在探究教學(xué)中，教師可以選用新奇有趣、內(nèi)涵豐富的低成本物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境。激發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲。同時(shí)，通過(guò)開(kāi)展低成本物理實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究過(guò)程，具有初步的科學(xué)探究能力。

在大氣壓強(qiáng)的教學(xué)中，教師先用針在飲料瓶（不透明的）的底部刺上一些小孔，然后盛半瓶。上課時(shí)，教師先打開(kāi)瓶蓋，瓶底直往下流水，接著把蓋子迅速蓋上，水停止流動(dòng)。通過(guò)飲料瓶設(shè)計(jì)的這個(gè)簡(jiǎn)易物理實(shí)驗(yàn)，課堂氣氛迅速活躍起來(lái)，激發(fā)了學(xué)生的好奇心和求知欲。

接著，教師啟發(fā)學(xué)生怎樣用實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)量大氣壓的大小，能否利用身邊的物品來(lái)測(cè)量大氣壓的具體值。同學(xué)們通過(guò)合作探究提出了許多方案：（1）如圖9所示，有的同學(xué)在密封的注射器下面掛上鉤碼來(lái)測(cè)量大氣壓的具體值；（2）如圖10所示，有的同學(xué)用一個(gè)彈簧秤橫著拿注射器，從而測(cè)出大氣壓的數(shù)值；（3）如圖11所示，有的同學(xué)將吸盤緊貼在平整的木板下面，然后皮碗的下面掛上小桶，在小桶里面裝沙，通過(guò)測(cè)量桶和沙的重力測(cè)出拉力，然后根據(jù)壓強(qiáng)公式計(jì)算出大氣壓的數(shù)值；（4）如圖12所示，有的同學(xué)將吸盤內(nèi)的空氣擠出以后，用彈簧秤向上拉皮碗的方法測(cè)量大氣壓的數(shù)值。

（欄木編輯 羅琬華）