高中物理課堂有效滲透創(chuàng)新實驗的實踐與策略

韋葉平

（江蘇省前黃高級中學(xué)，江蘇 常州 213161）

1 高中物理課堂為什么要設(shè)計創(chuàng)新實驗

物理實驗體現(xiàn)了自然科學(xué)的重要特點，體現(xiàn)著科學(xué)探究的重要思想和方法，物理實驗的素養(yǎng)（觀念、思想方法、技能方面）是科學(xué)素養(yǎng)、創(chuàng)新精神形成和發(fā)展的基礎(chǔ)和組成部分.其次，考慮到高中物理較難學(xué)的特點，筆者嘗試在高中物理課堂教學(xué)中，有意識地設(shè)計創(chuàng)新實驗，采取創(chuàng)造教育的科學(xué)方法，使學(xué)生逐步養(yǎng)成科學(xué)精神和提高科學(xué)素質(zhì).

2 高中物理課堂有效滲透創(chuàng)新實驗的實踐與策略

物理實驗在形成物理規(guī)律的教學(xué)過程中起著至關(guān)重要的作用.但是，不能等價于物理實驗越多，創(chuàng)新程度越高，實驗所起到的作用就越大.選擇實驗要注意實效性，要引導(dǎo)學(xué)生在實驗過程中注意觀察什么，怎樣觀察，由實驗現(xiàn)象得到怎樣的結(jié)論等；要在實驗時突出主要現(xiàn)象，幫助學(xué)生建立較深的感性認識；要引導(dǎo)學(xué)生進行“去粗取精、去偽存真、由此及彼、由表及里”的思考.

2.1 課堂實錄

公開課“力的合成”，教師在“設(shè)置情境，提出問題→建立模型，研究問題→小組合作，解決問題→評價交流，檢驗問題”等4個環(huán)節(jié)中，僅以一個傳統(tǒng)的實驗入手，由此進行創(chuàng)新設(shè)計但不脫離該實驗，既增強了趣味性，達到了實驗的目的，又體現(xiàn)了科學(xué)探究的精神和過程，提高了學(xué)生的知識和能力.

（1）設(shè)置情境，提出問題.

兩組學(xué)生演示生活中常見的現(xiàn)象：拎水桶.2個學(xué)生合作拎水桶和1個學(xué)生單獨拎水桶，都達到了同樣的效果.學(xué)生對“分力、合力以及等效”建立了感性的認識，同時提出問題：等效的分力和合力有什么定量關(guān)系？

（2）建立模型，研究問題.

將生活現(xiàn)象簡化成2個彈簧秤拉小桶的物理模型，教師引導(dǎo)、師生合作，開展定量研究，如圖1所示.這個經(jīng)過創(chuàng)新的傳統(tǒng)實驗是本節(jié)課的亮點，用細線連接的2個彈簧秤分別掛在固定在黑板上方的2個鐵夾上，可以在黑板上用力的圖示法直接表示出2個分力的大小和方向（說明：此環(huán)節(jié)暫不表示合力的大小與方向）.為進一步研究打下堅實的基礎(chǔ)；為學(xué)生下一步合作學(xué)習(xí)，找出物理規(guī)律提供了正確的思路.

（3）小組合作，解決問題.

提供人教版物理必修1教材中“探究求合力的方法”的實驗器材，讓學(xué)生采用合作學(xué)習(xí)的形式，經(jīng)過“設(shè)計研究方案→數(shù)據(jù)收集與處理→猜想和假設(shè)→得出結(jié)論”等過程，得出力的合成滿足平行四邊形定則.

（4）評價交流，檢驗問題.

在探究過程中，不同小組可能采用不同的方法，得出的結(jié)論也可能有一定的差別，因此評價交流是必不可少的環(huán)節(jié).同時，教師引導(dǎo)學(xué)生進一步完善“第2個環(huán)節(jié)”，用“平行四邊形定則”表示出合力的大小和方向.用重垂線驗證合力的方向、刻度尺測量出合力的大小，發(fā)現(xiàn)用“計算法”和“實驗法”分別得出的合力非常吻合.

本實驗既引導(dǎo)學(xué)生完成教科書上的分組實驗，又不拘泥于教材，進行了改進和創(chuàng)新，如無論2個分力的方向怎樣變化，合力的方向始終沿豎直方向.筆者不禁從中找到了近年來高考的“影子”.

圖1

2.2 “鏈接”高考

隨著新課程改革的不斷深入，高考物理實驗的考查特別注重立足教材，依據(jù)考試說明的要求在實驗方案的設(shè)計、數(shù)據(jù)處理、誤差分析、實驗結(jié)論的分析和評價等方面進行創(chuàng)新.

2011年江蘇高考物理試卷第10題，某學(xué)生用如圖2所示的實驗裝置在豎直平面內(nèi)驗證“力的平行四邊形定則”.本題共3問，第1、3兩問考查基本儀器彈簧秤的使用（略），第2問：下列不必要的實驗要求是

圖2

（A）應(yīng)測量重物M所受的重力.

（B）彈簧測力計應(yīng)在使用前校零.

（C）拉線方向應(yīng)與木板平面平行.

（D）改變拉力，進行多次實驗，每次都要使O點靜止在同一位置.

該題的正確答案為（D）.但（D）選項與教科書中的“原型”吻合.而從上述創(chuàng)新實驗中不難發(fā)現(xiàn)，合力的方向始終沿豎直方向，大小等于重物的重力，不需要“每次都要使O點靜止在同一位置”才能達到效果相同的目的.可見，選錯的學(xué)生是沒能真正理解實驗的原理，他們的創(chuàng)新意識需要進一步培養(yǎng).

近年來，筆者一直關(guān)注高考物理創(chuàng)新實驗試題所反饋的信息，把物理高考創(chuàng)新實驗歸納為兩大特點：

（1）實驗素材取于實驗室的基本儀器；實驗原理源于教材及考試說明規(guī)定的實驗，實驗條件和方法適當(dāng)變化，要求學(xué)生善于發(fā)現(xiàn)問題、找出異同、解決問題，培養(yǎng)其探究精神和創(chuàng)新能力.

（2）以生活現(xiàn)象、社會實際、新科技應(yīng)用為背景，考查學(xué)生用已學(xué)過的實驗原理、研究方法解決教材未涉及的創(chuàng)新型實驗，讓學(xué)生了解科技前沿，考查學(xué)生從理論到實際的應(yīng)用創(chuàng)新能力.

可見，以教材中的基本實驗為原型進行拓展創(chuàng)新是創(chuàng)新實驗教學(xué)的前提.必須理解和掌握教材和考試說明上要求的基本實驗，為學(xué)生實驗創(chuàng)新思維的發(fā)展夯實基礎(chǔ)，從而適當(dāng)拓展創(chuàng)新.

2.3 教學(xué)策略

高中物理課堂有效滲透創(chuàng)新實驗有助于學(xué)生更好地掌握知識，培養(yǎng)學(xué)生動手、合作、創(chuàng)新等多種能力，是實施素質(zhì)教育的主要渠道和有效手段.下面就物理課堂實驗的設(shè)計和實踐，談幾點想法.

（1）物理課堂設(shè)計實驗要突出“創(chuàng)新”.

物理實驗教學(xué)是物理教學(xué)不可或缺的組成部分，在實驗教學(xué)中開展創(chuàng)新教育，對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維尤為重要.筆者對傳統(tǒng)實驗和創(chuàng)新實驗進行比較，歸納為以下幾個方面（見下表1）.比較認識這些區(qū)別，有助于我們從根本上理解和運用創(chuàng)新實驗.

表1

續(xù)表

突出創(chuàng)新，并不意味著我們要摒棄傳統(tǒng).許多傳統(tǒng)實驗是科學(xué)家探究物理規(guī)律，反映探究歷程的重要依據(jù)，凝聚著科學(xué)家的心血.教師要引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)系社會實際和生活經(jīng)驗，在保留傳統(tǒng)實驗精神的前提下對實驗器材進行改進，在可視性、實驗效果、啟發(fā)性等方面作精心設(shè)計.

“伽利略理想斜面實驗”是引入“牛頓第一定律”的經(jīng)典實驗，但傳統(tǒng)的做法受摩擦力的影響較大；斜面傾斜角的連續(xù)可調(diào)性難以實現(xiàn)等因素，實驗效果不令人滿意.筆者在一節(jié)公開課中，通過對其進一步設(shè)計，將“傳統(tǒng)實驗”轉(zhuǎn)化為“創(chuàng)新實驗”，如圖3所示.

實驗器材：彩鋼板1塊（長約150cm，寬約10cm）；木地板邊線2條（長約150cm）；鋼球1個（直徑約2cm）；棉布1塊（長約160cm，寬約6cm）；書立2個（高約19cm）；攝像頭1個（大約130萬像素）等.

實驗優(yōu)點：彩鋼板的韌性適中，斜面的傾斜角可以任意調(diào)節(jié)；2條邊線組成軌道，減小了摩擦力；利用2個書立等高的特點規(guī)定了小球運動的等高線；攝像頭將實驗過程同時放大在屏幕上，現(xiàn)象明顯直觀，效果很好.

（2）物理課堂滲透創(chuàng)新實驗要強調(diào)“有效”.

課堂實驗又叫隨堂實驗或邊教（學(xué)）邊實驗，即課堂教學(xué)中，為實現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)設(shè)計的一個或一組系列小實驗.各個小實驗之間可能沒有相互關(guān)聯(lián)性，但都是為教學(xué)目標(biāo)服務(wù)而貫穿整節(jié)課堂.因此，必須有效.避免為了突出探究過程、合作學(xué)習(xí)，而精心設(shè)計很多實驗并進行簡單的羅列，反而適得其反.

圖3

筆者在設(shè)計高中“牛頓第一定律”一課時，這樣思考：本節(jié)內(nèi)容在初中已經(jīng)了解，要使學(xué)生保持新鮮感，突出知識的深化和科學(xué)研究方法、情感態(tài)度的教育，教師可以讓學(xué)生作為各個歷史時期的“探究者”參與相關(guān)問題的討論，關(guān)鍵在創(chuàng)新實驗的設(shè)計與應(yīng)用.筆者改變眾多實驗簡單堆砌的做法，著重做好3個創(chuàng)新實驗（如圖4所示），既充分發(fā)揮了學(xué)生的主動性和積極性，又讓學(xué)生主動參與教學(xué)過程，親歷思考和探究的過程，同時使學(xué)生養(yǎng)成了科學(xué)的態(tài)度、獲得科學(xué)的方法.

圖4

（3）探究過程要注重“問題”引導(dǎo).

擺脫紙上實驗的現(xiàn)狀，讓學(xué)生親身體驗、親自動手實驗并真正理解和掌握.這樣對于新情境、開放性的實驗問題，也能嘗試改進和完善實驗方案，逐步養(yǎng)成發(fā)現(xiàn)問題、提出問題并解決問題的探究能力.因為其實質(zhì)往往都是對基本實驗原理、方法的遷移和靈活運用.

筆者在設(shè)計“變壓器”一課時，設(shè)置了多種不同的情境讓學(xué)生探究變壓器工作的條件.原線圈通過開關(guān)與干電池連接，副線圈接電壓表，讓學(xué)生先猜想“變壓器可以改變直流電壓嗎？電壓表的示數(shù)情況怎樣？”，再動手實驗并觀察實驗現(xiàn)象.發(fā)現(xiàn)當(dāng)閉合或斷開開關(guān)時，電壓表的指針明顯擺動，然后緩慢恢復(fù)到0.隨后，讓學(xué)生試著用電磁感應(yīng)知識解釋.

為了加深理解，可作進一步探究：將電壓表換成適當(dāng)?shù)摹版u絲燈泡”和“220V，5W的節(jié)能燈”，閉合開關(guān)的瞬間，情況如何？學(xué)生分組討論，各持觀點.最后，通過動手實驗發(fā)現(xiàn)，鎢絲燈泡不亮，而節(jié)能燈卻閃爍一下，并解釋原因.

最后，再次激發(fā)學(xué)生的興趣，若直流電源不變，怎樣才能使電壓表的示數(shù)幾乎不變？經(jīng)過討論與實踐，有學(xué)生發(fā)現(xiàn)不斷地閉、斷開關(guān)能達到目的，最后引申到交流電壓有穩(wěn)定的示數(shù).

以問題為向?qū)В驖u進的探究過程體現(xiàn)了科學(xué)研究的思想和方法；教師在教學(xué)中，突出學(xué)生的主體地位，培養(yǎng)學(xué)生多角度、多方位思考問題的思維方式，逐步形成了獨特新穎、靈活多樣的發(fā)散性思維品質(zhì).

（4）創(chuàng)設(shè)探究環(huán)境，要倡導(dǎo)簡單、直觀的創(chuàng)新“小實驗”.

教師要有意識地創(chuàng)設(shè)科學(xué)探究的環(huán)境，充分利用身邊的各種資源，讓學(xué)生在實踐環(huán)境中感知和體驗，進而上升至智慧，滿足學(xué)生探究學(xué)習(xí)的需要.研究表明，用學(xué)生熟悉的材料或?qū)W生親手制作的儀器做實驗，不僅容易克服學(xué)生的思維障礙，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，而且能幫助學(xué)生敏銳地洞察其中發(fā)生的物理過程，從而更加透徹地理解知識.

例如，筆者在物理教學(xué)過程中，多次用“手”做物理實驗.很多物理知識和物理規(guī)律通過“手”來演示，不僅增強了學(xué)生的感性認識，而且充分發(fā)揮了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，教學(xué)效果較好.下面舉出一個典型的例子來加以說明.

力學(xué)實驗：拿出1支長鉛筆，左右手各伸一食指水平地支持住它的兩端，當(dāng)兩指慢慢向里靠擾的過程中，鉛筆將相對手指交替移動；伸出右手，讓手掌與桌面接觸并在桌面上擦動，感受受力情況等現(xiàn)象與摩擦力有關(guān).左食指的指肚頂右食指的指肚，兩手指都有力的感覺，稍一點力，兩只手指都會彎曲來說明牛頓第三定律；右手平托橡皮，整體向上運動，突然用左手掌擋住右手運動，橡皮向上拋出來說明慣性定律等.

電學(xué)實驗：用塑料泡沫與手摩擦，使泡沫帶電，而且可以吸引吊起的乒乓球；干燥的冬天，手與別人的手或別的物體靠近到接觸時，經(jīng)常有放電現(xiàn)象等.

熱學(xué)實驗：用兩只手掌互相摩擦，體驗?zāi)Σ辽鸁?；在手上涂一些酒精，手感覺比較涼爽，說明蒸發(fā)吸熱等.

光學(xué)實驗：并攏手指，將食指與中指的狹縫平行對準(zhǔn)日光燈，用眼睛透過手指縫觀察到狹縫周圍出現(xiàn)彩色的衍射條紋.

筆者引導(dǎo)學(xué)生充分利用順手拈來的物品或自身條件做實驗，發(fā)揮創(chuàng)新小實驗獨特的教學(xué)功能.一張紙、一只易拉罐、一個兒童玩具等都能給課堂帶來精彩，將抽象的物理理論與生活實際聯(lián)系起來，極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)造力.

3 結(jié)束語

筆者有意識地在高中物理教學(xué)過程中設(shè)計和實踐創(chuàng)新實驗已取得了一定的成效.用正規(guī)的配套儀器，也可用自制教具、學(xué)具，或者利用隨手可取的日常生活用品進行創(chuàng)新實驗；學(xué)生的組織形式多樣，實驗地點不局限在實驗室，實驗類型可以根據(jù)實際情況選擇；增加學(xué)生動手實驗在教學(xué)中的比重，提供更多的機會，來培養(yǎng)學(xué)生的實驗?zāi)芰?；在實驗的間隙穿插教師的啟發(fā)、引導(dǎo)、講解或教師與學(xué)生、學(xué)生與學(xué)生的討論，擴大課堂內(nèi)師生的信息交流等，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)了生動的物理學(xué)習(xí)情境，提供了必要的感性素材，幫助他們建立概念、認識規(guī)律，也讓學(xué)生通過親自動手來學(xué)習(xí)知識，克服課堂教學(xué)“滿堂灌”的現(xiàn)象.

1 韋葉平.激情·探究·對話·生成——“牛頓第一定律”教學(xué)設(shè)計介紹.物理教師，2012（6）.