淺談中學物理創新實驗的設計和運用策略

摘要：物理創新實驗是開展創新教育的有效途徑.物理教師不止要傳播科學知識、科學精神、科學觀念，更為重要的是要啟迪學生的智慧，提升學生的創新思維，進而培養學生的創新能力.從可操作性的層面， 結合具體實驗案例，對中學物理創新實驗的設計和運用進行一些思考與探索.

關鍵詞：物理創新實驗；改革實驗；呈現方式；優化升級；設計新實驗

作者簡介：畢亮（1984-），男，云南彌渡人，學士，云南省綠春縣第一中學一級教師，從事中學物理教學工作 .

基金項目：云南省教育科學“十二五”2015年度課題“創新物理實驗在邊疆少數民族地區中學物理教學中的運用”（課題立項編號：BC15030）.習近平同志說過：“抓創新就是抓發展，謀創新就是謀未來.不創新就要落后，創新慢了也要落后.”江澤民同志說過：“創新是一個民族進步的靈魂，是一個國家興旺發達的不竭動力，創新的關鍵在人才，人才的成長靠教育.”要培養創新型人才，就必須實施創新教育.所謂創新教育，就是通過有效的教育手段和科學方法，以培養學生創新的意識、思維、精神、能力和個性為基本價值取向的教育.在物理教學中，物理創新實驗是開展創新教育的有效途徑.

學生創新的意識、思維、精神、能力和個性的初步養成，必須依靠中學老師.有很多物理教師會說，我們自己都不能設計物理創新實驗，更別談用物理創新實驗開展創新教學.本文結合實驗案例，筆者談談自己的想法和思考，做了一些思考和探索.

1改變實驗呈現方式

中學生的自控力、專注力較差，如果演示實驗過于枯燥，學生容易失去學習興趣，一旦失去興趣，他們學習的動機也會減弱.物理課就沒有了吸引力，創新教育也就成了空中樓閣.

1.1將實驗改為舞臺劇

比如覆杯實驗，我們可以將其改為舞臺劇.因篇幅限制，不便將劇本原文呈現出來，這里只介紹改編的故事.費曼的傳記——《別鬧了，費曼先生：科學頑童的故事》[1]一書記錄了費曼的一則逸聞趣事.

大三、大四時，費曼常光顧波士頓的一家餐廳，餐廳的人都認識他，平時負責招呼他的是一名叫蘇絲的女服務員.餐廳生意非常好，服務員總是很匆忙.一天，費曼為了捉弄蘇絲，將兩個五美分的硬幣分別放在兩個玻璃杯里，在玻璃杯中裝滿水，用卡片覆蓋杯口，然后翻轉過來——卡片受到大氣壓力，緊緊的貼在杯口，杯中水無法流出.費曼將玻璃杯倒放在桌上，再抽走卡片.由于杯子蓋得緊，空氣進不去，水也漏不出來.臨走時，費曼讓蘇絲小心：玻璃杯里邊裝滿了水！蘇絲收拾桌子，匆忙中把一個杯子拿起來，水流得滿桌都是.蘇絲氣壞了，叫來老板，兩人研究半天，沒想到解決辦法，最后只能把第二個杯子拿起來，結果水流了一地，蘇絲還滑了一跤.第二天，費曼又去這家餐廳吃飯，負責招呼他的是另一名女服務員，蘇絲再也不理睬他了.新的女服務員將蘇絲昨日的丑事說給費曼聽，費曼哈哈大笑.她對費曼說：你還笑？如果有人這樣對你，你該怎么辦？費曼說：沒事，我會拿一個湯碗，很小心地把杯子滑到桌邊，讓水流到湯碗里，然后再把小費拿起來.她說：噢，這主意不錯！那天晚上，費曼將咖啡杯翻過來蓋在桌上，把小費放進去.第三天費曼又到餐廳，還是同一個女服務員招呼他.她問費曼：昨天晚上你為什么把咖啡杯蓋在桌上？費曼說：我想，即使你很匆忙，你還是會跑回廚房拿一個湯碗，然后慢慢地、小心翼翼地把杯子移到桌邊……她抱怨道：我就是這么做的，但杯子里一點水都沒有！

我們可以將這個故事改編為舞臺劇，劇名叫《費曼捉弄女服務生》.只需要四名同學提前兩三天排練，課堂上表演出來，效果非常好.學生會認為，老師的教學方式別出心裁，充滿創意！當然，并不是每個實驗活動都可以改編為舞臺劇，這樣的舞臺劇也不一定越多越好，但是一個學年或一個學期，能有一兩個這樣的舞臺劇，也是蠻不錯的.

1.2將實驗改為游戲

與改為舞臺劇相比，將實驗活動改為游戲，就顯得更容易、方便.學生的參與面也可以更廣.同樣是驗證大氣壓強存在的實驗，我們可以將實驗改為游戲.需要的實驗器材有礦泉水瓶和氣球.具體的實施方案如下.

上課的前一天，教師讓所有同學每人準備一個空的礦泉水瓶，教師自己購買一包氣球（氣球比礦泉水難買到）.在前一天，教師事先找一兩個瘦小的男生.把游戲無法成功和容易取得成功的秘訣傳授給他們.將一個礦泉水瓶的瓶蓋去掉，把一個氣球塞進瓶內，氣球口套在瓶口.用嘴向氣球內吹氣，氣球被微微吹大一點之后，就再也無法被吹大.為什么呢？因為氣體也有壓強，瓶口套上氣球時，瓶內氣壓和外界大氣壓相等.吹氣時，氣球內部氣體增多壓強增大，氣球膨脹，同時瓶內氣體的空間被壓縮，瓶內氣壓增大.要使氣球繼續變大，人吹到氣球內的氣體的壓強必須大于球身壓強與瓶內氣體的壓強之和.然而，人的肺活量是一定的，人吹出的氣體的壓強無法抵抗球身壓強與瓶內氣體的壓強之和時，氣球再也無法變大.在礦泉水瓶的瓶身上打一個小孔.吹氣球時，氣球內部氣體增多壓強增大，氣球擠占瓶內氣體的空間，瓶內氣體通過小孔排出，氣球因此可以被吹大.氣球的球身貼緊瓶壁后繼續吹氣，氣球還會繼續變長.用手指堵住小孔，嘴離開瓶口，氣球會稍微收縮一點，之后就不能繼續收縮，因為氣球內部氣體的壓強（等于大氣壓）與球身壓強和瓶內氣體壓強（小于大氣壓）之合相等，在這種情況下氣球不會變癟.手指離開小孔后，氣球內外都與大氣連通，內外氣壓必須相等，氣球在自身彈力作用下變癟.

在課堂上，教師把氣球分發給學生……讓學生進行吹氣球比賽，誰吹得最大，并且嘴離開瓶口后氣球不會變癟，誰就勝利.結果顯而易見，是托兒勝出.在其余同學都用羨慕的眼神看著勝出者時，教師讓其中的一個托上臺揭秘成功的要訣.這樣的一個游戲，不僅成本極低，還能使全體學生參與.學生在輕松愉快的氛圍中，牢牢掌握了物理知識.課后，也許還會有學生拿這個游戲去“欺騙”其他班的同學，獲得一種成就感和滿足感.

無論是“舞臺劇”還是“游戲”，都可以啟發學生：只要有創新的意識和能力，對物理實驗略作包裝，實驗也可以充滿人文氣息，同時又有趣、好玩.在創新教育的初級階段，我們要做的就是給他們樹立榜樣，用創新實驗方案進行反復熏陶.

2優化升級教材中的實驗

教材中的實驗，并非個個都是完美的.個別實驗可能會存在一些缺憾，如邏輯不夠流暢、實驗現象不夠明顯等.教師一旦發現教材中的實驗可以改進，便可以放開手腳，大膽地發揮自己的聰明才智.甚至，教師還可以帶領學生，以教材實驗為藍本，做一些力所能及的創新.

下面，筆者以人教版八年級物理上冊中“溫度能改變物質密度”的實驗為例，談一談如何優化升級教材中的實驗.該實驗是這樣的[2]：按圖1做一個紙風車.如果把紙風車放在點燃的酒精燈上方，風車能轉動起來.你知道是什么推動了風車嗎？教材給出的解釋：氣體受熱膨脹.由于密度ρ=mv，一定質量的氣體體積膨脹后，密度變小.空氣因受熱體積膨脹，密度變小而上升.熱空氣上升后，冷空氣就從四面八方流過來，從而形成風.

雖然這個實驗的現象很明顯，但是無法彰顯邏輯的層次性和漸進性.筆者曾經用打火機設計過一系列小實驗[3]，其中一個實驗是“溫度可以改變密度”.將筆者設計的這個實驗進一步細化，并與圖1中的實驗組合在一起.可以將圖1中的實驗優化升級，將其創新為邏輯流暢的探索性實驗.具體的做法如下.

教師掏出一個打火機，向學生展示后，將打火機直立握在手中，注意，僅僅握住機身的三分之二.教師：如果我打燃火機，火焰會朝向哪一個方向？學生心里想，這不是司空見慣的現象嗎？因此，他們張口就答：豎直向上.教師打燃火機，現象的確與學生預料的一樣，見圖2.教師：為什么火焰會朝上？學生張口就答：因為噴口朝上.接下來，教師轉動打燃的打火機，將其橫握在手中，學生會觀察到火焰彎向上方，現象如圖3所示.再轉動打火機，將其倒立過來，學生會看到，火焰依然彎向上方，其現象如圖4所示.整個轉動的過程，火焰始終是彎向上方的.此時學生心中充滿疑問，并且會提出自己的猜想.

教師：火焰為什么總是彎向上方？學生：可能是噴出的氣體密度小，比較輕，會向上飄，所以火焰朝上.教師：噴出的氣體，主要成分是正丁烷，密度比空氣大很多，況且氣體已經燃燒——和氧氣發生化學反應，生成二氧化碳和水，它們整體的密度也比空氣大很多（學生還未學化學，教師最好直接回答學生，噴出的氣體已經燃燒掉了）.學生：那是為什么呢？教師：如果打火機處于直立狀態，什么情況下火焰會變彎呢？學生：有持續的微風吹過.教師：對.在這種情形下，火焰會彎向那個方向？學生：風向哪個方向吹，火焰就會彎向哪個方向.教師：對.再思考打火機的火焰為什么始終向上彎？學生：可能有風向上吹.教師：這種猜想非常合理.在生活中，有風迎面吹向風車，風車會轉動嗎？學生：會，教師：如果我們想證明，火焰附近有風由下向上吹，該怎么辦？學生：在火焰上方放一個紙風車.教師：非常好.由于打火機不能長時間處于燃燒狀態.下面，我們用一個酒精燈和風車來驗證我們的猜想.教師隨機抽兩位同學上臺演示.

學生做實驗.首先，在未點燃的酒精燈上方放一個紙風車，紙風車不轉動，說明此時沒有風.接著，點燃酒精燈，學生看到紙風車轉動起來，說明點燃的火焰產生了風.最后，熄滅酒精燈，學生看到原本轉動的風車停了下來.實驗結束后，教師借助液體溫度計的原理（之前已經學過），引導學生思考為何火焰周圍會形成豎直向上的風，并最終得到正確的答案.

優化升級教材中的實驗，難度要大一些.只要教師有創新能力，就可以改進教材中的實驗.借助這一類的創新實驗，可以培養創新的思維，可以培養學生的創新能力和精神.

3設計全新原創的實驗

設計全新原創的實驗，比前兩個階段的創新都難.對教師的物理素養和創新能力的要求更高，但也不是不可能做到.首先，多進行相關的閱讀，從中吸取營養，學習創新技能，創新思維等，其次我們要善于觀察身邊的各種器具，積極思考它們有什么特性，能否在它們的各種特性上做文章.或者針對某個物理知識，深入思考可以用什么器材來證明這個物理知識是正確的.其次，我們要敢于嘗試、勇于嘗試，不懼怕失敗，不斷總結經驗教訓.

筆者曾設計過吹“乒乓球”的系列實驗[4].涉及到的知識是伯努利原理：在流體中，流速越大的位置，壓強越小.其中的一個實驗非常有趣，簡直就是一個魔術.如圖5所示，在一個方形的玻璃杯中放入乒乓球，把玻璃杯放置于水平桌面上.此時，乒乓球位于玻璃杯底，然后在玻璃杯上方水平用力吹氣.吹氣的同時，可以看到杯中的乒乓球從杯中滾出，其效果如圖6所示.乒乓球滾出，說明玻璃杯中有風向外吹.為何呢？人用力吹氣時，杯身和杯口上方的空氣流速增大壓強減小，杯內的氣壓大于杯口右上側的氣壓，杯內的絕大部分氣體在壓強差作用下向外流，同時貼近桌面的杯壁內側有外界空氣緊貼著玻璃杯的內壁流入.乒乓球在力矩的作用下從里向外滾出（給學生講解時，此處要把握好分寸，適可而止）.筆者給學生表演這個物理魔術時，學生非常驚訝.以為我在玻璃杯上做了手腳，反復檢查之后，發現玻璃杯沒有“洞”，給學生留下了深刻的印象.

這個實驗，器材簡單效果好，優勢非常明顯.但是，也存在幾個不能忽視的缺陷.第一：演示時，杯身要正對學生，然而教室里的講臺不一定水平，如果杯口一側高，則乒乓球很難吹出去，如果杯底一側高，則尚未吹氣乒乓球就自動滾了出去，實驗容易失敗.第二：人吹氣時把握不好吹氣方向，而是斜向下對著玻璃杯壁吹氣，則氣流流到杯口時流速已經很小，實驗容易失敗.第三：這個實驗需要很大的肺活量，由學生操作時，學生的肺活量小，實驗容易失敗.

如何改良這個實驗？筆者想到了新的方案.并且新舊方案可以一并用于教學.教師先借助課本中的實驗，講授伯努利原理.之后，讓幾個學生操作“吹乒乓球”的實驗.有的同學成功，有的同學重復多次也無法成功，如果都不能成功，教師直接展示“吹乒乓球的”實驗視頻.教師：能把乒乓球吹出，說明玻璃杯中形成了由內而外的風……但是有的同學吹不出來，可能是什么原因？學生：肺活量太小（學生能答上這一條就可以）.教師：既然玻璃杯內的風可以吹動乒乓球，還可以吹動什么或吹滅什么？學生：吹滅蠟燭.教師：對，我們拿蠟燭試一試.

然后教師展示吹“蠟燭”的方案.把一只長短合適、粗一點的蠟燭點燃，放到杯口，用刻度尺或筆把蠟燭推進去，然后讓一個學生用力水平吹氣，如圖7所示.學生把蠟燭吹滅的同時，還能看到煙霧從杯中飄出，如圖8所示.這個實驗，效果非常好.但是要注意，這個方案中的玻璃杯要能耐高溫.如果是普通玻璃杯，在實驗前應先預熱火焰可以烘烤到的那一側玻璃壁.因為，這個“魔術”會有很多同學來嘗試，如果玻璃杯材質不好或者不提前預熱，長時間加熱，玻璃杯受熱不勻容易破裂.

有人可能會問，會不會人還沒吹氣，蠟燭就因缺氧而熄滅.這不用擔心，筆者使用高為14cm，杯口邊長為6cm的玻璃杯，實驗非常成功.蠟燭燃燒產生的二氧化碳、水蒸氣，以及被加熱的空氣組成的混合熱氣，聚集在火焰上方并貼著玻璃杯上側面向外流，冷空氣從下方向內流.此實驗最大優點恰恰就是因為蠟燭燃燒會消耗氧氣，使得杯中氧氣是比較稀薄.即便在桌面不平、人吹氣的方向拿捏不當、學生肺活量小的嚴苛條件下，這個實驗也很容易成功.只要人用力吹氣，在杯內氣體急劇向外流出時，蠟燭會因過度缺氧而熄滅.

“吹乒乓球”的實驗也可以有其他改進方法，比如在放倒的玻璃杯的上側壁貼上小紙條，用小紙條取代乒乓球.或者僅僅改變吹氣的方向，人吹氣的方向與杯口平面垂直，且水平.或者使用兩個玻璃杯，在玻璃杯中放入兩個乒乓球，玻璃杯口對口放置，留有1cm寬的間隙，從間隙中間吹氣.教師可以引導學生設計這幾種改進實驗，用來培養學生的創新能力.

設計全新原創的實驗，筆者的觀點是，器材要簡單、常見、成本低，且效果要明顯（為了讓學生清楚地觀察到實驗的細節，攝像頭是必不可少，借助攝像頭，可以把實驗過程同步到電子白板上）.這樣的創新，既能節省器材方面的開支，又能小中見大.

4結語

學生骨子里都渴望創新，借助創新實驗，他們可以獲得認同感、成就感.作為教師，我們唯一要做的，就是提升自己的創新水平，借助自己的創新實驗方案，激發學生的創新意識，培養他們的創新思維，進而培養他們創新的能力、精神、個性.最后再引導學生，讓學生自主設計實驗.

創新無處不在，創新永無止境，愿我們每一個老師都善于創新，并能培養出善于創新的學生.

參考文獻：

[1] 費曼著，吳程遠譯.別鬧了，費曼先生：科學頑童的故事[M].北京：生活·讀書·新知·三聯書店，1997：33-34.

[2] 義務教育教科書物理八年級上冊[M].北京：人民教育出版社，2012：120.

[3] 畢亮等.用打火機做趣味物理實驗[J].物理教學，2014（12）：74-75.

[4] 畢亮，趙堅.這個實驗真的無法實現嗎[J].物理教學，2015（9）：38-41.