淺談初中物理教學中實驗設計與創新

張艷

實驗設計與創新依據義務教育課程標準針對義務教育物理教科書設計一系列的物理實驗，實驗設計與創新的主要方法是案例研究。通過案例研究獲得并積累經驗與方法，循序漸進地改進、完善、豐富實驗設計與創新的案例，形成與物理教材相匹配的較完整的實驗課程。

（一） 實驗設計與創新研究的主要原則

1.科學性原則：實驗方案設計科學，實驗原理所涉及的科學知識沒有錯誤，因果關系正確，邏輯推理嚴謹。實驗裝置的設計符合實驗原理設計的要求，通過規范的實驗操作方法準確地體現實驗原理，達到預期的實驗效果。

2.安全性原則：在實驗設計中嚴禁危害人身安全，特別是學生的安全。

3.直觀性原則：實驗裝置清晰有序，可視效果好。實驗過程的步驟與階段明顯，操作方法透明可見。實驗現象明顯，演示實驗的現象能盡可能地讓全體學生清楚地觀察到，學生分組實驗能讓實驗小組的學生清楚地觀察到。

（二） 實驗設計與創新研究的主要內容

實驗設計與創新主要包括四個方面的內容。①優化教材演示實驗內容，改進教材演示實驗設計，增強實驗探究設計的方法性和示范性。使演示實驗的現象更加明顯，更加有利于絕大多數學生理解物理原理。②優化教材學生探究實驗內容與實驗活動內容，改進教材學生探究實驗設計與實驗活動設計，注重實驗探究設計的過程、方法和主動性。使學生探究實驗與實驗活動的現象更加明顯，不斷提高學生實驗成功的機遇，更加有利于培養絕大多數學生的學習興趣、探究學習方法、探究學習習慣。③在實驗設計中，根據物理實驗的難易程度、學生的實驗能力以及安全因素等，適當增加某些驗證性實驗中的探究性因素，適當增加某些探究性實驗中的驗證性因素，使物理實驗設計更加符合物理實驗教學的實際需要。④增補相關實驗，幫助學生理解物理重難點知識或物理核心知識。如設計補充實驗，有效地促進學生理解和認識物理概念、理論、規律等。

（三）實驗設計與創新的研究模式

實驗設計與創新課題研究包括宏觀研究和微觀研究兩個層面。宏觀研究：不僅包括教材現有的教師演示實驗、學生探究實驗、學生分組實驗，還包括增補實驗。

（四）實驗設計與創新的研究策略

實驗設計與創新研究策略：①根據義務教育物理課程標準，設計符合教材教學內容的實驗目標。根據實驗目標和學生的學習水平設計實驗原理，根據實驗原理和實際實驗條件等設計實驗器材和實驗操作方法，根據實驗現象反饋改進實驗設計。②中學生獲得的物理知識與實驗技能有限，為調動學生參與物理實驗的積極性，充分發揮物理實驗在學生認知活動中的橋梁作用，應該淡化演示實驗與學生實驗的界限、驗證性實驗與探究性實驗的界限、單一性實驗與綜合性實驗的界限、課堂實驗與課外實驗的界限、實驗評價中成功與失敗的界限。

（五）實驗設計與創新的個案研究

個案研究是實驗設計與創新研究的主要方法，也是重要方法。圍繞教材中的物理核心知識、疑難知識等教學內容，依據義務教育物理課程標準和綠色物理理念設計實驗目的，選擇與學生生活實際或學習需要聯系緊密的物理實驗素材，設計符合學生認知水平的物理實驗原理。根據實驗原理設計簡潔直觀的實驗裝置，優化實驗操作的過程與方法，精簡實驗過程，節省課堂時間。

下面以《“水蒸氣做功”實驗的改進》為例介紹實驗設計創新的案例研究方法。

在人教版義務教育課程標準九年級物理教科書十四章的《熱機》這一節中，提到了這樣一個演示實驗（如圖）。

如圖，在試管內裝些水，用橡膠塞塞住管口，將水加熱一段時間，觀察現象。

討論這個過程中不同形式的能量之間的轉化情況。

在實際教學過程中，發現本實驗確實有不少弊端。其一，實驗中塞子的松緊度不易掌握，過松會導致不密封、漏氣，塞子無法沖出;過緊會導致加熱時間過長，甚至可能試管內氣壓過大，試管炸裂。其二，本實驗即使成功，也有安全隱患。教師在實驗中經過反復調試塞子的松緊，終于成功的完成了實驗，但是當塞子沖出的過程中，試管中的沸水也噴出不少，差點造成燙傷事故，教師驚出一身冷汗。

本節安排這個演示實驗的目的是為了說明可以將燃料的化學能最終轉化為塞子的機械能，利用蒸氣的內能做功。能不能將此實驗加以改進，既安全又容易操作呢？在該實驗基礎上經過多次改進，確定了一個安全簡易可行的實驗方案。

器材：燒瓶1個、帶導管的瓶塞1個、鐵架臺1個、橡膠管一截、膠頭滴管1個（去掉膠頭）、酒精燈、自制葉輪（直徑約5-10cm）。

以上器材多數都是實驗室的常見器材，容易得到。自制葉輪可以用鋁制易拉罐制作，再裝上一個支架（如右圖）。

操作方法：在燒瓶中裝適量的水，將膠頭滴管（去掉膠頭）和橡膠導管連接再與瓶塞連接并塞緊，用酒精燈加熱至沸騰，當從導管噴出大量“白氣”時就可以將出氣口對著葉輪，葉輪在“白氣”推動下轉動，實現了一個利用內能做功的過程。

注意事項：噴氣時導管的溫度太高不能直接用手拿著，可以用木夾夾著。如果噴出的氣流不能夠使葉輪轉動，那是因為氣流還不夠快，可以不用酒精燈而將酒精直接倒入一個坩堝內點燃進行加熱（或者酒精噴燈），但是要注意操作仔細，避免酒精灑出。

三、在物理實驗設計與創新研究中必須注意的問題

實驗設計創新應該以學為本，注意克服實驗設計與創新可能導致課堂學習低效的不利因素。如實驗素材要充分體現物理核心知識、重難疑點知識，遠離偏、怪、繁等超越義務教育物理課程標準難度要求的知識。實驗原理符合學生的認知水平，禁止設計超越學生理解能力的實驗原理，避免加重學生理解物理知識的負擔，保護學生熱愛物理實驗的積極性。