開發實驗裝置培養學生創新能力

董軍鋒

摘 要：認識到了用“手按礦泉水瓶”演示活動來體現“水的浮力”存在不足，利用身邊的實驗素材來自制實驗裝置，筆者從實驗素材、制作過程、操作步驟、改進優點、問題分析及改進新設想等六個方面對自制實驗裝置進行總結。通過將演示實驗改成分組實驗，擴大了實驗現象的可視度和持續性，促進了學生在課堂上更好地理解新知識。在制作實驗教具過程中，組織學生參與到制作過程中，讓學生體驗到了實驗活動的過程，培養了實驗創新意識，激發了實踐的主動性和積極性。

關鍵詞：創新;實驗素材;自制教具

課堂實驗是吸引學生課堂注意力的有效手段，但是課堂演示實驗存在實驗現象可視度低、實驗開展成功率低等問題，老師就將演示實驗變成了口頭實驗、粉筆實驗或視頻實驗，導致學生對實驗活動體驗的缺失。受演示實驗本身條件的限制，參與學生人數有限，導致用個別學生的實驗感受來代替全班學生的感受，這限制了學生體驗實驗活動的機會。所以，以“水產生浮力”自制實驗教具為例，筆者從問題分析、尋找素材、制作過程、操作步驟、改進優點、問題分析及改進新設想等六個方面入手，對研究過程做了總結。

【案例】 制作“水的浮力”實驗裝置

素材來源：在八年級科學上冊第一章第3節《水的浮力》中，有一個實驗活動“手按礦泉水瓶”，其活動內容為： ①.將一個空塑料瓶的瓶蓋擰緊，然后把它壓入水中，你的手有什么感覺？②.將手松開后，觀察瓶子運動的情況。

分析討論問題：筆者針對課堂演示實驗存在的問題進行了思考分析后，總結出了以下幾點不足：①.實驗器材攜帶麻煩，需要準備能橫著放入空礦泉水瓶的容器，而且要盛足夠多的水，保證能觀察到“在手放松后礦泉水瓶會上升”的實驗現象;②.雖然在課堂上要求學生親自完成“手按礦泉水瓶”活動后，要求學生訴說“感受”，而感受只能由參與者去體會，其他學生不能切身感受這種活動結果（或現象），這樣的實驗處理方式會降低學生在課堂上參與的程度，進而降低課堂實驗活動的效率;③.手松開后，礦泉水瓶幾乎是跟著手一起上來的，其他較遠的學生看不到明顯的現象，所以“礦泉水瓶是受到水的浮力而向上運動的”的實驗結論有些勉強;④.利用圖示實驗裝置，不但獲得的實驗現象有缺陷，而且裝置的利用率也不高。

針對上述討論總結出的問題，筆者主要做了以下改進工作：

一、“水產生浮力”實驗裝置的研究過程及應用

1.實驗素材：透明塑料杯，細鐵絲，乒乓球，橡皮筋，小指針，紙條，膠帶紙，熱熔膠，刻度尺。

2.制作過程：①.在塑料杯外壁貼上紙條;②.在乒乓球的中心位置，用燒紅的鐵絲鉆一個小孔，然后用熱熔膠將乒乓球與橡皮筋連接起來，并且在橡皮筋上固定一枚小指針;③.在透明塑料杯底部中間位置，用燒紅的鐵絲鉆一個小孔，將橡皮筋穿過塑料杯底部的小孔后，適當調整指針位置后，再用熱熔膠將底部小孔封住，裝置制作完成。

3.操作步驟：①.向容器中緩慢加水，直到橡皮筋剛剛被拉直時（或者觀察到乒乓球浮在水面中間）就停止加水，觀察此時橡皮筋所處的位置;②.將容器傾斜放置在一斜面上（注意：不能讓乒乓球碰到容器壁），觀察此時橡皮筋所處的位置;③.移走斜面后觀察此時指針所指的高度，并在白紙上標出相應位置;④.向燒杯中繼續緩慢加水，直到乒乓球全部浸沒在水中，觀察此時指針所指的高度，并在白紙上標出相應位置。

4. 研究結果與應用：在課堂上，利用學生自制的裝置開展分組實驗后，筆者對發現的問題再次進行了總結，如：a.乒乓球浮起后，橡皮筋沒有處于豎直位置或乒乓球貼在塑料杯內壁上;b.乒乓球在未浸沒前，水面已經升到塑料杯杯口;c. 在紙條上標出指針所處的高度時不夠精確;d. 乒乓球在水面上不斷振動，影響標出指針的位置，應沿著塑料杯內壁倒入，避免水沖擊到乒乓球。

二、闡述“水產生浮力”的實驗裝置原理

在制作“水產生浮力”的實驗裝置時，為了解決“浮力不可見”而變成“可見”，以及增強實驗效果，在設計制作原理上，從以下幾點闡述：

1.轉換法：具體事例，比如“乒乓球向上浮起”，依據力能改變物體的運動狀態，讓學生觀察到乒乓球受到了浮力;通過橡皮筋拉直之后所處的位置，顯示出“浮力的方向”;通過“橡皮筋被拉長的程度”來顯示“浮力的大小”。

2.對比法：比較兩次活動中觀察到的橡皮筋所處的位置，得到浮力的方向“總是”豎直向上的;比較兩次活動中觀察到的橡皮伸長的長度，以及乒乓球進入水中的體積，認識到影響浮力大小的因素。

三、總結“水產生浮力”的實驗裝置的優點及創新點

改進優點：①.實驗素材為常見日常生活用品中獲得，適合開展家庭小實驗，將課堂實驗拓展到課外，有利于提高學生參與活動的程度;②.擇優選用學生在家制作的活動裝置后，用作課堂實驗教具，而且能開展分組實驗活動，既提高課堂實驗活動的效率，又可以激發學生積極參與課外實驗活動的興趣，讓學生能感受到實驗創新的獲得感;③.實驗現象明顯，而且現象能維持較長時間，如：a.通過“乒乓球向上運動起來”能說明乒乓球受到了水的浮力;b.通過“橡皮筋處于豎直位置”能顯示出浮力的方向;④.實驗裝置攜帶方便，可重復利用，而且自制實驗裝置能拓展其他用途，比如：通過“橡皮筋伸長的長度變化”來顯示出乒乓球受到水的浮力大小也在變化，進而引出“影響浮力大小的因素”。

創新點（改進新設想）：①.在連接乒乓球和塑料杯底時，橡皮筋要垂直插入孔中后再用熱熔膠固定;②.能在上面打上刻度的透明塑料片來代替紙條，貼在內側，可以與水直接接觸，更能精確判斷指針所指的高度;③.用泡沫塑料代替乒乓球，增大浮力，從而增大實驗現象;④. 為了減少指針本身重力對實驗的影響，利用錫箔紙做指針，減輕指針重力給實驗現象帶來影響，同時將指針與泡沫塑料固定，要求指針能與塑料片保持垂直;⑤.橡皮筋改成彈性好的彈簧，增大浮力產生的效果;⑥. 泡沫塑料用電熱絲切割成長方體，以及引入刻度，這樣的實驗裝置可將定性實驗改成定量實驗。

綜上所述，認識到了用“手按礦泉水瓶”活動來體現“水產生浮力”存在不足，筆者從尋找實驗素材、闡述制作過程、演示操作步驟、分析新問題、總結改進優點以及改進新設想等方面，制作“水產生浮力”的實驗裝置，然后將自制實驗裝置運用于課堂教學，成功地將演示實驗轉變成學生分組實驗，增強實驗現象的可視度，提高了學生的參與程度，培養學生的創新意識和探索實踐的能力。通過參與制作實驗裝置的過程，筆者通過手機拍攝照片或錄制視頻，并制成活動紀念相冊或視頻，記錄了學生在實驗過程中付出的努力和收獲的樂趣，讓學生對研究過程有了切身體驗，也獲得了實驗創新過程中所帶來的成就感，同時也讓學生的意識到從感性認識上升到理性思考的重要性，意識到解決問題需要回歸到理性思考中。