初中物理實驗教學的創新取向

杜素峰

摘 要：實驗創新（尤其是在學生初學物理的初中階段）并非平地起高樓，需要以教材實驗為基礎，關注定量、實操和數字化等。具體地，可從定性到定量，從習題到實操，從傳統到數字化，從而走向創新。

關鍵詞：初中物理；實驗創新；實驗教學

《義務教育物理課程標準（2022年版）》指出，要“注重發揮每個學生的創新潛力，鼓勵學生設計實驗方案、自制實驗器材、改進實驗裝置及操作方法，給學生提供自主探究的時間和空間”^［1］。實驗創新（尤其是在學生初學物理的初中階段）并非平地起高樓，需要以教材實驗為基礎，關注定量、實操和數字化等，從而走向創新。

一、 從定性到定量

初中物理教材中很多實驗都是定性地去比較實驗結果，以得出兩個物理量之間是否存在關聯。這是由啟蒙階段的教學要求決定的。在學生已經完成定性實驗的基礎上，教師可以引導學生嘗試從定性到定量，創新實驗方案。這不僅可以讓學生驗證之前所學，還可以有效培養學生的科學素養和科學思維。學生會按照更嚴格的邏輯指導和架構去思考問題，養成基本的科學素養。

例如，蘇科版初中物理八年級下冊《液體的壓強》一節設置了這樣一個實驗：“如下頁圖1所示，瓶中注滿水。若在a、b（a、b在同一水平面上）、c處各扎一個小孔，你會看到什么現象？”教材想通過該實驗簡單明了地說明液體壓強和液體深度有關。在實際的教學過程中，學生提出：a、b兩孔噴射出的水的噴射距離是否相等靠人的眼睛直接觀察肯定是不科學的，必須測量出來才能更好地比較。于是，教師順勢引導學生思考：能否測出這個距離的具體數值來比較呢？學生剛開始想到用刻度尺來測量，但在動手實驗過程中發現，由于幾個小孔同時出水，且出水時液面在不斷下降，導致噴射距離會逐漸變小，所以距離測量變得非常困難。對此，教師引導學生聯想八年級上冊學習“速度”時的經驗，創新實驗方案：地上放軟尺，瓶中裝染色的水，在同一時刻從上方拍一張照片然后記錄數據，分別測量不同深度時水的噴射距離。

雖然這樣的實驗創新看起來很簡單，但將實驗的數據從定性改為定量可以使實驗更具有說服力，更能夠培養學生分析數據和處理數據的能力。所以，這不失為一種引導學生實驗創新的好方向。教師可以從教材中的定性實驗（如“探究電熱大小與哪些因素有關”“探究滑動摩擦力大小與哪些因素有關”等）入手，讓學生進一步思考能否設計成定量實驗，培養學生的創新意識和能力。

二、 從習題到實操

很多時候，我們的教學會把實驗和對實驗的評價割裂開，實驗時只關注操作和結果，做題時只關注“標準答案”。其實，在實驗教學中，我們可以重現一些實驗題中的情境，通過實驗的再現與實際操作，鼓勵學生細致觀察，達成教、學、評一體化。

例如，這樣一道教材習題^［2］：

如圖2所示，在水平天花板與豎直墻壁間，通過不計質量的柔軟繩子和光滑的輕小滑輪懸掛重物G=40N，繩長L=2.5m，OA=1.5m，求繩中張力的大小，并討論：

（1）當B點位置固定，A端緩慢向左移動時，繩中張力如何變化？

（2）當A點位置固定，B端緩慢向下移動時，繩中張力又如何變化？

W同學和H同學在利用理論推導的方法答完這道題后，向教師表達了對第（2）小問結果的好奇——B端沿著豎直墻壁緩慢下移，繞過動滑輪的細繩所成角度真的不變嗎？這是對第（2）小問作出“繩中張力保持不變”判斷的重要中間判據。此時兩位學生的關注點，已經不再是數學推演過程的嚴謹性，而是現實物理世界對這一現象的可實現性。兩位學生的這種實證意識，正是學習物理難能可貴的品質，只有讓他們親自動手做一做，才能讓這種品質得到鼓舞和提升。于是，教師指導他們開展了實驗探究：線頭（B端）從圖3所示的位置緩慢移動到下頁圖4所示的位置的過程中，三角尺（其實用量角器更好）上邊緣與細繩交點位置不變，即細繩所成角度保持不變。通過實驗，學生證實了推理結果的正確性。

思維是構成學生素養的重要方面，學生的成長源于自主的思考和感悟。上述實操雖然器材很簡單，卻折射出了學生創新思維的智慧光芒，從最簡單的現象出發，思考現象的本質，并發散性地提出新的問題，設計實驗驗證猜想。這樣的創新實驗能夠極大地改善學生的思維品質，促進學生思維的健康發展。

三、 從傳統到數字化

隨著數字化技術的發展，中學物理教學中實驗的改進與創新達到了新的高度，將傳感器與傳統的物理實驗相結合，不僅可以讓初中物理中很多懸而未決的問題通過科技手段得以解決，還可以增強學生對物理實驗的興趣，提升學生進行實驗創新的熱情和探索新鮮事物的能力。

例如，蘇科版初中物理九年級下冊《電流表與電功》一節的“比較兩個燈泡的亮暗”實驗，是為了探究電功大小和電壓、電流的關系。將兩個不同規格的燈泡串聯時，根據P=I²R，電阻大的燈泡較亮；將兩個不同規格的燈泡并聯時，根據P=U²/R，電阻大的燈泡應該暗一些。具體實驗時，選用規格為“4.8V0.5A”的燈泡L₁和“2.5V0.3A”的燈泡L₂，按照如圖5所示的電路進行實驗，將L₁和L₂并聯接入電路，發現電流表A₁的示數為0.3A，電流表A₂的示數為0.25A。根據P=UI，并聯時，U₁=U₂，I₁>I₂，P₁>P₂，故L₁比L₂亮。但實際觀察到L₁明顯比L₂暗，與理論分析的現象不符。

教師引導學生展開思考：

第一種可能，由于存在電表電阻和導線電阻，可能使得燈泡雖然并聯但兩端電壓不等，導致電壓和電流乘積反而是電流小的更大。對此，教師引導學生將兩個電壓表同時并聯在L₁和L₂兩端，發現其兩端電壓都為2.6V。所以，不是導線和電表分壓導致該現象產生。

第二種可能，“燈泡的亮度由實際功率決定”成立的前提是燈泡的光電轉化效率相同，那么，這個現象出現的原因是兩個燈泡的光電轉化效率不同。一般來說，常規的電表測量很難直觀地比較兩個燈泡的光電轉化效率。對此，考慮引入數字傳感器技術，即利用光傳感器測出與兩個燈泡相同距離（如2cm）處的光照強度E，通過光照強度和電功率之比粗略地體現光電轉化效率。

實驗結果如表1所示，由此發現：L₁的光電轉化效率比L₂小很多。所以，可以推斷上述現象出現的原因是燈泡的光電轉化效率不同。

為什么在這種情況下光電轉化效率會不同呢？對于同一個燈泡，其光電轉化效率是否一直不變呢？我們用圖6所示電路進行實驗，測出不同亮度下光照強度和電功率之比，得到表2。

實驗發現，燈泡越亮的時候，其光電轉化效率越高，故“同一個燈泡的實際功率越大，燈泡的亮度越大”是沒有問題的。但對不同規格的燈泡，這句話就不能完全成立，因為在不同亮度下不同燈泡的光電轉化效率是不一定相同的。這就導致了燈泡實際功率大的反而暗的現象產生。

于傳統實驗中發現問題并引發思考，再利用數字化傳感器技術解決問題，為實驗創新插上翅膀。良好的實驗習慣是在不斷地質疑和思考中養成的，這樣的品質對學生的影響是終身的，也是最有價值的。

參考文獻：

［1］ 中華人民共和國教育部.義務教育物理課程標準（2022年版）［S］.北京：北京師范大學出版社，2022：32.

［2］ 詹善生，王建剛，湯金波.基于實驗：物理習題訓練的創新［J］.教育研究與評論（中學教育教學），2023（2）：55.