實驗創新，讓物理課堂靈動起來

■韋兵余

物理學是自然科學的基本組成部分，實驗則是支撐起物理學大廈的基石。《義務教育物理課程標準（2022 年版）》在實驗教學方面對教師提出了較高要求，除了教材中所呈現的學生分組實驗、教師演示實驗以外，還要求師生能夠利用身邊的物品、廉價的新材料對教材中的實驗資源進行創新、優化，讓實驗探究更好地服務于教學，幫助學生實現對物理知識的理解和運用。作為一名初中物理教師，筆者有責任傳遞好義務教育階段培養學生創新能力的“接力棒”，引導學生像科學家一樣去探索新知，創造未來。筆者的教育主張是以實驗為載體，以創新為導向，在實驗活動中培育學生自主實驗的創新能力，提升學生的核心素養。

一、物理實驗創新概念的明確

物理實驗是指在教學過程中為了構建某些物理概念、探查某些物理規律，驗證某些物理原理，利用實驗器材開展有目的、有計劃、有組織的研究活動，是進行物理知識建構的重要學習方式之一。創新概念不單指新事物的首次“露面”，也可以是新思維、新方法、新技術等某些事物的凸顯。而物理實驗創新則是物理實驗教學的生長點，其創新的意義與傳統意義中的“創新”有所不同。物理實驗創新注重的是創新實驗過程中所蘊含的教育功能和研究價值。物理實驗創新既包含教材實驗設計和功能的改進、教具的改造和設計；也包含在實際教學過程中，根據教學設計的需要由師生自行制作教具、學具，以此為學生的創新能力和創新素質的發展做好鋪墊。

二、國內物理實驗創新的研究現狀

20 世紀80 年代初，創新教育在我國已引起廣泛重視，并有許多教育工作者先后開展了研究。我國物理教育界的前輩朱正元教授所倡導的“壇壇罐罐當儀器，拼拼湊湊做實驗”指明了一種物理實驗創新的方向。南京師范大學劉炳昇教授一直傾心于實驗創新研究，提出“小教具，大智慧”的教育思想，并主編了多部著作，對中學物理實驗創新的基本原理及創新策略以案例的形式作出了詳細的闡述。南京師范大學附屬中學樹人學校湯金波老師首先提出了學生自主實驗創新是未來物理教學的最優途徑，倡導“玩中體驗，改中求變，思中頓悟，創中提能”。他的研究團隊在核心及主流教學期刊上發表了數十篇關于學生自主實驗創新的論文，從學習心理學、認知表征方式的角度和傳統的實驗改進、自制教具比較的角度，闡述了推進學生自主實驗創新的必要性，強調了學生自主實驗創新可以輕松實現“從動作表征、圖像表征到符號表征”的層級進階，為學生自主實驗創新教學模式的踐行提供了理論依據，引發了全國各地物理教育同仁的廣泛關注。江蘇省南京市秦淮區教師發展中心丁玉祥老師也曾撰文闡釋了自主實驗創新是學生科學素養培育的重要載體，強調要科學把握其基本特征與實踐價值，充分發揮其教學功能，建議圍繞課后自主實驗設計活動的項目設計、校內物理特色校本課程的內容設計、物理教材規定演示實驗的補充改進、課后物理習題創新實踐的實驗轉化、物理實驗階段備考復習的深度拓展、教材綜合實踐活動習題的創新實踐等教學路徑開展學生自主實驗創新，從而闡明了學生自主實驗創新是未來物理教學的最優途徑。

同時，許多高校學生和一線教師也紛紛撰文分享自己在實驗創新方面的成果。例如，山東師范大學研究生張建華在論文《中學開展低成本物理創新實驗設計的實踐研究》中系統指出了開發低成本創新實驗的美好前景，以及低成本創新實驗資源開發的具體方法等。湖南省長沙市南雅中學的彭海燕在《中學物理實驗的創新與拓展》一文中，從中學物理實驗教學的實踐出發，在教學范圍、教學方法、教學手段、教學內容及科研與教學的關系等方面，比較系統地探討了教師在中學物理實驗教學中創新的主要途徑。華中師范大學研究生朱遠稼在論文《中美物理DIS 實驗系統比較研究》中明確指出，構建信息技術平臺是實現物理課程與信息技術整合的迫切要求。隨著新課改的不斷深入，數字信息化系統實驗（如DIS 實驗系統）越來越受到大家的重視，因為它可以幫助解決某些操作性要求較高的物理實驗，且實驗現象直觀形象，有利于幫助學生對知識的建構和規律的理解。

三、物理實驗創新的基本策略

既然物理實驗創新對物理學科素養發展如此重要，作為一線教師，我們應該如何開展實驗創新活動，有哪些具體策略便于實施？眾所周知，實驗創新不能是無根浮萍，必須有載體可以依托。而物理教材是承載科學知識的重要文本，蘊含著豐富的實驗資源。若能依托教材中的實驗資源，引導學生自主開展實驗創新活動，不僅能夠培養學生的創新能力，也能夠提升學生的核心素養。

1.優化實驗方案，彌補教材缺憾

盡管編寫教材的專家對每一個實驗方案都進行了精心設計，但我們在教學過程中仍然發現了某些實驗方案存在一些“瑕疵”，影響了實驗效果。而物理教材中的這些“瑕疵”，正是師生進行自主實驗創新最好的資源。

例如，在“估測大氣壓的值”實驗中，把注射器的活塞推至針筒的底端來排盡針筒中的空氣，然后用橡皮帽封住注射器的小孔，以期在注射器針筒內制造一個“真空”的環境。事實上，注射器中的空氣無法完全排盡，因為注射器針筒的前端尖嘴內還殘留了少量空氣，這也是造成所測大氣壓的值比標準大氣壓值偏小的重要原因。筆者受到護士輸液排氣的啟發，用水填補注射器前端尖嘴中的“空白”。同時，為了減小注射器針筒與活塞之間的摩擦對測量結果造成的影響，我們先后測量出針筒與活塞相反方向的滑動摩擦力大小，取大氣對活塞的壓力的平均值，使測量結果更加接近于真實值。

2.改進實驗裝置，凸顯實驗魅力

盡管教材中大多數實驗裝置設計精巧，操作簡便，實驗現象明顯，但在實際教學過程中，筆者仍然發現了個別實驗方案中的裝置存在著缺陷或不足。為了發揮物理實驗在知識建構中的特殊功能，筆者認為很有必要對其進一步改進。

例如，在“研究氣泡的運動規律”實驗時，若按照教材中的實驗方案進行實驗就存在諸多困難。普通學校物理實驗室極少配備內徑約為1 厘米、長約1 米的細玻璃管，且在實驗操作過程中很可能由于操作不慎造成細玻璃管破損，甚至會給實驗人員造成身體上的傷害。在教學中，我們用亞克力透明塑料管來替代長玻璃管，用摻入一定比例洗潔精的水作為實驗所需液體，減緩氣泡上升的速度，從而延長實驗的時間，便于學生觀察實驗現象和記錄實驗數據。

3.自制實驗教具，提高教學效益

物理課程標準中指出，利用日常物品做實驗，不但具有簡便、直觀的優點，而且有利于培養學生動手能力和創新意識。可見，借助常見的生活物品開發低成本實驗資源，既可以幫助學生在知識建構中搭建思維階梯，輕松實現學習進階，也能幫助一些學校擺脫實驗器材不足的困境。

例如，我們用塑料瓶、注射器針筒、氣壓式噴壺等生活常見物品自制物體浮沉演示儀（如圖1）。

圖1 物體浮沉演示儀

利用它不僅可以直觀演示物體排開液體體積的多少對物體浮沉的影響，也可以直觀演示物體自身重力的改變對物體浮沉的影響，還可以直觀演示液體密度的改變對物體浮沉的影響，實現了一個器材多種用途。

4.創新實驗教具，突破教學瓶頸

教材中關于電磁鐵磁性強弱的影響因素以“讀一讀”形式呈現，主要通過簡要文字表述了電磁鐵磁性強弱與線圈匝數多少、線圈中電流大小有關，缺乏定量的、直觀的“實驗證據”，致使學生在電磁鐵磁性強弱的認知上不夠深入。為了突破教學瓶頸，我們利用微型電子臺秤、紐扣式銣磁鐵一枚、銅漆包線、開關、3.8V 小燈泡（附有燈座）、學生電源及亞克力透明塑料板等常見生活物品，自制電磁鐵磁性強弱測量儀（如圖2所示）。利用這個裝置中的微型電子臺秤所顯示的數值前的正負號，可以直接判別電磁鐵的極性，電磁鐵磁性強弱也可以通過電子臺秤所顯示的數字大小直接展現，充分體現了創新實驗教具的直觀性。

圖2 電磁鐵磁性強弱測量儀

由此可見，物理實驗創新是一個非常值得一線物理教師研究的課題。在實驗創新探究的過程中，既可以學習、借鑒一線教師的成功做法，也可以發揮聰明才智，自主開展實驗創新，使其成為撬動物理高效課堂的那根最省力的“杠桿”，也讓物理學科核心素養的培育落地生根、茁壯成長。