高中物理教學中創(chuàng)新實驗的設計與實踐

韋葉平

（前黃高級中學，江蘇常州213161）

1 引 言

物理學是一門以實驗為基礎的自然科學，而實驗教學的根本出發(fā)點不僅是培養(yǎng)學生的實驗技能，更重要的是啟發(fā)和培養(yǎng)學生的發(fā)散性思維、創(chuàng)新精神和創(chuàng)造能力.考慮到高中物理較難學的學科特點，筆者嘗試在新課教學中，有意識地設計一系列創(chuàng)新實驗，以人的創(chuàng)造本性為前提，采取創(chuàng)造教育的科學方法，開拓物理創(chuàng)造性思維，實現(xiàn)養(yǎng)成科學精神、提高科學素質(zhì)的教學目的.本文例舉的創(chuàng)新實驗均是筆者在各級各類公開課中精心設計的，以饗讀者.

2 創(chuàng)新實驗的功能與設計

筆者從演示實驗和分組實驗兩大方面結合實例闡述創(chuàng)新實驗的功能和設計.

2.1 演示實驗的功能與設計

演示實驗是以教師為主要操作者的示范表演實驗.它把要研究的物理現(xiàn)象展示在學生的眼前，引導學生觀察思考，配合講授或課堂討論等方式，幫助學生建立概念和認識規(guī)律.

1）由演示實驗引入課題，激發(fā)學生的探究欲望，同時注重知識的首尾呼應.

創(chuàng)新實驗具有真實、形象、生動的特點，對中學生有很強的吸引力，極易喚起他們的興趣.在引入新課時，教師可以選擇一些有趣、新奇和使學生感到意外的演示實驗，創(chuàng)造愉悅的物理學習環(huán)境，以激發(fā)學生的求知欲望.

筆者在全國公開課“牛頓第一定律”的教學中，用“吹乒乓球的挑戰(zhàn)”引入新課.嬌小的女生輕易可以吹起乒乓球，而高大的男生用最大的力卻也吹不動乒乓球（因為筆者換了一個內(nèi)部裝滿小鋼珠的乒乓球）.實驗現(xiàn)象出乎學生的意料，恰到好處地將學生的“無意注意”向“有意注意”轉(zhuǎn)變，使學生的興趣不只停留在已觀察的表面現(xiàn)象上.在教學內(nèi)容和教學過程上，做到“首尾呼應”.講解完“質(zhì)量是慣性的唯一量度”后，讓“挑戰(zhàn)失敗”的男生體會2個乒乓球的差別并解釋挑戰(zhàn)失敗的原因.

2）突出演示實驗進行思維訓練、引發(fā)思維沖突的功能，鞏固和應用物理知識.

思維沖突是指教師精心設計的實驗現(xiàn)象與正確的物理規(guī)律間產(chǎn)生矛盾的現(xiàn)象.思維沖突的解決過程可以優(yōu)化學生的理性思維，拓寬視野，升華認知水平.

“以卵擊石，蛋碎瓦全”，在講解“作用力和反作用力特點”時經(jīng)常提到，但很少有教師在課堂上演示.筆者將之搬到了課堂，面對簡單的操作和明顯的現(xiàn)象，引發(fā)了學生的矛盾沖突.沒有人感到幼稚，反而增添了課堂教學的趣味性和有效性.

3）利用演示實驗提供感性素材，幫助學生建立概念、認識規(guī)律，加深對物理規(guī)律的理解.

教師可用演示實驗展示物理現(xiàn)象和過程，使學生獲得豐富的感性知識，形成鮮明的物理表象，有效激發(fā)認知沖突，為學生建立正確的概念、認識規(guī)律奠定基礎.特別是幾代科學家經(jīng)過分析研究的實驗，不可能讓學生通過幾分鐘就能設計出來并得到想要的物理規(guī)律，筆者認為這樣的實驗適宜做演示實驗.

筆者觀摩過一位教師設計的“牛頓第一定律”，讓學生設計一個實驗說明“力不是維持物體運動的原因（即力與運動的關系）”，這是一個用5min時間將歷史上持續(xù)2000多年的錯誤進行修正的“假探究”過程.筆者主要對“伽利略理想斜面實驗”在實驗器材的改進、可視性、實驗效果、啟發(fā)性等方面作了精心設計，如圖1所示.實驗器材為：彩鋼板1塊（長約150cm，寬約10cm），木地板邊線2條（長約150cm），鋼球1個（直徑約2cm），棉布1塊（長約160cm，寬約6cm），書立2個（高約19cm），攝像頭1個（約130萬像素）等.實驗優(yōu)勢：彩鋼板的韌性適中，斜面的傾斜角可以任意調(diào)節(jié)；2條邊線組成軌道，減小了摩擦力；利用2個書立等高的特點規(guī)定了小球運動的等高線；攝像拍攝將實驗過程同時放大在屏幕上，現(xiàn)象明顯直觀，效果很好.

圖1 改進的“伽利略理想斜面實驗”教學演示

當然，演示實驗對教師提出了更高的要求，教師通過實驗的方法、步驟和技能的示范，充分展示其實事求是的科學態(tài)度和嚴肅認真的優(yōu)良作風，對學生產(chǎn)生潛移默化的影響.

2.2 分組實驗的功能與設計

課堂教學中設計的分組實驗是指在教師的指導下，學生親自動手操作、觀察測量、獲取資料數(shù)據(jù)、得出結論，并對實驗過程進行分析、評估和交流.它是學生學習和應用物理知識、學習科學方法的重要環(huán)節(jié)，是對學生進行科研啟蒙教育的重要途徑.

1）徒手做分組“小”實驗.

基本不需其他實驗材料，主要利用雙手進行實驗，其特點是突破材料限制，適應性強，親近感強.如，將雙手的食指伸出，兩食指肚正對接觸并用力擠壓，可發(fā)現(xiàn)：兩食指的彎曲程度近似相同且兩手指接觸面是平面.由此可說明“作用力與反作用力大小相等、方向相反、作用在一條直線上”.再如，左手伸展、五指并攏，右手調(diào)節(jié)左手指縫間距，可使之滿足單縫條件，觀察遠處日光燈光線的衍射現(xiàn)象.

2）自組物件或器具巧妙設計分組“小”實驗.

在設計實驗時，力求器材簡單、操作方便、現(xiàn)象明顯、全員參與.在做平拋運動的分組實驗時，筆者經(jīng)多次探索，引導學生設計了這樣的分組實驗：用左手2個手指輕輕夾住2個竹質(zhì)的象棋子，右手彈出其中1個棋子做平拋運動，同時剩下的棋子作自由落體運動，如圖2所示.用此來說明平拋運動在豎直方向的特征.這種實驗的特點是取材于生活，選擇容易得到的材料，不需加工，只借用其某種物理屬性，組合起來進行物理教學活動.其結構簡單、啟發(fā)性和拓展性強.

圖2 平拋運動演示圖

3）設計趣味性和探究性強的分組“大”實驗.

這類實驗的主要目的是讓學生經(jīng)歷“提出問題—猜想假設—設計實驗—實施實驗—分析評估—交流總結”的探究過程.

“追尋守恒量”一課，筆者和很多教師一樣，提到了似乎違背能量守恒的“怪坡現(xiàn)象”.但筆者改變了教學方法，通過觀察演示實驗模型“雙錐體上滾”，利用準備的器材讓學生分組探究產(chǎn)生怪坡現(xiàn)象的原因.

器材：2塊橡皮（高度差約0.4cm）、2根玻璃棒（長約30cm）、1個玻璃球（直徑約2.2cm），探究如何設計實驗，使玻璃球由靜止沿玻璃棒從較低的橡皮向較高的橡皮運動，如圖3所示.學生經(jīng)過合作探究，成功完成了實驗，并且找到了本質(zhì)原因：看似向上運動，但小球的重心實際是下降的，重力勢能向動能轉(zhuǎn)化.

圖3 雙錐體上滾實驗模型

學生經(jīng)歷類似科學家探索物理世界的過程，不僅學習到新知識，加深了對物理規(guī)律的理解和信任，同時也體驗到科學探究的喜悅，領悟到一定的科學思想和精神，進一步培養(yǎng)了動手、歸納、交流的能力和團隊合作精神.

3 創(chuàng)新實驗的設計與實踐的教學策略

傳統(tǒng)教學過程中，教師往往是說生活中的實例，借助學生的想象去講實驗，學生成為“聽眾”.筆者認為，新課程背景下的物理教學，教師可以在課堂上演示，甚至讓學生參與一些簡單易行的小實驗，使學生成為“演員”.同時適當增強實驗的趣味性，能激發(fā)學生的興趣，也能活躍課堂氣氛，讓學生在快樂中學習物理知識.

筆者在近年開設的公開課中，一直嘗試用最簡單的器材設計具有一定創(chuàng)新意義的小實驗.如“1張廢紙帶來的精彩課堂”.

案例1：區(qū)級公開課“自由落體運動”.2張完全一樣的廢紙，一張自然展開，另一張揉成紙團，從同一高度同時釋放，分析下落快慢的影響因素.

案例2：名師工作室展示課“平拋運動”.讓學生用1張廢紙折成紙飛機，并拋出去.問：拋紙飛機的運動是拋體運動嗎？為什么？學生在體驗童趣的過程中學習物理知識，頓時興趣高漲，課堂氣氛熱烈.再問：怎樣改進后就是拋體運動？（答：將廢紙揉成盡量小的紙團）

案例3：全國公開課“牛頓第一定律”.其中，探究“慣性大小與質(zhì)量的關系”時，設計了“單手撕紙條競賽”小實驗，如圖4.主要流程是：引起思維沖突（筆者捏住A處甩紙片，很難將紙條B甩斷）→學生分組實驗（要求：用最省力的方式，最快速度將A與B甩斷）→分析總結→拓展延伸（用鐵夾夾住B處再甩）

圖4 單手撕紙實驗

高中學生有豐富的想象力，好奇心強，求知欲旺盛.教師應抓住這一特點，發(fā)揮創(chuàng)新小實驗輔助物理教學的功能.實踐證明，通過這些創(chuàng)新小實驗，學生學習物理的情緒高漲，興趣盎然，達到了事半功倍的效果.

4 結束語

筆者嘗試用身邊的物件自制或引導學生設計創(chuàng)新實驗，并將其用于輔助物理課堂教學，同時，還在進一步構建更加豐富多彩的創(chuàng)新實驗資源，以激發(fā)學生探究物理規(guī)律的積極性和求知欲.另外，筆者也意識到在設計與實踐創(chuàng)新實驗時，還要注重科學性、教育性、藝術性相結合的原則；聯(lián)系生活、技術、社會實際，創(chuàng)設物理環(huán)境的同時要突出啟發(fā)思考、教給方法的原則；要適時發(fā)揮創(chuàng)新實驗的探究功能在物理教學過程中的重要作用.