物理教學中實驗重構與改進的策略及思考*

時春華 陳東勤

作者：時春華，教授，中學高級教師，江蘇省物理特級教師，全國優秀教師；陳東勤，淮安市教育技術裝備中心主任，中學高級教師。

實驗教學是物理教學的重要組成部分，教師必須根據實際情況，對教材提供的案例融入自己的理解與思想，讓細微處放大化，化模糊為清晰；轉換思維方式，變正向為逆向；利用日常用品進行低成本物理實驗；展示物理原理的技術價值；適時運用理想實驗等策略，實現對教材的重構與改進。通過對實驗的重構與改進，啟迪學生思維，促使學生更好地領會實驗思想的精髓，提高他們的實驗素養和能力。

創造性、個性化地使用教材，能夠使我們的教學活動更加符合學生的認知需求，增強教學的適切性。

實驗教學是物理教學的重要組成部分，是落實物理課程目標,全面提高學生科學素養的重要途徑。各版本的義務教育課程標準中，針對物理教材都提供了較為豐富的實驗素材及樣例。但是，在實際教學中，一方面由于校際間硬件設施配備的不均衡，另一方面由于各類學生認知發展水平的差異，教師必須根據實際情況，對教材提供的案例融入自己及他人的思想，對其進行增減、置換和加工，實現對教材的重構。對教材中的案例進行重構與改進，不僅可以更好地體現教材在教學活動中的“中介”作用，從而實現創造性、個性化地使用教材，而且能夠使我們的教學活動更加符合學生的認知需求，增強教學的適切性。本文擬以“蘇科版義務教育課程標準實驗教科書——物理”的相關案例為藍本，談談實驗重構與改進的策略，以供參考。

1 讓細微放大，化模糊為清晰，增強學生感性認識，體驗概念和規律的形成過程

對微小物理量或物理量的微小變化量進行測量，是物理實驗中一個重要的領域。根據實際的測量要求，通過恰當的方法，將微小有效地放大，就可以提高實驗的可觀察性和測量的精確度。在“聲音是什么”[1]的教學過程中，我們根據學生初識物理這一實際，對于固體發聲時物體的微小振動，采用兩次“光放大”的方法讓振動放大，學生們對此印象十分深刻。

“聲音是什么”是從學生十分熟悉的事物中提出的令學生感到陌生的問題。這有利于激發學生的探究欲望，也有利于教學內容的拓展。新教材跟以往相比有了很大的改進，“探究聲音的產生”一課，教材通過安排多樣化的活動，力圖通過比較、歸納、轉化等方法，讓學生在活動與思考的過程中感悟聲音是由于發聲體的振動而產生的。具體教學線索如下：

試一試（一張紙、一根橡皮筋、一個筆帽、一杯水，怎樣使它們發出聲音？）

↓

想一想（上述物體發聲與不發聲有什么不同？物體發聲時有什么共同特性？）

↓

做一做（講話時，聲帶在振動嗎？將發聲的音叉觸及面頰，音叉在振動嗎？）

在“做一做”這一環節，教材通過“音叉貼面”讓學生感受振動，許多學校由于條件所限，沒有那么多數量的音叉，因此，很難達到編者的意圖。為此，我們對“音叉貼面”實驗作了置換，并對教學流程作了進一步完善。

根據實際情況，我們做了敲擊桌子發聲的實驗，敲桌子時，我們能聽到聲音，但肉眼卻看不見桌子在振動。

桌子是否在振動呢？有什么方法證明桌子在發聲的同時也在振動呢？為此，我們在一張較大的桌子上放兩個平面鏡M和N，將玩具激光筆固定，讓其發出的一束激光依次被這兩平面鏡反射，最后射到墻上，形成一個明亮的光斑。實驗裝置如圖1所示。

當桌面不動時，墻上的光斑不會移動。用力敲擊桌面，可以觀察到在桌子在發聲的同時，墻上的光斑來回移動。究其原因是因為桌子振動時，光的入射角變化，導致光斑來回移動。

為了使實驗現象更明顯，實驗中采用了兩次放大的設計。選擇用激光作為光源，其優點是光的平直度好，亮度較高，易于觀察。另外，激光筆作為可移動光源，操作更為靈活。

上述實驗演示，可以讓學生在觀察中直觀地感受聲音所產生的振動，效果較好。

接下來，給每個同學一根吸管，讓他們想辦法吹響，使其體驗氣體發聲現象。

在此基礎上，我們引導學生歸納總結出：聲音是由于物體振動而產生的。教材經過這樣處理，具體、生動的實驗情景，不僅可以縮短物理知識與學生的距離，讓學生建立對物理、對科學的親近感，而且可以讓學生在剛開始學習物理時，通過教師的滲透式教學，引導其在探究的過程中，逐漸建立證據意識。學生經過深入觀察和親身體驗后，物理知識不僅容易領悟而且印象深刻。

2 轉換思維方式，變正向為逆向，從而化弊為利突顯實驗現象

客觀世界存在著互為逆向的事物，由于事物的正反向，才產生思維的正反向，兩者是密切相關的。實踐中也有很多事例，對某些問題利用正向思維不易找到正確答案，一旦運用反向思維，常常會取得意想不到的功效。

八年級下冊“摩擦力”[2]53這一節，教材不是平鋪直敘給出影響滑動摩擦力大小的因素，而是從改變摩擦力大小的角度，設計了“探究影響滑動摩擦力大小的因素”的活動，讓學生結合生活經驗，在猜想影響摩擦力的大小可能的因素的基礎上，利用通過控制變量，測出3種情況下的滑動摩擦力，從而探究得出滑動摩擦力與哪些因素有關的規律。

這一探究活動能否順利完成，關鍵在于滑動摩擦力的測量。對于滑動摩擦力的測量，教材通過“信息快遞”這一欄目，給出的實驗方案是：將物體置于水平桌面上，用彈簧測力計沿水平拉動，使其作勻速直線運動，此時彈簧測力計的示數等于物體所受滑動摩擦力的大小。實驗裝置如圖2所示。

上述方案中，讓測力計水平拉動木塊作勻速直線運動是關鍵。只有當木塊作勻速直線運動時，彈簧測力計的示數才等于木塊受到的滑動摩擦力的大小。這一方案的缺陷如下：一是手拉測力計，難以保證滑塊作勻速直線運動。二是在彈簧秤運動中讀數不方便，甚至難以讀數。按照這一方案操作，難度較大。

為此，將上述實驗方案改進為：讓木塊固定，用手水平拉動木塊下面的木板，無論木板是否勻速運動，彈簧測力計的示數都等于滑動摩擦力的大小。實驗裝置如圖3所示。

改進后的實驗優點如下：一是彈簧測力計不動，其示數易于觀察，便于讀取，避免了直接拉動木塊時彈簧測力計示數的不穩定性；二是不要求木板作勻速直線運動。

逆向思考是重要的思維方式，逆向，可能是事物發展方向的反方向，也可能是實驗操作程序的反向。“波粒二象性”“電動生磁”“磁動生電”都是運用逆向思維方法而取得成果的典型案例。

3 利用日常用品進行低成本物理實驗，讓生活走向物理

用身邊的物品做實驗，例如使用手機、飲料瓶等日常用品進行物理實驗，可以拉近物理學與生活的距離，下面擬舉相關案例加以說明。

手機已經很普及，為了探究哪些介質能傳播聲音，將一部手機裝入塑料袋內,并用一根長線密封好，然后把它慢慢浸沒于水槽中，用另一個手機對其進行撥號,手機開始振鈴。學生不僅看到手機屏幕的亮光,而且聽到從手機發出的聲音。實驗表明了聲音可以在氣體、固體、液體中傳播，同時也讓學生體驗了探究物理規律的方法。

利用飲料瓶能夠演示光的直線傳播、反射、折射等現象。準備一個稍粗一些的飲料瓶，讓瓶中充滿香煙的煙霧，擰緊瓶蓋，就制成了一個光路顯示器。用激光筆從瓶底照向瓶口，能清晰地顯示光在同一種物質中沿直線傳播。若將瓶底放在平面鏡上，用激光筆從側面照向瓶底的平面鏡照射時，會清晰地觀察到入射光線和反射光線。若飲料瓶中一半盛有未澄清的石灰水，一半是煙霧時，光從側面射向石灰水面時，會清晰地觀察到光的入射光線和折射光線。

學習“液體的壓強”[2]81時，我們可以將飲料瓶裝滿染成紅色的水，在不同的高度上扎眼，引導學生觀察不同深度的水噴射的距離。實驗裝置如圖4所示。在此基礎上，就液體內部壓強的特點提出問題、猜想。這雖然是定性的體驗性實驗，卻可以為定量探究“影響液體內部壓強大小的因素”做好鋪墊，指明方向。

學習“氣體的壓強”[2]85時，將空易拉罐在酒精燈火焰上方烤一會兒，然后將罐口堵塞，撤去酒精燈，在易拉罐冷卻的過程中，能聽到聲音且看到罐變癟了。此時，學生很容易體驗到大氣壓強的存在。

利用日常用品，壇壇罐罐做實驗，可以為學生搭建起生活世界與科學世界的橋梁，讓“從生活走向物理，從物理走向社會”的理念落到實處。

4 通過展示物理原理的技術價值，讓學生體驗科學與技術的聯系

我們設計相關物理實驗時，如果在揭示新現象、探究新規律的同時，注意展示科學原理的技術價值，就能夠讓學生較好地理解科學與技術的聯系。

“電磁感應”[3]教學中，我們設計了下面的實驗：將鋼絲繃緊在鐵架臺的支架上，在底座上靠近鋼絲處放置磁鐵，將鋼絲兩端與揚聲器連接。讓小提琴的琴弓從鋼絲上掠過，鋼絲由于振動而切割磁感線，電路中產生感應電流，用手控制鋼絲的振動長度，此時，由于電流的變化，揚聲器發出美妙的樂音。將鋼絲加長并彎曲，模仿小提琴將其排列成為四股，琴弓從鋼絲上掠過，這個電提琴其音質堪比小提琴。“電提琴”發出的美妙和弦，使學生不僅領略了格物致知的真諦，科學、技術、人文、藝術也在此得到融合。

技術與社會的聯系學生容易理解，科學與技術的聯系卻較難建立。實驗是促進學生理解科學與技術聯系的有效手段，如果我們設計的實驗是原汁原味的科學，卻能體現比較好的技術性能，學生一看就能知道是某一個科學原理在技術上的應用，這樣我們就能夠讓學生理解科學與技術的聯系。

5 適時運用理想實驗啟迪學生思維，激發探索的興趣

“牛頓第一定律”[2]65教學中，教材將“探究阻力對物體運動的影響”這一演示實驗，改為學生探究性實驗，讓小車從斜面上的同一高度由靜止滑下，讓其分別滑上鋪有棉布的、什么都沒有鋪的、鋪上玻璃的水平木板，實驗裝置如圖5所示。學生通過觀察及比較發現，小車受到的阻力越小，小車運動的路程越大。

在學生已有感性認識的基礎上，教材寫道：“設想小車在絕對光滑的水平面上運動，即不受到阻力作用，小車將在水平面上永遠運動下去。”教材接著給出了牛頓第一定律。

學生的學習過程是對人類文化發展過程的一種認知意義上的重演，他們學習科學的心理順序差不多就是前人探索科學的歷史順序。上述關于“牛頓第一定律”的教學設計，其出發點是降低對學生邏輯思維和抽象思維能力的要求，由于學生沒有完整經歷對運動和力關系的一種認知意義上的重演，導致一部分學生到了高中，在面對跟運動和力有關的具體問題時，仍然存在錯誤認識。

為此，我們在上面學生實驗的基礎上，以問題拓展的形式將伽利略關于斜面的理想實驗引入教學過程，為發展學生的思維能力安裝一個“接口”。

首先，模擬演示伽利略的斜面實驗。如圖6所示，設置一個向下的斜面，再圓滑地連一個向上的斜面，然后拿一個小球放在斜面上某點，由靜止運動下來，它將沖上另一斜面。我們發現小球在第二個斜面所能達到的高度與其起始高度相差不大。

接下來，教師通過一系列問題引發學生的思考。若換一個摩擦較小的斜面，可以看出，小球就較接近原來的高度。若摩擦越小，就越接近。這是實驗事實。如果沒有摩擦，小球將上升到原來的高度。減小第二個斜面的傾角，小球仍將上升到原來的高度，但這時它要運動得遠些。繼續減小第二個斜面的傾角，小球達到原來的高度所通過的路程就越長。

教師再次設疑：若將第二個斜面放置水平，球會到達多遠的位置？學生的結論：球將永遠滾下去。這就是說，力不是維持物體運動的原因。

當然，我們無法消除一切阻力，也不能將第二個斜面做得無限長，所以伽利略的實驗是“理想實驗”。在此基礎上，通過引導學生討論、歸納和推理，得出牛頓第一定律就水到渠成了。愛因斯坦指出：“伽利略的發現以及他所應用的科學的推理方法是人類思想史上最偉大的成就之一，而且標志著物理學的真正開端。”[4]4

安裝“接口”是在處理教材跟前沿發展有關聯內容時，交代一下由此延伸出去的課題或領域，以實現基礎物理與當代物理適度對接的教學策略。安裝一些“接口”，其目的不在于讓學生對這些問題有深入了解，而是讓學生感到人類對真理的追求是無止境的。其實，即使我們對這些前沿領域和課題并不作過多的展開，對學生的成長也是大有裨益的。

“科學家讀自然之書必須由他自己來尋找答案”[4]3，愛因斯坦曾把一代代科學家探索自然奧秘的努力，比做福爾摩斯偵探小說中警員破案的過程。在偵探故事中，有時候明顯可見的線索卻把人們引到錯誤的判斷上去，也就是說，光憑經驗來做判斷常常是靠不住的。因此，物理教學中必須通過一定數量的實驗揭示真相。物理實驗是手腦并用的實踐活動。教材中大量的演示實驗和學生實驗，我們不能采取簡單的“拿來主義”，讓學生照方抓藥，機械操作。我們必須根據學校自身的教學資源，學生的認知水平，對教材提供的實驗方案進行適當的重構或者改進。實驗教學中，我們應盡量再現實驗的設計過程，多讓學生想想：應該怎樣做？為什么要這樣做？換種方法能不能做等，以此來滲透物理思想，啟迪學生思路。實踐表明，在實驗教學中有意識地創設一種探索的氛圍，使它帶上一定的研究色彩，將會促使學生更好地領會實驗思想的精髓，有助于提高他們的實驗素養和能力。這不僅會為學生未來的發展奠定堅實的知識基礎，而且能為學生以后應對知識社會的挑戰建構應有的能力結構。

[1]劉炳升,李容.義務教育課程標準實驗教科書:物理（8年級，上冊）[M].南京:江蘇科學技術出版社,2007:8．

[2]劉炳升,李容.義務教育課程標準實驗教科書:物理（8年級，下冊）[M].南京:江蘇科學技術出版社,2007.

[3]劉炳升,李容.義務教育課程標準實驗教科書:物理（9年級，下冊）[M].南京:江蘇科學技術出版社,2007:51．

[4]愛因斯坦,英費爾德.物理學的進化[M].周肇威,譯.長沙:湖南教育出版社,1999.