哈佛大學實驗教學及其對我國物理實驗教學的啟示

摘要：哈佛大學實驗教學非常注重低成本物理實驗，充分利用生活用品和廢舊物品開展實驗；非常注重社會實踐，引導學生通過社會實踐發(fā)現(xiàn)問題；積極開展科學探究，引導學生通過實驗探究解決問題。相反，我國實驗資源較為缺乏、學生缺少社會實踐、科學探究開展較少。因此，我們可以從實驗資源、社會實踐和科學探究等方面大力改進我國的理科實驗教學。

關鍵詞：哈佛大學實驗教學；物理實驗教學；低成本物理實驗；科學探究

2013年1月13日至26日，我校物理、化學、生物等理科教師雷慶、李才猛、吳姝走進了美國哈佛大學工程與應用科學學院，參加了為期兩個星期的培訓，哈佛大學美麗的校園、全新的理念、先進的設備以及全面的實踐給我們留下了深刻的印象，同時也引發(fā)了我們對中國理科實驗教學現(xiàn)狀的深刻反思。

1 哈佛大學實驗教學概況

哈佛大學實驗資源豐富，但是他們非常注重生活化實驗資源的開發(fā)和利用；非常注重社會實踐，積極組織學生開展社會調(diào)查，讓學生從社會調(diào)查中去發(fā)現(xiàn)問題；非常重視科學探究，讓學生通過實驗探究去分析問題和解決問題。

1.1 充分利用實驗資源

實驗資源是開展實驗的物質(zhì)基礎。生活用品和廢舊物品是非常重要的實驗資源。充分利用這些實驗資源，不僅可以培養(yǎng)學生的實踐能力，而且可以促進學生創(chuàng)新能力的發(fā)展。

在哈佛課堂上，開展了一些針對中學生的設計性實驗。這些實驗旨在培養(yǎng)學生實驗設計能力和創(chuàng)新能力。其中一個就是紙塔實驗，老師要求學生用紙張、膠水和細木條等材料設計一個紙塔。看誰設計的紙塔又高又穩(wěn)。同學們將紙張纏繞在木條上設計了一個紙塔，在紙塔旁邊加了三根柱子以增強其穩(wěn)定性，如圖1所示，紙塔高度大概一米七，不能獨立穩(wěn)定在地面上，需要大家用手支撐才能穩(wěn)定。老師的設計非常新穎，他只用了一卷卷筒紙，從中心抽出紙，然后一直向外拉，最好形成一個兩米多高的紙塔，紙塔又高又穩(wěn)定，如圖2所示。老師的設計充分利用了卷筒紙紙張之間的摩擦力和穩(wěn)定的圓柱體結(jié)構(gòu)。因而實驗非常成功。

1.2 大力開展社會調(diào)查

社會調(diào)查能夠從生活走向物理，從物理走向社會，貼近學生生活，符合學生認知特點，能夠激發(fā)學生的學習興趣，學生通過社會實踐，能夠?qū)⑽锢碇R應用到日常生活中去。

在哈佛課堂上，老師安排了一些社會調(diào)查活動JDESIGN，讓學生通過社會調(diào)查去發(fā)現(xiàn)問題，然后小組合作交流，設計改進方案，最終解決問題。其中的一個社會調(diào)查活動就是到附近的快餐店CLOVER參觀調(diào)查，發(fā)現(xiàn)快餐店存在的不足，并且提出改進意見。同學們通過實地調(diào)查，發(fā)現(xiàn)快餐店存在以下不足：顧客們在等餐的時候很無聊，顧客們覺得餐品不新鮮，餐盤不便于匆忙的顧客邊走邊吃，以及咖啡機設計不合理等。通過小組合作交流。同學們提出了改進意見：針對顧客們等餐時很無聊，有的小組提出可以在快餐店準備一些水果盤，讓顧客們邊等邊品嘗（如圖3所示）；針對菜品不新鮮，有的小組提出可以在快餐店的旁邊開墾一片菜園，每天早上從菜園中摘取蔬菜：針對餐盤不便于攜帶，有的小組提出了改進方案，并設計便于攜帶的新餐盤（如圖4所示）……

1.3 積極開展科學探究

科學探究指的是科學家們用來研究自然界并根據(jù)研究所獲事實證據(jù)作出解釋的各種方式。科學探究也指學生建構(gòu)知識、形成科學概念，領悟科學研究方法的各種活動。因此，科學探究在實驗教學中發(fā)揮著重要的作用。在美國的科學課堂上，合作——探究學習已經(jīng)成為普遍的教學方式。

在哈佛課堂上，開展了一些針對中學生的科學探究，這些探究活動旨在培養(yǎng)學生問題意識、搜集信息、分析問題和解決問題的能力。其中的一個探究活動就是摔蛋實驗。學生一共被分成5個小組，每個小組有3位同學。教師要求學生用紙張、細線和雞蛋等材料設計一個裝置，雞蛋從3米高空落下，當這個裝置落地后，雞蛋不被摔壞。小組內(nèi)的組員先集體討論設計方案，如圖5所示。實驗成敗的重要因素就是空氣阻力大小和整個裝置的穩(wěn)定性，要保證雞蛋能夠平穩(wěn)而慢速著地。4個小組的設計都失敗了。只有一個小組成功了，實驗裝置如圖6所示，這個小組用紙做了一把雨傘以增強裝置下降過程的空氣阻力，同時，他們用紙做了一個圓柱形支架以增加雞蛋著地過程的緩沖時間。雞蛋用一個透明的塑料袋密封起來，并固定在支架上。雨傘和支架用許多細線連接起來，以增強裝置的穩(wěn)定性。通過這個探究活動，學生設計實驗的能力和分析問題和解決問題的能力都得到提高。

2 我國理科實驗教學反思

我國的物理實驗教學存在許多不足：學生實驗開出率較低、探究性實驗的教學效果欠佳、實驗儀器較為欠缺，自制儀器很少。哈佛大學的實驗教學給我國的中學物理實驗教學提供了借鑒，我們可以從實驗資源、社會實踐和科學探究等方面大力改進我國的理科實驗教學。

2.1 大力開展低成本物理實驗

物理學是一門實驗科學，在物理教學過程中，教師要引導學生善于從生活用品、廢舊物品、人體體驗、兒童玩具等各個方面中開發(fā)設計低成本物理實驗。比如，利用雞蛋可以做許多物理實驗。（1）瓶吞雞蛋演示大氣壓的存在，取一個空的牛奶瓶，先在瓶內(nèi)放人一團點燃的棉花，瓶內(nèi)空氣因受熱膨脹被趕出一部分。然后將一個剝了殼的熟雞蛋放在瓶口上，雞蛋會慢慢“擠”進瓶子，如圖7所示；（2）雞蛋在水中的浮沉演示浮力的大小，將雞蛋放入水中，雞蛋沉到水底。然后，逐漸向水中加入食鹽，邊加邊攪拌，雞蛋會懸浮在水中，隨著加入食鹽的增多，雞蛋會慢慢浮出水面：（3）旋轉(zhuǎn)的雞蛋演示慣性現(xiàn)象，用生、熟雞蛋各一個，粉筆放在桌面上，同時以相同的速度旋轉(zhuǎn)。生雞蛋先停下來，因為熟雞蛋的蛋清和蛋黃固定，所以旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)；（4）用雞蛋演示壓強，把雞蛋放在細沙上面，再依次壓上鐵塊、磚塊，然后用錘子猛力將磚砸碎，雞蛋依然完整，如圖8所示；（5）用瓶吐雞蛋演示查理定律，（瓶已吞進了雞蛋）將燒瓶瓶口朝下，使雞蛋從瓶內(nèi)封住瓶口（可視情況加些潤滑油），再用酒精燈給密閉氣體加熱，雞蛋又被“吐”出瓶子。

2.2 引導學生進行社會調(diào)查

物理學與社會生活息息相關，利用社會調(diào)查一方面可以加深對物理規(guī)律的理解，另一方面可以培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識和實踐能力。比如讓學生觀察廚房的物理現(xiàn)象，廚房里蘊含著力學、熱學、電學等豐富的物理知識。電飯堡煮飯、電炒鍋煮菜、電水壺燒開水是利用電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，都是利用熱傳遞煮飯、煮菜、燒開水的；抽油煙機利用電能轉(zhuǎn)化為機械能，利用空氣對流進行空氣變換：電飯煲、電炒鍋、電水壺的三腳插頭，插入三孔插座，防止用電器漏電和觸電事故的發(fā)生：微波爐加熱均勻，熱效率高，衛(wèi)生無污染是利用電能轉(zhuǎn)化為電磁能，再將電磁能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；廚房的爐灶（蜂窩煤灶，液化氣灶，煤灶，柴灶）是將化學能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，即燃料燃燒放出熱量；菜刀的刀刃薄是為了減小受力面積，增大壓強；菜刀的刀刃有油，為的是在切菜時，使接觸面光滑，減小摩擦；菜刀柄、鍋鏟柄、電水壺把手有凸凹花紋，使接觸面粗糙，增大摩擦；火鏟送煤時，是利用煤的慣性將煤送人火爐：往保溫瓶里倒開水，根據(jù)聲音知水量高低。由于水量增多，空氣柱的長度減小，振動頻率增大，音調(diào)升高；磨菜刀時要不斷澆水，是因為菜刀與石頭摩擦做功產(chǎn)生熱使刀的內(nèi)能增加，溫度升高，刀口硬度變小，刀口不利；澆水是利用熱傳遞使菜刀內(nèi)能減小，溫度降低，不會升至過高。

2.3 積極開展科學探究活動

在探究教學中，教師可以選用新奇有趣、內(nèi)涵豐富的低成本物理實驗創(chuàng)設問題情境。激發(fā)學生的好奇心和求知欲。同時，通過開展低成本物理實驗，讓學生經(jīng)歷科學探究過程，具有初步的科學探究能力。

在大氣壓強的教學中，教師先用針在飲料瓶（不透明的）的底部刺上一些小孔，然后盛半瓶。上課時，教師先打開瓶蓋，瓶底直往下流水，接著把蓋子迅速蓋上，水停止流動。通過飲料瓶設計的這個簡易物理實驗，課堂氣氛迅速活躍起來，激發(fā)了學生的好奇心和求知欲。

接著，教師啟發(fā)學生怎樣用實驗來測量大氣壓的大小，能否利用身邊的物品來測量大氣壓的具體值。同學們通過合作探究提出了許多方案：（1）如圖9所示，有的同學在密封的注射器下面掛上鉤碼來測量大氣壓的具體值；（2）如圖10所示，有的同學用一個彈簧秤橫著拿注射器，從而測出大氣壓的數(shù)值；（3）如圖11所示，有的同學將吸盤緊貼在平整的木板下面，然后皮碗的下面掛上小桶，在小桶里面裝沙，通過測量桶和沙的重力測出拉力，然后根據(jù)壓強公式計算出大氣壓的數(shù)值；（4）如圖12所示，有的同學將吸盤內(nèi)的空氣擠出以后，用彈簧秤向上拉皮碗的方法測量大氣壓的數(shù)值。

（欄木編輯 羅琬華）