用創意實驗教學落實物理學科素養

李治展

摘 要 在中學物理實驗教學中，創意實驗可有效促進課堂教學效果的提升，對物理學科核心素養的培養起到至關重要的作用。 基于此，文章就如何用創意實驗教學來突破教學重難點、培養學生的物理學科核心素養，結合具體教學案例進行探析。

關 鍵 詞 創意實驗;實驗教學;核心素養

實驗創新要求教師慧眼獨具，在生活中探求實驗 改進的途徑，利用身邊的日常用品、實驗室舊儀器完 成一些創意實驗，就能更好地激發學生學習物理的興 趣和熱情，落實物理核心素養的培養。

一、利用創意實驗教學，引導學生形成正確的 物理觀念

物理觀念是核心素養的基礎，是人們對物質世界 的根本看法與認識，需要用物理知識來支撐物理觀 念，借助物理知識來證實物理觀念的科學性與正確 性，它是物理知識的提升和凝練。^[1]物理教學中聯系 生活實際、創設一系列有效且有趣的創意演示實驗， 有時能提供一些有悖常理的新奇現象，或能親自設計 操作實驗的環境，從而激起學生的學習興趣，引導學 生去探究其物理根源。

案例 1 一系列創意實驗演示“向心力”。

教材中向心力的引入只采用一個小實驗（細繩拉 著小球在桌面上圓周運動），僅用一個實驗學生并不 能很好理解向心力是一種等效力，是由物體實際受到 的一個力或幾個力的合力或一個力的分力提供了向 心力，為此，在實際教學中，多次引入一系列創意演示 實驗，以求讓學生更好地理解向心力的概念。

演示1：用“玻璃杯搬乒乓球”小游戲引入課題，如 圖1所示，游戲規則：除玻璃杯外不借助其他道具，只 能用一只手，杯口始終豎直向下，將乒乓球移入托盤 中，學生通過思考，并親身體驗，成功的方法就是使乒 乓球在杯子中快速轉動，就能搬到托盤中。教師設 疑：快速轉動的乒乓球為什么不會掉下來？引入

演示2：用沾有墨汁的小球在細線拉力的作用下 做圓周運動，如圖2所示，說明有了細線的拉力小球做 圓周運動，釋放細線，小球沿 著圓周的切線方向飛出，用沾 有墨汁的小球能在白紙上留下 清晰的痕跡，實驗效果明顯，可視性強。

演示 3：為了說明就是擋板對球的彈力改變了球 的速度方向，使它做圓周運動，如圖3所示，筆者將擋 板的一部分做成可拆除的活動 結構，在拆除部分活動的擋板后 小球做勻速直線運動，球上的墨 汁能在白紙上清晰地留下小球的軌跡。

演示 4：用轉盤研究轉動木塊的向心力來源于靜 摩擦力，學生很難理解木塊是由于有指向圓心的靜摩 擦力才做圓周運動 ，所以對實驗進行改進，如圖 4 所示，用鋪有毛巾的轉盤研究轉動木塊的向心力來自靜 摩擦力，揭開毛巾后，將木塊直接放在水平轉盤放上，輪上放上底面為正方形的一塊橡皮，如圖 5 所示，轉動 塔輪，緩慢增大轉速，橡皮有傾倒趨勢，因底面為正方 形，向四面傾倒所需的外界條件相同，再次增大轉速，橡皮就會傾倒（控制好轉速不要讓橡皮飛出），可以觀察到橡皮向外側傾倒在轉盤的半徑方向上，由此說明橡皮在轉盤上隨塔輪一起轉動時，相對于塔輪靜止，但有向外滑的趨勢，因為靜摩擦力的方向與相對運動 趨勢的方向相反，所以靜摩擦力指向圓心，由靜摩擦力提供了橡皮做圓周運動的向心力。

最后將幾次改進的演示實驗匯總分析，如表1所 示，不但解決了轉盤上的物體受到指向圓心的靜摩擦 力提供向心力這一教學難點，更為關鍵的是，學生能 從幾個不同的演示實驗中發現共同點：

在做圓周運動的物體實際受力中，都能找到一個指向 圓心的力，可以是彈力、摩擦力、幾個力的合力或一個 力的分力等，能從本質上理解向心力概念，進而形成 正確的物理觀念。

二、利用創意實驗教學，培養學生科學思維

培養科學思維是物理教學的核心所在，要求學生 能正確使用物理思維方法，從定性和定量兩個方面進 行科學推理、找出規律、形成結論。^[2]在物理實驗教學 中，教師可以設立一系列有效問題，促進學生的邏輯 思維體系不斷完善，讓學生體驗物理學研究問題所運 用的思想和方法，從而培養學生的科學思維品質，促 進學科核心素養的養成。

案例 3 用創意實驗“半定量”探究磁場對電流的 作用F與0的關系

在用如圖6所示的自制實驗裝置，演示電流在磁 場中會受安培力的作用，學生經歷三步探究得出結 論：FxBIL之后，再將如圖6所示的裝置中U型磁鐵換 成如圖7所示的方位放置，其他條件都不變，依然控制 了 B、I、L不變，只有B與I的相對位置關系發生了變 化，讓學生觀察再次通電后的實驗現象：鋁棒不動，說 明不再受到安培力的作用，學生通過對比兩次的演示 實驗，就會得出F的大小與B、I的夾角0有關系，當0= 90°時，即電流方向與磁場方向垂直時F=BIL;當0=0° 時，即電流方向與磁場方向平行時F=0，完成了科學探 究的完整性。

在學生得知F與0的有關后，提出問題：如果電流 方向與磁場方向既不垂直又不平行時，存在安培力 嗎？如果存在，安培力又是多大呢？并可再次利用如 圖 6所示的自制演示實驗 裝置，只要將磁鐵的方位 略加傾斜，如圖 8 所示，再 通電，學生依然能直觀地 觀察到鋁棒的滾動，并且 滾動得比較慢，學生就會 由實驗現象得出結論：依然存在安培力，且安培力較小。教師再次提出問 題：能否利用已有的經驗，通過理論推導的方式得出F 與0的定量關系呢？學生自然會想到將磁感應強度B 正交分解，分解為垂直于I和平行于I的兩個分量，其 中垂直分量才對電流I有力的作用，從而得出結論：安 培力大小F=BILsin0，教師進一步說明表達式F= BILsin0數學上恰好是BI與通電導線的長度L在垂直 磁場方向的射影Lsin0的乘積，所以也將射影長Lsin0 稱作有效長度，引導學生發現數學工具在解決物理問 題中的作用，實現了學生對實驗探究和理論探究的有 效體驗，實現了從實驗探究到理論探究的升華，實現 了從特殊到一般的演繹過程，有效培養了學生科學思 維習慣。

三、利用創意實驗教學，培養學生的科學探究 能力

實驗探究要求學生具有設計實驗探究方案，使用

各種方法收集實驗信息，分析論證并處理信息，通過 合作與交流，完成探究過程并得出結論。在安培力大 小相關因素的實驗探究中，教師可通過創意實驗培養 學生的深度探究能力，促進其學科核心素養養成。

案例 4 安培力大小相關因素的探究（自制加改進 儀器定量探究F與B的關系）

實際教學中，教師可利用實驗 室的常用器材（彈簧、矩形線圈），自 制儀器如圖9所示，實現F與B“定 量”探究，根據胡克定律，用彈簧的 伸長量的變化量來定量體現安培力 的大小。在用此裝置定量探究F與

I和F與L的關系后，再來探究F與B的關系。

現行的教材在探究F與B的關系上只是用文字簡 要說明，有的版本教材有了很大的改進，通過在U型 磁鐵的兩臂繞制線圈的方式來改變磁感應強度B（如 圖10所示），進行探究F與B的大小關系，課堂教學中 由于沒有足夠的時間讓學生繞線圈，而且線圈的匝數 要多，還要注意繞制方向，且實驗現象很不明顯，達不 到很好的探究效果，實際教學中部分教師選擇一語帶 過，沒有進行實際探究，忽視了學生探究能力的培養。

有了如圖10所示的自制加改進的實驗裝置，定量探究 就成為可能。教學中 ，教師就 可以對學生進行引導：如何獲 得變化的磁場？如何獲得變 化的勻強磁場？學生就會回 憶已有的知識，想到用通電的 螺線管來提供變化的勻強磁 電的螺線管中呢？在學生思考后教師出示如圖11所

示的實物圖，將兩同型號帶矩形鐵芯的螺線管串聯， 兩個通電的螺線管等效為兩根條形磁鐵，當兩磁性相 近的條形磁鐵異名磁極靠得很近時，兩異名磁極間的 區域可近似為勻強磁場，讓通電矩形線圈的下邊置于 兩靠得很近的矩形鐵芯之間，就可以通過調節滑動變 阻器改變螺線管上勵磁電流I的大小，從而改變線圈 在磁場中的導線所處磁場的磁感應強度B，資料證實 通電螺線管所產生磁場的磁感應強度B正比于勵磁 電流的大小，從而使探究F與B的“定量”關系成為可 能。在實驗探究過程中，師生互動交流，學生的思維 通過教師遞進式問題的 引導 ，思維層次不斷地 得以深化，學生設計實 驗方案能力不斷提升， 科學探究能力得到有效 培養。

四、利用創意實驗教學，培養學生的科學態度 與責任

科學態度要求學生能正確認識科學的本質，具有 學習和研究物理的好奇心與求知欲，實事求是，不迷 信權威。^[2]物理創意實驗能最大限度激發學生的學習 動機，提高學生課堂參與度，通過創意實驗的檢驗和 邏輯的推敲，學會尊重客觀事實，實事求是，逐漸形成 正確的科學態度和責任觀。

案例 5 演示最大靜摩擦力略大于滑動摩擦力。

《摩擦力》教學中，學生很容易認為最大靜摩擦力 等于滑動摩擦力，即使教師告知學生最大靜摩擦力略 大于滑動摩擦力，因為牛頓第 二定律在后面的章節才進行 學習，導致學生在新課教學中 很難真正理解這一點，教師可 以利用彈簧測力完成這一演 示實驗，將紙片折成如圖12

所示的形狀，卡在彈簧測力計指針下方（圖13），用彈 簧測力計拉動靜置于牛皮紙上的小木塊，就能利用小 紙片留下最大靜摩擦力的 刻度值，即可顯示牛皮紙 和木塊之間的最大靜摩擦 力略大于滑動摩擦力，實 驗現象直觀，通過創意演 示讓學生學會尊重實驗事實，培養學生的科學態度。

總之，用創意實驗組織教學，能引導學生從被動 接受知識向主動探究而獲取知識轉化，學會從物理學 視角去認識物理概念規律的建立過程，形成正確的物 理觀念，體驗科學探究過程，培養科學思維能力，感受 科學探究精神，養成科學態度和建立社會責任感。用 創意實驗教學既豐富了物理課堂教學資源，又能全面 提升學生的學科核心素養，為其終身學習和發展奠定 基礎。

參考文獻：

[1]吳妙燕.學科核心素養在高中物理實驗教學中落實的 有效途徑[J].高考，2018（8）：32.

[2]楊永和.立足物理實驗教學落實學科核心素養[J]. 中小學實驗與裝備，2017（5）：15-16.

（責任編輯：周志平）