隨堂實驗創新設計的價值與策略研究

韋葉平

(江蘇省武進高級中學，江蘇 常州 213161)

物理實驗是物理工作者有目的、有計劃地利用儀器、設備，在人為控制的條件下使物理現象反復再現，從而進行觀測研究的科學實踐活動.其主要特征表現為理想化(簡化、純化、強化實驗過程)、可觀測(加速與延緩、重復與再現實驗現象)，是一種科學研究方法.

物理學是一門以實驗為基礎的自然科學，中學物理教學的主陣地在課堂.因此，做好隨堂實驗對提高學生科學素養、發展學科核心素養起著關鍵性作用.

1 隨堂實驗的特點

隨堂實驗是穿插在課堂教學中的學生小實驗，也可稱作邊教邊實驗或邊學邊實驗.主要具有以下特點.

(1) 隨堂實驗通常與教師的講解密切配合，可以是一個小實驗或者是一組系列小實驗；實驗時間可以是幾分鐘或者是幾十分鐘；組織形式可以是演示實驗或者是學生分組實驗；實驗地點可以是實驗室，通常是教室.

(2) 隨堂實驗可以使用正規的配套儀器，也可以利用隨手可取的日常生活用品自制教具、學具進行實驗.

(3) 隨堂實驗讓學生通過親自動手、具身體驗來學習知識，有利于發揮學生的主動性和主體性，讓學習真實發生.

(4) 隨堂實驗的間隙穿插教師的啟發、引導、講解、評價或師生互動、生生互動，有利于擴大課堂內師生的信息交流，培養學生的合作能力、批判質疑能力和問題解決能力.

(5) 隨堂實驗小型靈活、運用方便，在教學中可以增加學生動手實驗的機會，來培養學生的科學探究能力、證據意識和創造性思維.

(6) 隨堂實驗可以在創設情境、提出問題；科學探究、總結規律；遷移應用，解決問題等課堂教學的各個環節發揮不同作用.

2 隨堂實驗創新設計的原則

實驗創新是指實驗器材的創新和實驗操作的創新，隨堂實驗的創新設計需要遵循新穎性、有價值、能體驗、可推廣等原則.

(1) 新穎性.一是實驗器材本身具有新穎性，如DIS實驗系統不僅可以精確測量微小量，而且可以顯示微觀變化過程；在數據處理上可以實現定量計算、定量作圖、圖表呈現等功能.二是實驗操作的新穎性，如在探究感應電流的產生條件時，筆者將長細導線與靈敏電流表連接成閉合回路，用一根導線切割磁感線，G表發生微弱偏轉；將導線繞幾圈用多根導線切割磁感線，G表發生明顯偏轉；再繞成幾十匝線圈切割磁感線，G表發生大角度偏轉.實驗操作的創新讓學生直觀比較實驗現象，掌握物理規律，學會放大法等科學方法，變常規實驗為創新實驗.

(2) 有價值.實驗創新的價值不僅僅局限于激發學生的學習興趣和探究欲望，更要通過創設實驗情境生成有價值的問題，并將知識融合到問題情境中.讓學生在重演知識的發生過程和探尋規律的發現過程中，形成物理觀念，掌握科學方法，理解科學本質，并能在新的情境中遷移應用解決實際問題，體驗到思維的批判性、嚴謹性、邏輯性和創造性.

(3) 能體驗.自制多組器材變演示實驗為學生實驗，增強學生的體驗性；變指定器材實驗為自主選擇器材實驗，激發學生的能動性；基于教材實驗開發具有針對性的自制課外實驗，培養學生的創造性.學生在從實驗體驗到物理圖像再到抽象知識的建構過程中，把抽象的語言變成形象的實驗過程，從而把感性認識上升到理性思維的發展和對科學本質的認識.

(4) 可推廣.實驗創新需要體現可以借鑒、容易推廣，能服務于常態課堂教學的價值.實驗裝置過于復雜、高端不便用于隨堂學生實驗中去，筆者倡導低成本實驗進課堂.常見的生活用品或實驗室中的常規器材等就地取材，制作結構簡單、操作方便、現象明顯、有趣有效的低成本實驗，學生對于熟悉的東西更加親切，更易理解，也是物理來源于生活，又應用于生活的體現.

3 隨堂實驗創新的價值與策略

物理教育家朱正元教授“壇壇罐罐當儀器、拼拼湊湊做實驗”；劉炳昇教授“小實驗、大智慧”，都強調利用身邊隨手可得的普通物品做實驗，不但具有簡便、直觀、親切等優點，而且有利于提高學生的動手能力，培養學生的實驗技能和創新意識.

3.1 為建構物理模型創設真實情境

實驗創新可以激發學生的好奇心和求知欲，僅實現了淺層次學習目的.實驗創新要為學生創設真實的學習情境，經過簡化、純化感性材料，建構物理模型，發展科學思維.

在“靜電屏蔽”教學時，展示一只用錫紙包裹的手機，教師現場試圖將其撥通卻不能成功，如圖1.接著，考慮到這部分知識作為“了解”的要求，因此，多數教師告知學生這是靜電屏蔽現象，導體空腔內的電場保持為0，外電場對手機不會產生影響.自然過渡到電梯廂中的手機信號弱、超高壓帶電作業的工人穿戴的工作服、高壓輸電線上方的導線與大地相連，形成一個稀疏的金屬“網”等生活應用.筆者并未急于用告知的概念解釋現象，而是引導學生將錫紙抽象成規則的長方形導體，處于理想化的勻強電場E0中.導體內的自由電子定向移動，最終產生與E0大小相等、方向相反的電場E′，導致導體內部的電場處處為0.

圖1 靜電場中的導體

基于經驗事實建構物理模型的抽象概括過程是科學思維的一個方面.物理實驗為學生的學習活動創設有一定目的的真實性任務情境，學生借助實驗情境所提供的信息去建構物理模型，經過科學推理和科學論證的過程，促進對知識的掌握，實現淺層學習向深度學習轉變.

3.2 巧用生活物件實現實驗創新

實驗創新可以表現在實驗本身就是獨特的，也可以是將大家熟知的東西用獨特的方式來呈現，卻能幫助學生理解物理規律，達成學習目標，也是很有實驗價值的.

在“靜電的防范”教學時，高壓感應線圈、兩塊金屬圓盤、一根鐵釘即可組裝成避雷針實驗裝置.沾滿酒精的酒精棉置于鐵釘下方的金屬盤上，接通電源，電火花放電瞬間將其點燃.實驗拉近了物理與生活的距離，現象更加震撼，學生能直觀感受到雷擊的危害.很多教師止步于此，學生了解了尖端放電現象，但并不能理解避雷針的原理.

圖2 避雷針實驗裝置

在此基礎上，筆者演示第2個實驗.將1根大頭針插入酒精棉，針尖與下方金屬板接觸，針帽明顯高于酒精棉，位于鐵釘的下方.接通電源，鐵釘與大頭針之間發生劇烈的放電現象，但酒精棉卻安然無恙，如圖2.教師進一步介紹，避雷針的標準稱呼應該是“接閃桿”，引雷上身，通過接地裝置引入地下，從而起到保護建筑物的作用.一次簡單的改裝，兩次對比鮮明的實驗，學生通過近距離的觀察、體驗，物理規律的理解水到渠成.

3.3 自制實驗探究的多元化設計

有效的實驗教學是建構物理概念、理解物理規律常用的重要方式.當然，也有些教師在認識上存在著一定的誤區，認為所有物理規律都需要從實驗中得出，所有物理概念都需要用實驗來驗證，從而導致隨堂實驗簡單堆砌、多而繁雜，知識碎片化.

圖3 導體上的電荷分布

在“靜電平衡時導體上電荷的分布特點”教學時，筆者利用金屬茶葉桶自制了演示實驗器材，如圖3.手搖感應起電機使金屬桶帶電，與金屬桶內表面粘連的驗電羽并未張開；外表面的驗電羽、與金屬桶連接的鐵釘尖端處的驗電羽，張角依次變大；鐵釘尖端附近形成“靜電風”，蠟燭火焰的方向偏移，好像被風吹動一樣.接著，學生便可以嘗試解釋：驗電器金屬桿上端為什么固定一個金屬球而不是做成針尖形狀？避雷針頂端為什么做成尖形而不是球形？

自制實驗器材整合了教材中的多個演示實驗，將分步操作得到的多個實驗現象同時呈現，增強了實驗現象的對比性，更有利于學生在比較中直觀理解科學本質，在新的情境中實現知識的應用遷移.

3.4 基于常規實驗提出有思維的問題

教材中的演示實驗、學生實驗都是編者反復醞釀、篩選出來的，有一些看似常規的實驗，如果能巧妙應用，提出有思維的問題，也能變常規實驗為創新實驗.

圖4 鏈球運動

在“曲線運動”教學時，教材開始就呈現“鏈球運動”的插圖(如圖4)，卻被很多教師忽視，或者不能領悟編者的意圖.取而代之的是將笨重的自行車搬進課堂，觀察浸沒在水槽中的后輪飛速轉動時，水跡飛濺的震撼場面.筆者用小沙袋代替鏈球當堂演示，重在提出問題：鏈球運動到正前方時放手好嗎？鏈球運動到什么位置放手好？可以讓學生嘗試用小沙袋擊中正前方的目標；也可以慢鏡頭播放運動員在側前方拋球的瞬間.學生在思維的碰撞和自主探究的過程中，自然進入對曲線運動速度方向的研究.

再如，教材中的演示實驗：鋼球在磁鐵吸引下做曲線運動.一些教師認為得到“物體做曲線運動的條件”便達到了實驗目的.筆者在教學時，記下鋼球做曲線運動的墨跡，進而提問：怎樣對曲線運動進行定量分析呢？引導學生建立直角坐標系，用數理方法進行理論探究，也為后面根據運動的獨立性定量研究曲線運動的規律作鋪墊.可見，實驗創新并不局限于實驗器材的創新，對常規實驗提出有意義的問題引發科學思維，深入運用實驗結果掌握科學方法、理解科學本質，也能在常規實驗中實現創新價值.

3.5 在數字化實驗中發揮邏輯力量

數字化實驗系統實現了實驗手段數字化、操作過程簡單化、測量呈現實時化、數據處理一體化、現象規律可視化等優點，因實驗器材本身的創新而被一線教師廣泛應用于物理課堂教學.如在微小量測量、顯化微觀動態過程、暫態量測量、非線性數據處理、復雜運算等多個方面彌補了傳統實驗的局限性.

圖5 理想氣體狀態方程實驗裝置

圖6 理想氣體p-V圖

“一鍵操作”式的數字化實驗，往往導致學生沒有經歷完整的實驗探究過程、不能感悟到科學探究的魅力.數字化實驗要與傳統實驗整合，融合理論探究，發揮邏輯推理的力量，更加能夠發展學生的實踐能力、邏輯思維能力和創造性思維，發揮實驗的創新價值.

3.6 將課堂實驗延伸到課外探究

由于課堂教學時間有限以及實驗系統的不完善性等因素，高中物理課堂教學往往不能像真正的科學研究一樣去探究規律、習得知識、理解科學本質.這需要培養學生科學探究的意識和自主探究的能力，通過開放實驗室、小課題研究、課外實踐活動等，將課堂實驗延伸到課外探究.

圖7 m一定，a-F擬合曲線

學生每次向小桶內增加一個5 g砝碼(共30次)，用來代替小車受到的拉力F(F=m0g)；借助位移傳感器測得每次小車對應的加速度a；在Excel表格中擬合30組數據得到a-F的平滑曲線，如圖7.學生在不斷的問題和問題解決中理解實驗條件m0?m的真正意義，學會用物理規律解決實際問題.令人驚喜的是學生在自主探究過程中，借助網絡查閱資料，通過合作探究、改進實驗方案，如將小車和小桶整體作為研究對象，或利用無線力傳感器直接測得拉力，或用傾斜軌道上小車自身的下滑力作為動力等創新方案，使實驗探究不再受m0?m的條件牽制.在此過程中，學生的科學探究能力得到提高，科學思維得到發展，物理學科核心素養的培養真正落地.

4 基于實驗創新的課堂重構

基于實驗創新的課堂重構，就是以實驗為載體、以思維為主線，重新定位教學目標、重新規劃教學內容、重新設計教學過程、合理轉變師生關系，實現以關聯與建構、理解與批判、遷移與應用為特征的深度學習，達成物理教學從知識型課堂向素養型課堂轉變.

4.1 以系列關聯實驗重構課堂

實驗最終都應用于課堂、服務于課堂，為實現教學目的服務.實驗創新更要突出創設情境、啟發思考、建構知識、發展思維的作用.因此，筆者不提倡用多個創新實驗的簡單堆砌來驗證規律.教師要善于做好3個實驗：引課實驗——搭設階梯、創設情境、引發問題；課堂實驗——科學探究、激發思維、總結規律；結課實驗——時空延伸、遷移應用、解決問題.

“牛頓第一定律”一課的知識難度較低而人文性較強，側重于物理學史料介紹.一些教師在一節課中圍繞慣性和慣性定律演示了十多個創新小實驗，令人眼花繚亂、課堂氣氛空前活躍，但思維性較低、表演成分較多.筆者在3個環節分別設置了男女生“吹乒乓球挑戰”、創新“伽利略理想斜面實驗”、“單手撕紙條競賽”等3個實驗，始終圍繞慣性定律這個主題，實驗力求創新又恰到好處，滲透人文性的史料教學，遵循學生思維發展的規律重構課堂，受到較好的教學效果.

4.2 以一個核心實驗重構課堂

有些物理規律的得出思維量較大、邏輯性較強，教師需要引導學生對設定的一個目標進行進行反復、深入的實驗探究，結合邏輯思辨的過程才能歸納出結論.一系列獨立的小實驗往往不能直接揭示物理規律的本質.筆者認為，通過自制或整合設計一個核心實驗重構課堂，學生就一個實驗進行深度探究，從而培養思維的深刻性、邏輯性、發散性、創造性，達成理解物理規律和科學本質的深度學習.

圖8 自制大型螺線管和感應小線圈

“探究感應電流的產生條件”一課，教材設置了3個實驗，反復驗證感應電流的產生與磁感應強度B的變化有關，卻不能直觀反映與面積S的變化有關.特別是實驗3“模仿法拉第的實驗”，探究情景單一、電路較為復雜，學生很難將思維集中到實驗現象的分析、規律本質的歸納上來.筆者自制了大型螺線管，與學生電源、開關、變阻器串聯成閉合電路，提供管內的勻強磁場和管外的非勻強磁場；自制感應小線圈和G表連接成另一個閉合電路，如圖8.

學生將感應線圈插入、拔出通電螺線管的過程，或放入其中保持靜止；感應線圈在管內勻強磁場區域內上下平動、水平推動、轉動、用手擠扁線圈；感應線圈在管外非勻強磁場區域運動；通過斷開、閉合開關，迅速改變變阻器的阻值……學生在實驗探究過程中反復追問“切割磁感線就一定能產生感應電流嗎？”“不切割磁感線能產生感應電流嗎？”“感應電流的產生與哪些因素有關？”等等.教師通過整合多個實驗為一個核心實驗重構課堂，讓學生在不斷的問題和問題解決中進行深層探究，從而感悟科學研究的方法和知識的發生過程，培養了批判性思維、問題解決能力、創造性思維等高階思維能力.