初中物理創新實驗資源開發的路徑與案例研究

劉信生 傅求寶

摘 要：新課改形勢下初中物理實驗教學發生重大變化，創新實驗教學形式得到廣大一線物理教師的青睞，所以開發創新實驗的路徑和案例研究是研究的重要課題，筆者經過數年研究，通過總結具體案例，結合生產生活用品、整合實驗室、游戲和魔術、信息技術環境下的實驗等資源開展創新實驗，將多學科融合，旨在培養學生想象力和創新思維，提升學生解決問題和動手實踐能力.

關鍵詞：創新實驗;資源開發路徑;案例研究

中圖分類號：G633.7???? 文獻標識碼：B???? 文章編號：1008-4134（2021）14-0019-04

基金項目：合肥市2021年度教育科學規劃課題“名師工作室引領區域教師專業發展的策略研究”（項目編號：HJG21026）.

作者簡介：劉信生（1971-），男，安徽合肥人，本科，中學高級教師，研究方向：初中物理教育教學;

傅求寶（1979-），男，安徽合肥人，本科，中學高級教師，研究方向：物理教育教學.

2019年11月教育部頒布《關于加強和改進中小學實驗教學的意見》，文件強調：創新實驗教學方式，倡導“做中學”“研中學”“創中學”“以生為本”，突出學生學習的主體地位，強化學生親身體驗和動手實踐，要充分發揮實驗教學在基礎教育中的重要作用，強化學生的創新精神和實踐能力，創造有利條件增加學生動手機會.物理學是一門以實驗為基礎的自然科學，在實驗中進行科學探究，培養學生的科學思維能力是物理教學的核心理念.因此，實驗和思維是物理教學的兩條鐵律[1].在當今以培養學生核心素養為目標的新課改形勢下，要想實現由“知識技能學習為中心”向“人的發展為中心”的轉變，教師以完成教材中演示實驗和分組實驗為目標的物理實驗教學遠遠不夠.筆者認為，物理實驗要以有利于實驗教學的一切實際生活中的“存在物”，不拘泥于課本中的素材和實驗室現有器材，要放眼生產生活用品，整合實驗室、游戲和魔術、信息技術環境下的實驗等資源開展創新實驗，將多學科融合，旨在培養學生想象力和創新思維，提升其解決問題和動手實踐能力.

1 從生產生活用品中開發創新實驗資源

“從生活走向物理，從物理走向社會” 是物理教學的核心理念.說明物理學中所有的概念和規律都是對生活和自然界的抽象概括，人類更是運用這些自然原理去改造自然和解決生活中的現實問題.所以，以生產和生活用品為資源來開發物理創新實驗就有深遠的意義.由于中學生是人生的黃金時期，對自己周圍的生活現象關注度最高，教師以生產生活中的各種物品、器具甚至廢物垃圾為素材，開發出簡潔、直觀、適用的創新實驗器具，引導學生對那些“似懂非懂”的物理原理進行科學探究，通過創新實驗儀器和改良實驗器材，優化實驗步驟，讓實驗現象更清晰、思維更直觀，實現創新實驗可視化;在手腦并用、經歷實驗操作的整個過程中開發科學思維.

例如，在探究“飛機投彈”類的物體平拋運動規律問題中，初中學生缺乏直觀的感性認識，運用高中知識進行理論分析顯然行不通，筆者通過自制慣性演示儀，構建模型探究“飛機投擲炸彈”實驗[1].用四枚軸承做成平板小車輪子、用廢棄免漆板木料做成支架、用亞克力管制成投擲器、用薄亞克力片做成控制器、用鐵架臺橫向固定的木條尺做成觸發器、易拉罐做成接收器，下落的玻璃球就是投擲的“炮彈”.整個裝置就是由身邊的“瓶瓶罐罐”拼湊起來的，帶領學生在操場上模擬“飛機投擲炸彈”情景再現，能豐富學生的學習生活，獲得直接的事實經驗，通過構建模型進行思維加工，深刻理解慣性概念，培養學生的創新精神和實踐能力.

2 整合現有的實驗室資源、網購材料開發創新實驗資源

實驗室的器材是教師進行實驗教學的基本物質資源.教材中的演示實驗和分組實驗，學生可以通過多種途徑來達成學習目標，我們要在學生“玩”實驗的基礎上，將實驗室現有的甚至閑置的器材進行改造、拆解、借用、重組和整合，開發出新的實驗器材，讓傳統的實驗也能激發學生的學習興趣，提高實驗教學效率，拓展實驗功能.

例如，“探究杠桿平衡條件”實驗是初中物理教學的重點實驗之一.對于以形象思維為主的初中生而言，建立力臂概念不能一蹴而就，特別是當拉力與杠桿不垂直的時候，此時力臂無法從演示杠桿上直接讀出，筆者在教學中設計出許多有價值的解決辦法，并在無意中發現裝修師傅用落地激光十字儀來檢驗室內的地面與四周墻壁是否垂直，并利用激光十字儀，自制“杠桿平衡儀”探究杠桿的平衡條件[2].如圖2所示，主體結構：免漆板上固定演示杠桿一根、6把不銹鋼刻度尺（其中2把刻度尺固定在木條刻度尺上）、測力計等;輔助結構：激光十字儀、光具座、充電寶.調節激光十字儀的支架，使激光水平投射出去，投射線與免漆板必須垂直是順利完成實驗的關鍵，該裝置的最大優點就是利用激光十字儀發出的兩條激光是互相垂直的特性，能夠顯示力臂就是支點到力的作用線的距離，實現物理概念的可視化，方便學生能夠準確讀出力臂的大小.通過該裝置的使用，加深了學生對動力和阻力均與杠桿垂直且杠桿在水平位置平衡、動力和阻力均與杠桿不垂直且杠桿在水平位置平衡、動力和阻力均與杠桿不垂直且杠桿在非水平位置平衡等多種情況進行全方位的探究，豐富了學生深度探究的愿望，提升了學生科學思維能力.

同時設計“一種精準讀取力臂的杠桿演示儀”裝置[3]，如圖3所示，該裝置的最大特點是通過自制刻度板和亞克力支架，利用定滑輪改變拉力方向，精準讀取各力的力臂.（1）刻度板制作：在Adobe Photoshop圖像處理軟件的界面上選取與A4紙長和寬相同的尺寸，畫出分度值為毫米的刻度尺，將刻度線沿橫向2等分，將0刻度線置于界面中央位置（粗紅線），再以0刻度線為對稱軸左右對稱的位置標出以毫米為單位的刻度，兩邊的量程均為15cm，兩邊相對應的刻度中，每隔1cm用實線連接，每1cm中間用虛線等分，在實線間標上刻度的數值.將設計好的特殊“刻度尺”彩色打印在A4紙上，用塑封機塑封好，如圖3所示.再用打孔器在零刻度線處打上小孔做成刻度板備用.（2）支架制作：取60cm×80cm×0.8cm透明亞克力板1塊，將亞克力板做成“丫”字形，兩側對稱地鏤空成圓弧狀槽，取實驗室中去掉外框的塑料滑輪2枚，分別用螺桿穿過2枚滑輪的軸心和亞克力板的圓弧狀槽，再用螺母在槽的背面旋入螺桿，懸掛好左右兩側的滑輪，通過調節螺桿上螺母的松緊保證兩滑輪可以固定在圓弧形槽內任意位置，再把下方板面切掉，目的是讓鉤碼能懸空，在亞克力板的中間靠正下方打2個孔，便于用螺絲將亞克力板豎直地固定在鐵架臺上，前后調節板面，使演示杠桿與其在同一豎直面內.（3）組裝過程：首先將演示杠桿支架豎直固定在鐵架臺直桿上，將自制刻度板的小孔先穿入鐵架臺上固定杠桿的轉軸，再在轉軸上旋入螺母，前后2枚螺母擠壓刻度板的松緊度適度，達到用手轉動刻度板且放手后刻度板可以在任何角度保持靜止為宜.然后將細線懸掛的重錘線系在轉軸上，調節刻度板，使刻度板的0刻度紅線與重垂線重合，再穿上輕質演示杠桿.最后旋上杠桿的支點固定螺母.在杠桿兩側可移動的懸掛點下分別系好帶有掛鉤的深色棉線，目的是方便加掛鉤碼.

3 從游戲和魔術中開發創新實驗資源

魔術因其具有變化莫測、出人意料的表演效果而深受人們的喜愛[4]，其本質是創新實驗的一種形式.各種魔術游戲豐富多彩，令人驚奇，其中蘊含許多物理知識和物理原理.趣味魔術游戲手法的揭秘，合理地將其引入到中學物理課堂教學中，可以起到意想不到的教學效果.

案例：表演者先將一只手握的玻璃杯倒放在桌面上，手一直沒有離開玻璃杯，另一只手拿來一粒開心果放在杯底上（如圖4所示）.這時候，將握住杯子的這只手沿著杯壁向上滑動至杯底后離開杯子.觀眾見到開心果從杯底落入到杯口的桌面上，看到的結果是：開心果穿越杯壁，進入杯子里面.

物理原理揭秘：表演者事先準備兩粒相同大小的開心果，分別取下里面的果粒，再各自放進去一塊強磁粒.表演者的手指上戴有磁性的戒指，此戒指可以分別吸引特制的開心果，表演前將一粒開心果吸附在掌心的戒指上，趁手握杯子的空隙，小心將掌內的開心果滑入杯壁內部（利用手指擋住了觀眾的視線），由于磁力的作用而不會掉下來.此時，再將另一粒開心果放在杯底上，握杯的手向上滑動并離開杯底的瞬間，杯底的那粒開心果被戒指吸附在掌心帶走，杯內的開心果失去吸引力而從杯壁內側滑落下來，觀眾卻感覺杯底上部的開心果穿越進入杯內了.

教學應用：在磁體與磁性的物理教學中，可以通過魔術引入新課，活躍課堂氣氛，激發學生學習興趣，讓學生了解磁性的廣泛應用.

4 從教材的習題中開發創新實驗資源

物理教材課后習題設計的目的是為了考查學生對物理概念和規律的掌握情況，問題大都是來自生產生活中現實情景，是真實生活的反映，是值得師生去挖掘的豐富礦藏，更是物理創新實驗的優質素材來源.

例如，教材習題中將兩把刷毛相對的刷子合在一起，再用力錯開，發現二者的刷毛均發生形變來解釋力的作用相互性，筆者帶領學生依據這一情景實驗，設計出一種底部固定四根細彈簧的亞克力板之特制“滑塊”來探究滑動摩擦力實驗[5]，如圖5所示.通過觀察細彈簧的長度變化和彎曲方向，巧妙地將物體受到的滑動摩擦力大小和方向可視化，設計實驗完成：（1）探究滑動摩擦力大小與物體間壓力和表面粗糙程度有關;（2）探究傳送帶上運動的物體受到的摩擦力方向;（3）探究斜面上物體受到摩擦力的方向.對只有初中水平的學生直觀形象地理解滑動摩擦力的特性，大膽設計創新實驗，突破科學思維瓶頸具有很大的現實意義.

在進行探究“浮力大小與哪些因素有關”規律實驗教學時，筆者發現運用稱重法測量物塊在液體中的浮力大小步驟較繁瑣，對實驗進行創新設計，運用電子秤測量物體受到的浮力[6].該裝置的創新優點為：（1）運用力的相互作用原理與浮力相結合，可以簡化為液體對浸在其中的物塊擠壓作用的合力;（2）巧妙地運用電子秤讀出物體的質量大小，且可以直接稱得物塊在液體中受到的浮力;（3）完成驗證阿基米德原理和探究浮力大小與哪些因素有關規律實驗;（4）運用等效法和墜物法探究空心物體浮力（如圖6所示）.

5 從數字化實驗系統中開發創新實驗資源

教育信息化在高中物理實驗教學由“起步、應用”階段正在向“融合、創新”階段邁進.這幾年，初中物理實驗的信息化應用不斷發展，特別是基于傳感器技術與傳統實驗的快速融合，可以從數字化實驗中開發出新的創新實驗資源.

以初中物理“探究影響導體電阻的因素”實驗為例，傳統實驗存在諸多不足：（1）實驗中通過小燈泡的亮暗發生變化定性反映導體電阻大小發生變化.（2）電流表可視性差，后排學生看不到.（3）由于干電池存在內阻，在不同的電路中，無法保證電源的電壓為定值，影響實驗結論的可靠性.（4）初中學生對鎳鉻金屬絲比較陌生.由于傳統實驗存在的問題，筆者帶領學生實施創新實驗，將各種“金屬線”改為學生身邊每天使用、非常熟悉的鉛筆芯作為實驗器材，由于鉛筆芯中石墨含量不同，其導電性能也有較大的區別，電阻值也不同.選用同一廠家、不同規格的鉛筆芯作為研究對象;將干電池組更換為學生電源供電;將實驗室電流表更換為電流傳感器、數據采集器和筆記本電腦.

5.1 實驗器材

同一廠家（均是中華繪圖鉛筆）、同種型號的鉛筆組合（2H、HB、2B、3B、4B、5B、6B）、亞克力板條兩根、薄免漆板一塊，電流傳感器、數據收集器、帶有數字化軟件的電腦、學生電源一臺、帶有鱷魚夾的導線若干、圓柱強磁體若干，鋼鋸條、裁紙刀、手電鉆、膠棒槍各一支.

5.2 實驗器材組裝

取中華繪圖鉛筆組合（其中2H、HB、3B、4B、5B、6B鉛筆各一支， 2B鉛筆兩支），用鋸條將每支鉛筆距離兩端0.5cm處木質層鋸深2mm的凹槽，再用裁紙刀小心地將兩端的木質層去掉，漏出鉛筆芯.將兩塊長方體亞克力板重疊放置，每間隔2cm用手電鉆打穿8對圓孔，依次將2H、HB、2B、2B、3B、4B、5B、6B鉛筆，按照從上到下順序整齊地穿過這對亞克力板條，用膠棒槍的熱熔膠將其整體固定在薄免漆板上（如圖7所示）.

使用學生電源為電路供電（控制工作電壓不變），將電流傳感器（注意正負接線柱）與鉛筆串聯接入電路，用數據線將傳感器與數據采集器連接，再與帶有數字化軟件的電腦相連，用膠棒槍將圓柱強磁分別固定在薄免漆板、電流傳感器、數據采集器上，再將這些器件吸附在豎直放置的長方形白色鐵板上，便于展示.

5.3 實驗操作

師生開始合作完成探究活動：教師展示圖7中的數字化實驗裝置.連接好串聯的數字化電路，注意連接鉛筆兩端各帶有鱷魚夾的導線.我們進行如下操作步驟：（1）將學生電源電壓調至3V，打開電腦中的數字化軟件系統界面，在接通電路前將數字化電流值“調零”.（2）將兩只鱷魚夾夾住2H鉛筆的兩端，閉合電源開關，電腦屏顯示的電流值為0.09A，將數據記錄在表1中.（3）斷開電源開關，用2H鉛筆兩端的鱷魚夾，順次將HB、2B、3B、4B、5B、6B鉛筆分別接入電路中，閉合電源開關，記錄電路中電流數據，填入表1.

5.4 分析數據，得出結論

分析表1中的1-7組數據得出實驗結論：在導體長度和橫截面積（粗細）相同時，導體的電阻與導體材料有關.

學生用帶鱷魚夾的導線將兩支相同的2B鉛筆頭、尾相連，然后再將剩下的頭尾兩端接入電路中，形成兩支鉛筆串聯的電路，閉合電源開關，讀出電路電流大小;再用鱷魚夾將兩支2B鉛筆頭頭、尾尾相連，形成兩支鉛筆并聯電路，閉合電源開關，讀出電路電流大小，將以上數據填入表1.

師生合作分析表1中的數據8和9組，得出實驗結論：（1）在導體材料、橫截面積相同時，導體越長，其電阻越大.（2）在導體材料、長度相同時，導體橫截面積越大，導體電阻越小.在師生的共同參與中完成探究實驗，在實驗啟迪思維中升華理論.

6 結語

物理創新實驗實質就是對傳統實驗的“二次開發”過程，是將被開發出來實驗資源的教學功能最大化過程.江蘇省特級教師、學生自主創新實驗全國首倡人湯金波老師說過：“創新實驗有三個途徑，操起身邊的家伙實施創新實驗、優化實驗室器材實施創新實驗、借助數字化器材進行創新實驗.”我們可以在實際生活中進一步拓展實驗教學的空間和時間，在創新實驗中培養學生物理學習的學科情懷，讓物理核心素養真正落地生根、開花結果.

參考文獻：

[1]劉信生.基于物理科學思維能力培養的學生自制模型創新實驗——由“飛機投擲炮彈問題”引出[J].中小學實驗與裝備，2020，30（03）：16-18.

[2]劉信生，邢海根.利用自制杠桿平衡儀探究杠桿的平衡條件[J].物理實驗，2019，39（10）：58-60+63.

[3]劉信生，湯金波，張貴林.學生自主創新實驗是實現創新發明的高效途[J].實驗教學與儀器，2020，37（10）：3-5.

[4]李進，楊帆.中學物理演示實驗資源開發的若干途徑及其案例[J].物理教學探討，2017，35（02）：21-24.

[5]劉信生，湯金波.巧設創新實驗，突破思維瓶頸——以“探究滑動摩擦力”實驗為例[J].教育研究與評論，2019（04）：33-36.

[6]劉信生，傅求寶，邢海根.巧用電子秤測量浮力[J].物理實驗，2020，40（08）：61-64.

（收稿日期：2021-04-02）