指向初學者的物理實驗設計策略探討①
——以《物態變化》一章為例

王 雷

(江蘇省南通市躍龍中學，江蘇 南通 226001)

實驗對于物理教學的重要性不言而喻，特別是對初學物理的八年級學生來說，以實驗為課堂的抓手尤為重要，學生在真實的實驗情境中做中學、學中思，可自主建構意義，逐步掌握學習物理的基本方法，提高核心素養。當下的物理課程改革要求物理實驗應具備時代性、生活性、思想性和應用性特征，因此在設計物理實驗時若能融現代科技、日常生活、思想方法、實踐應用于其中，必將收到事半功倍的效果。本文結合《物態變化》一章的教學，探討初中物理課堂在起始引入、課中探究和學以致用等不同環節實驗設計的優化策略。

1 引入實驗凸顯趣味性

良好的開端是成功的一半，課堂引入實驗類似于“大片”的序曲，對學生應有直擊心靈的震撼效果，才能發揮其最佳效益，讓心理、心情還處于課間活動興奮當中的學生收斂分散的注意力，快速進入學習新知的狀態。所以，引入實驗應與教學內容構成有機的內在聯系，以充分激發興趣、引發疑問、啟發思考為目的，并兼顧學生的年齡特點、心理狀況、知識基礎、能力水平、興趣差異等實際情況進行設計。

案例1：“熔化和凝固”的引入設計

在“熔化和凝固”的教學中，常見的實驗為：當溫度變化時冰能化成水、水能結冰，以此引入熔化和凝固的概念，這種引入因過于常規而缺乏挑戰性，難以調動學生的學習心向。為引起感官的沖擊，筆者選擇低熔點金屬條的熔化和凝固作為引入實驗，因為在初中生的前概念中，金屬這類物質是一種堅不可摧的象征，學生會根深蒂固地認為其物態是很難改變的。

師：這是一根金屬條，它處于什么物態？

現象：用金屬條敲擊燒杯，會發出響亮的敲擊聲。

生：固態。

師：如果將它的一端慢慢放進熱水里，會發生怎樣的現象呢？做做看。

學生動手實驗，當看到金屬條變成亮銀色的液滴并一滴一滴地滴到水中時(圖1)，學生發出驚呼聲。這個現象令學生感到意外，他們幾乎無法接受這一事實，在他們的前概念中，金屬是強大、堅固的代名詞，怎么可能被熱水一燙就成了液體呢？他們主動拿起鑷子去驗證，難道真的是液體嗎(圖2)？他們感受到金屬液體會流動，這種主動尋求證據的舉動正說明學生被這一充滿趣味的實驗所吸引，從而引發一探究竟的沖動。

圖1

圖2

師：請把燒杯中的熱水連同金屬液體一起倒入裝有冷水的水槽中，再觀察現象。

現象：金屬液體倒入冷水后變成各式各樣的固態造型。

師：金屬液體又發生了怎樣的變化？

生：從液態變成了固態。

至此，“熔化和凝固”的概念自然生成。由此抓住時機繼續點燃學生的思維火花，激發學生產生提問的沖動。讓學生在一目了然的現象中發現問題，引發認知沖突，并積極思維，產生解決問題的強烈愿望。

問：針對這樣的現象，你能提出什么問題？

生1：為什么金屬條會在熱水中熔化？

師：你們覺得可能與什么因素有關？

生：溫度。

生2：熔化與溫度有什么關系？

師：還有什么值得研究的問題嗎？

生3：不同物質的熔化特點有什么不同？

學生在這樣的思維碰撞中，其問題意識得以有效提高，而學生主動發現的問題正是需要不斷研究的。對于初學物理的學生而言，這樣的引導對培育良好的問題意識特別關鍵。以“激趣引思”為目的引入實驗可從三個層次去引導學生思考：(1) 為什么會產生這種現象？(2) 現象與什么因素有關？(3) 如何從相關聯系中尋找相同和不同？通過這樣循序漸進的有層次的問題，可有效培育學生的問題意識，提升學生的提問能力。

2 自主實驗強化高效性

對于物理初學者而言，在探究習慣、思維深度、科學方法等方面還處在比較粗淺的層次。實驗的設計應緊扣主干知識，使實驗聚焦于問題解決。比對各種版本教材的實驗設計，都是從實驗室角度去設計實驗，其缺點是割裂了物理與生活的聯系，學生很難把物理知識與日常生活或生產活動相關聯，也就是說這種“實驗室程式化”的設計易把學生牽進一種固化的思維之中。因此，課堂教學的自主實驗需要根據教學內容的要求，從便于操作、現象明顯、易于觀察等方面進行精心設計，不僅能深化教學，同時還能對學生良好的觀察和實驗習慣起到有效訓練的作用。

案例2：探究水沸騰時溫度變化的特點

這一實驗是課程標準規定的學生必做實驗，其重點是研究水沸騰前后溫度變化的特點，觀察現象、獲取數據、描繪圖像，進而總結出沸騰的條件，溫度計的使用是實驗的次要點，本實驗中只需獲得有效的溫度數據。使用日常生活用品進行實驗，學生會倍感親切。

實驗設計：用透明電水壺燒水(圖3)，分組進行計時、讀取溫度、觀察氣泡和聲音的變化、記錄數據。

實驗現象：如圖3所示，水在沸騰前底部有氣泡產生，在上升過程中氣泡變小，并伴有清脆響亮的炸裂聲。達到沸點后可觀察到大量氣泡上升的劇烈沸騰現象，且聲音低沉。學生每隔20秒讀取溫度并描繪圖像，總結沸騰的特點。這一實驗操作簡便，現象直觀且貼近生活，又因電水壺的功率較大、實驗時間較短。尤其是沸騰的條件能夠顯而易見，水沸騰后斷電，沸騰幾乎立即停止，再接通開關水又能繼續沸騰，學生通過對明顯的現象的分析，可輕松總結出水沸騰的條件是：達到沸點且需繼續吸熱。

圖3

在學生觀察現象并得出水沸騰的條件后，提出問題：若此實驗使用實驗室器材，如何進行裝置的選擇與安裝呢？

生1：熱源可使用酒精燈，因此整體裝置應以酒精燈的外焰為中心自下而上進行安裝。

生2：盛水容器可選燒杯或燒瓶。

生3：測量溫度時應將溫度計的玻璃泡放在水的中央。

師：同學們的設計方案很好，關注了裝置要求、操作要點、觀察重點等諸多因素，但老師必須提醒的是在實驗中要注意操作安全。

在此安排這樣的倒置環節，既是為了呼應教材的要求，因為教材是從物理實驗室的角度去設計的(圖4)，在研究水沸騰特點的同時，還把裝置的規范安裝作為關注點。實踐表明，生活化實驗設計有助于學生建立物理與日常生活的聯系，實現讓物理走向生活、在生活中學習物理的目的，學生在實驗中學習物理，其關注生活、觀察身邊現象的習慣亦能漸漸養成，物理學習的興趣同樣會得以有效保持。

圖4

案例3：探究水蒸氣液化的特點

液化是學生較易感知到的現象，諸如：早晨的露珠、從冰箱取出的物品表面很快結出水珠、尤其是戴眼鏡的同學從寒冷的室外進入溫暖的室內時鏡片上會出現水霧等，這些身邊的實例都是液化教學的好素材，教學難點在于液化過程會對外放熱。為了讓學生有直觀感知，就需要排除干擾進行顯性設計，通過有效的對比幫助學生主動發現。

為此，實驗設計的重點確定為：對水蒸氣液化時新增水量和等量開水混合后的溫度變化進行對比。

(1) 裝置設計：在燒瓶中加入適量熱水，用上插玻璃管的瓶塞蓋住，在玻璃管上外接軟管，取兩只100 mL的量筒，均倒入50 mL初溫相同的水備用(圖5)。

圖5

(2) 實驗過程：加熱燒瓶直至水沸騰，把軟管插入量筒中，讓水蒸氣進入量筒，用溫度計適時測量量筒中的水溫變化。在課堂教學中，因實驗的操作要求高，本實驗宜作為教師演示實驗，實驗進行2分鐘左右量筒中水的體積增加了10 mL。停止加熱，迅速將燒瓶中的沸水加注10 mL到另一只量筒，輕輕攪拌測量水溫變化。

(3) 實測結果：通入水蒸氣的量筒中水量增加10 mL，水溫變化達到26 ℃，而倒入10 mL沸水的量筒的水溫只變化了6 ℃。

學生從實驗中可輕松得出結論：多出的水是由水蒸氣液化所得，通過水溫變化的對比，發現水蒸氣液化時可以放出大量的熱。

這一實驗改進排除了沸水混合使冷水升溫這一變量，為液化放熱提供了有力的證據，整體裝置的簡潔設計減少了干擾因素，使學生將注意力集中于觀察重點。學生對比分析這兩個明顯的現象，從而自主突破液化的難點。

3 收關實驗關注實用性

在課堂教學的收關環節，有必要根據具體的教學內容，創造條件設計學生動手制作的實驗或課外拓展實驗，使學生深刻體會到物理知識在生活、生產中的應用，把物理學習從課內延伸到課外，從而使學生的物理知識得以活化。

案例4：挑戰“野外生存”，如何獲得蒸餾水？

在學完“汽化和液化”后，推出一項實踐活動作為收關環節的內容。

師：請用所學知識設計獲得蒸餾水的實驗。

生：利用一只大盆抽取河水或地下水，在盆里放一只干凈的接水容器，大盆上覆蓋保鮮膜，放到太陽下曬，過一段時間后可獲得蒸餾水。

師：老師提供了一只大燒杯、一只小燒杯、保鮮膜，為節省實驗時間，用酒精燈加熱。分小組合作制取蒸餾水。

通過生生討論、師生對話形成了實驗方案，再通過動手操作獲得了蒸餾水。這樣的設計有效深化了學生對汽化和液化知識的理解，更能讓學生知道學習物理可以“做什么”和“怎么做”，踐行了課標和教材倡導的“從生活走向物理，從物理走向社會”的理念。

4 結語

物理課堂的引入實驗當以“激趣引思”為設計重點，學生自主實驗應聚焦教學核心問題，還要根據便于操作、現象明顯等要求去改進，應用性實驗要以促進學生學以致用、活化知識與培養能力為目標。教師只有在物理實驗設計上下功夫，才能激發學生的學習心向、熱情，促進學生抓住重點、突破難點，感受物理學的應用價值，從而實現物理課程的育人價值。