非常規實驗在中學物理教學中的應用

叢佳韻，胡經國

（揚州大學，江蘇揚州 225009）

一、中學物理中的非常規實驗

在傳統物理課堂中，大多數教師因為升學壓力忽視物理實驗，課堂教學以講授為主，課后知識的鞏固以做題為主。這種“填鴨式”教學容易使學生失去學習興趣。采取死記硬背的方法記憶知識點代替理解知識點造成課堂教學效率低下。此外，現有的物理實驗教學基本依賴實驗室的精密儀器，學生只需要根據書本中的實驗步驟，按部就班地進行實驗就可以得到所謂的實驗結果，整個過程死板且脫離學生的生活，無法給學生帶來共鳴，也抑制學生的創新能力與動手能力。

在實行“雙減”政策，推行素質教育的當下，非常規物理實驗的理念與素質教育理念不謀而合。非常規物理實驗是指根據教學需要，選擇和利用學生生活環境中熟悉的物品、器具甚至人體，以不固定的方法或形式，人為控制條件、有目的實施觀察與探索物理規律的實驗活動，生活化且具有趣味性、自創性以及體驗性。[1]學生在動手操作提高創新力的同時，也會意識到物理與生活并不是相互獨立而是相互融合的。引導學生在生活中觀察并發現物理現象，靈活運用物理知識解釋這些現象，可以達到培養學生科學態度與責任的目的。

二、基于非常規實驗的教學設計

（一）“物態變化”

2022年頒布的《義務教育物理課程標準》一級主題“物質”包含“物質的形態和變化”“物質的屬性”“物質的結構和物質世界的尺度”三個二級主題。“物質”主題的課程內容與日常生活、自然現象及科技發展前沿密切相關。這部分內容的設計旨在引導學生從物理學的視角認識物質世界，了解身邊物質的形態和變化，了解物質的屬性、結構與物質世界的尺度，初步形成物質觀念；引導學生學習科學研究方法，提升科學探究能力，體會科學、技術、社會、環境之間的關系，形成辯證唯物主義世界觀和關心環境、保護環境的責任感。[2]

在學習人教版物理八年級上冊第三章“物態變化”時，學生在課堂上對一些物態變化的概念可能僅僅來源于教師準備的圖片或者PPT動畫。其實，教師可以通過在課后借助電冰箱加深學生對物態變化概念的理解，同時利用家用電器加強課本知識與實際生活的聯系。

實驗一：探究電冰箱內部各區域的溫度分布情況。將幾支溫度計分別放在冷藏室的不同層，幾分鐘后記錄測量結果；然后在冷藏室的某一層，距離電冰箱門遠近不同的位置放置溫度計，幾分鐘后，記錄測量結果。比較這些測量值，看看電冰箱內各區域的溫度分布有什么特點。根據結果，學生可以發現靠近冰箱門的溫度較高，遠離冰箱門的溫度較低。學生在這個實驗中能夠回憶使用溫度計的注意事項以及讀數方法，也能了解冰箱各區域的冷藏效果，將物理知識運用到日常生活中。

實驗二：將一塊豆腐放入冷凍室，一兩天之后將其從冰箱內取出，此時的豆腐已經變成凍豆腐。學生觀察思考：與普通豆腐相比，“凍豆腐”的形狀發生了什么變化？解凍后切開，“凍豆腐”內部又有什么變化？根據實驗結果，學生可以發現凍豆腐變得更加堅硬，溫度更低，豆腐內的水分都被凝固成冰塊，解凍后豆腐重新變軟，冰重新溶化為水。學生用所學知識解釋實驗現象，了解水與冰的相互轉化在凍豆腐過程中的作用，這其實就是水的凝固和溶化這兩個過程。根據實驗，學生可以更加深刻地理解凝固是物質從液態變為固態的過程，而熔化是物質從固態變為液態的過程。并且，學生也能了解“從物理走向生活，從生活走向物理”的內涵。

實驗三：研究不同液體的冷凍情況，這是本章知識的擴展內容。在四個透明的杯子中分別裝入等量（100 ml）的水、牛奶、糖水、食鹽水，然后將它們放入冷凍室內，每隔一段時間打開電冰箱觀察液體的狀態。觀察它們的凝固點是否相同？再用不同濃度的食鹽水進行實驗，看看食鹽水的凝固點與其濃度有沒有關系，有什么關系？這個實驗主要是讓學生理解凝固點這個知識點，理解不同物質的凝固點是不同的。通過這個實驗，學生不僅親眼見證凝固的現象，直觀感受各個液體的凝固過程，加深對凝固這個知識點的認知，而且能夠對不同濃度食鹽水的凝固點不同的原因進行延展性思考。

在實驗教學中，教師往往忽略課堂外學生的實驗學習過程。因為在大多數教師和家長的眼中課后的非常規物理實驗會占用學生的學習時間，而學生在完成非常規物理實驗作業的過程中，經歷自己動手制作或體驗的過程，并運用了多種感官，能夠深刻記憶實驗涉及的相關知識內容。此外，學生通過非常規實驗知曉規律產生的事實根據和適用條件，弄清相關制作的基本原理，對物理知識的理解比較深刻。整個過程看似需要花費一定的時間精力，實質上是一種高效的學習方式。[3]

（二）“浮力”

“物質”“運動與相互作用”“能量”主題涉及物理學三個基本內容領域，是培養學生物理觀念、科學思維、科學探究能力、科學態度與責任感的重要載體。“浮力”作為“運動與相互作用”二級主題“機械運動與力”中的重要教學內容，《義務教育物理課程標準》（2022年版）要求做到：通過實驗，認識浮力，探究并了解浮力大小與哪些因素有關，知道阿基米德原理，運用物體的浮沉條件說明生產生活中的有關現象。[2]

在常規的教學中，教師選擇通過展示圖片引入浮力的概念，接著演示書本上提供的“測量鋁塊浸沒水中所受的浮力”實驗解釋浮力產生的原因。但是，普通的圖片以及書本上已經出現過的常規實驗無法激發學生的學習興趣并使其完全投入課堂中。為了更生動地引入新課教學以及在課堂中學生直觀感受浮力，從而更好地理解知識點，教師可以設計一系列的非常規實驗，需要準備的實驗器材如下：乒乓球、剪去瓶口的塑料瓶、瓶口比乒乓球略小的塑料瓶。

教師先將乒乓球放入剪去瓶口的塑料瓶中，如圖1所示。學生在不用任何夾取、吸取工具以及不傾斜、不倒立瓶子的前提下思考如何取出乒乓球。教師通過這個簡單且超脫課本的非常規實驗不僅能夠在課堂初始吸引學生的注意力，促使學生在生活化的情境中思考解決問題的多種方法，而且能夠利用學生的回答，自然不突兀地引出“浮力”的概念。

隨著課堂的逐漸深入，教師為了讓學生更好地理解浮力產生的原因，可以依次進行以下兩個非常規實驗。

實驗一：教師拿出瓶口比乒乓球略小的塑料瓶，去掉底部，瓶口朝下放入乒乓球，如圖2所示。學生觀察此時乒乓球的狀態。教師在此狀態下拋出問題“如果在瓶中加水，乒乓球的狀態又會如何”，多數學生基于生活經驗可能會猜想“乒乓球會在瓶子里浮起來”。教師為了驗證學生猜想在瓶子中加水，結果發現在瓶中加水后，乒乓球并沒有如學生猜想般從瓶子里浮起來，而是被壓在瓶口，此時可以觀察到瓶口處有水漏出，如圖3所示。結合實驗現象以及浮力概念，學生在教師的引導下思考并得出結論：加水前，乒乓球的上下表面均受到空氣的壓力，隨著水的注入，乒乓球的上表面將受到水的壓力，而下表面仍然只受到空氣的壓力，并且水給乒乓球的壓力會大于空氣給乒乓球的壓力，所以乒乓球不會浮起來。

圖2

圖3

實驗二：在圖2的基礎上蓋上塑料瓶的蓋子進行第二個非常規實驗。隨著水的注入，學生將發現當乒乓球下方的水積滿時，乒乓球上浮，如圖4所示。結合前面所學到的知識，學生經過交流討論后可以得出結論：當乒乓球下方也積滿水時，乒乓球不僅受到水對它向下的壓力，也受到水對它向上的壓力，而且乒乓球上浮說明向上的壓力大于向下的壓力。這個壓力差就是浸沒在液體中的物體受到浮力的原因，而且浮力的方向向上。

圖4

課堂上教師通過設計層層遞進的非常規實驗講授知識點，在演示過程中，學生能夠代入真實的情境層層深入思考。直觀形象的實驗現象在幫助學生糾正錯誤前概念的同時，也使學生清晰地理解浮力產生的原因。通過實驗一與實驗二結果對比，學生也了解產生浮力的一些關鍵性條件，進而對浮力產生的過程中物體的受力情況也有深刻理解。將非常規實驗一與非常規實驗二中不蓋蓋子而產生不同結果的現象引申到生活中，學生體會細節的重要性，將物理知識與生活智慧相關聯，從而達到“從生活走向物理，從物理走向社會”的素質教育目的。

新《義務教育物理課程標準》的主要思想為：培養以學生發展為本，堅持全體學生全面發展，關注學生個性的健康和可持續發展。學生體驗物體在液體中確實要受到浮力的作用，并引導學生尋求測量物體所受到浮力大小的簡便方法。這樣學生不僅能學到知識，而且能學會解決物理問題的方法，形成物理思維。將課堂還給學生，能體現學生的主體地位。學生從現有的知識水平出發，通過兩個實驗，不斷思考，提出可能影響浮力大小的因素。教師可進行因素歸類，就各個獨立的可能因素，讓各小組討論課題。學生通過團隊協作，進行方案設計，并對設計的方法從理論上的正確性、操作上的可行性進行全班交流討論。學生動手進行實驗探究，經歷知識建構過程，能加深對知識的理解。由浮力的大小跟液體的密度和排開液體的體積有關，到得出阿基米德原理，要經歷一個思索、推導的過程。這一步一定要有，這樣才符合認知過程。通過對數據進行分析，學生能鍛煉自己的歸納能力；通過小組合作，學生有交流與合作的意識。評估可放在同一課題出現分歧的討論過程中，小組實驗結論錯誤的最大可能會出現在控制變量上。科學探究應滲透在教學的各個環節中，本節教學只是落實新的《義務教育物理課程標準》的嘗試。真正落實《義務教育物理課程標準》所提出的三維目標，教師還需充分發揮課堂教學潛力，多角度、多方位地為學生提供探究性學習的機會。

三、結束語

隨著《義務教育物理課程標準》（2022年版）明確提出“實驗是物理課程改革的重要環節”“從生活走向物理，從物理走向社會”。[2]實驗在物理教學中的地位得到重視，同時“面向全體學生，關注學生個體差異”的建議意味著傳統的物理實驗教學模式已經無法滿足促進學生全面和諧發展的要求。在信息技術飛速發展的今天，廠制實驗儀器越來越精密，各類虛擬實驗軟件層出不窮，但是不同于前兩者，非常規實驗憑借其簡易的實驗器材，不刻板的實驗操作帶給學生不一樣的實驗體驗。非常規實驗能夠突出物理的奇妙，激發學生的好奇心與學習興趣，學生不再是知識的接收者，而是知識的發現者。然而，國內對于非常規物理實驗的研究還有很長的路要走。如何與時俱進開發出更多的非常規物理實驗以及如何克服課堂限制，將非常規物理實驗更有效地融入課堂和課外生活等問題將是我們繼續探索的重點。